LA SIMULATION DU PROCEDE DE MISE EN FORME EMBOUTISSAGE L emboutissage est un procédé de formage par déformation, à chaud ou à froid, des métaux visant à transformer une tôle en une pièce plus ou moins creuse, de surface non développable. Ce formage s effectue sur une presse au moyen d un outillage dont la configuration détermine l effet obtenu sur le flan (tôle initiale). Il existe deux types d outillages : - Outils simple effet : configuration la plus simple, composée principalement d une matrice et d un poinçon. - Outils double effet : comprend en plus de l outil simple effet, un serre-flan. Cette technique de formage est la plus répandue dans l industrie. LA MISE EN DONNEES - La simplification La première étape est bien sûr la simplification de l élément embouti et des outils nécessaires. Il faut identifier les symétries possibles pour les outillages, pour le flan (la tôle initiale) et pour le matériau. Au niveau matériau, il existe par exemple une symétrie orthotrope (plan orthogonaux 2 à 2) pour une tôle laminée. Une fois les symétries de chaque élément identifiées, il faut choisir la symétrie commune pour l ensemble des éléments. Par exemple, si pour le flan, il est nécessaire de n avoir qu un quart de pièce ; et si pour l outil, il est nécessaire d avoir la moitié ; il faudra donc créer une symétrie qui ne prend en compte que la moitié des éléments. Cette étape permet à elle seule de faire gagner un temps considérable pour le calcul si une symétrie est possible. - L ajout des outils Cette étape consiste à importer les outils nécessaires à la réalisation du procédé d emboutissage. L outillage utilisé en emboutissage comprend : - Un poinçon : coulissant plus ou moins vite sur l axe vertical, et déformant la tôle. - Une matrice : elle serre d appui à la tôle et lui donne la forme extérieure finale au retour élastique prés. En fonction de l étude réalisée, l utilisateur peut importer tout ou partie de ces outillages suivant les symétries. De plus, l utilisateur n a pas besoin d importer les outillages en tant que solides. En effet, afin de simplifier les calculs, il ne peut importer que les surfaces de contact des outillages. Ces outillages sont alors considérés comme indéformables donc seules leurs surfaces sont nécessaires puisqu elles auront une propriété de matériau rigide par la suite. Par contre, si l utilisateur souhaite réaliser une étude avec des outils déformables, il doit importer la totalité de ces outils en volumique. Si sur une même matrice plusieurs pièces sont fabriquées, il n est pas nécessaire de toutes les importer, ce qui permet de réduire les temps de calcul. - L ajout du flan (tôle initiale) Dans cette étape, il faut importer le flan qui sera déformé lors de l emboutissage. Comme pour les outillages, il y aura la totalité ou une partie du flan suivant les symétries. Le flanc peut être créé directement dans le logiciel de simulation. - L ajout de serre-flan (dans le cas d outils double-effet) Il est possible d insérer un serre-flan dans le procédé d emboutissage. Son rôle est de maintenir plus ou moins le flan lors d une opération d emboutissage, afin d assurer un écoulement homogène du métal et prévenir des risques de plis ou autres défauts d emboutissage. Comme pour les outillages, il est possible de simplifier le serre-flan par une surface indéformable afin de diminuer le temps de calcul. On peut également créer le serre-flan dans le logiciel. - L ajout de jonc Pour modifier l écoulement du flan, plus communément appelé l avalement, il est possible d insérer directement dans le logiciel des joncs, s ils ne sont pas intégrés aux outillages. Ces joncs peuvent avoir plusieurs profils indiqués sur la figure 1 :
Figure 1 : Profils de joncs - Les caractéristiques matériaux Dans cette étape, toutes les caractéristiques matériaux doivent être entrées afin d avoir un calcul qui prenne en compte le matériau réel. On peut prendre en compte l élasticité du matériau (E), le coefficient de poisson (σ), la loi de comportement élasto-plastique, le coefficient d anisotropie (r) ou encore d autres paramètres. On choisit également les caractéristiques matériaux des outils (si il s agit d outils déformables ou pas). - Les caractéristiques d emboutissage Cette étape doit retranscrire au mieux les conditions réelles du cas que l on veut simuler. On choisit tout d abord le type de presse mécanique, une presse simple effet ou double effet. Il faut ensuite entrer toutes les caractéristiques de la presse. Il existe des bases de données très complètes de presses avec la possibilité d en ajouter. Enfin, il faut intégrer les paramètres des outils tels que la vitesse de descente du poinçon, la force de serrage du serre flan (si nécessaire), la prise en compte de la gravité (pour les pièces à plusieurs niveaux), LE MAILLAGE Si les outillages sont correctement simplifiés et que l on considère qu ils sont en matériaux indéformables, un maillage surfacique est suffisant (éléments quadrangulaires à quatre nœuds (quad4) avec en général quelques éléments triangulaires à trois nœuds (tria3) pour assurer la congruence). Si les outillages ne peuvent être simplifiés ou ne peuvent être considérés comme indéformables, il faudra les mailler en éléments volumiques. Le flan est le plus souvent maillé en surfacique avec une propriété coque. Les maillages peuvent être faits au préalable, à l aide d un logiciel de maillage ou à l aide du logiciel de simulation directement. Cependant, il faut toujours vérifier la qualité du maillage et notamment la congruence pour que les calculs soient corrects. Dans cette étape, il faut bien sûr trouver un bon équilibre entre le nombre d éléments et la précision du calcul afin de ne pas perdre de temps inutilement. Lors d une simulation, le flan, voire les outils, se déforment, donc les mailles associées également. Les éléments du maillage doivent toujours suivre la géométrie des différents objets mis en jeu lors du calcul pendant les phases de contact. C est pourquoi lors d une simulation du procédé de mise en forme d emboutissage (par éléments finis), il est important de pouvoir définir un critère de remaillage qui intervient en fonction de certains critères définis par l utilisateur (tous les n incréments, ou en fonction de la variation de la déformation de l élément par exemple, ). LE CALCUL Avant de lancer le calcul, l utilisateur doit choisir les résultats qu il souhaite obtenir. Il peut choisir d étudier la variation d épaisseur, la rupture, la striction, Ensuite, il peut lancer le calcul. Cette étape est «transparente», c'està-dire que le solveur tourne en tâche de fond sur la machine utilisée ou sur un serveur de calcul approprié. L utilisateur dispose de plusieurs fichiers de sortie dans lesquels sont stockés certaines informations concernant l évolution du calcul (convergence, progression du calcul, ). L expert calcul peut donc intervenir à tout instant au cours du calcul afin de le stopper et modifier certains paramètres s il constate que le calcul ne converge pas correctement. Un calcul se termine lorsque tous les déplacements des outils ou le chargement maximal sont atteints. L INTERPRETATION DES RESULTATS Les résultats peuvent être visualisés dès la fin du premier incrément de calcul. En fonction des fichiers de sortie que l utilisateur a sélectionnés lors de la mise en données, l ingénieur calcul va pouvoir afficher les résultats. Les premiers incréments servent surtout à vérifier que le calcul se déroule comme prévu (est ce que l outil mobile se déplace dans le bon sens, ). Il est fortement conseillé que cette étape soit réalisée à l aide de plusieurs personnes (ingénieurs calcul, spécialistes métier, méthode, ) afin de pouvoir interpréter au mieux les résultats fournis. Si un défaut se produit au cours de l opération d emboutissage, plusieurs pistes de modifications peuvent être envisagées : modification de la forme des outils, modification du procédé d emboutissage, modification du choix de la machine ou des paramètres d emboutissage. Différents résultats sont fournis à la fin du calcul, en fonction de ce qui a été demandé par l ingénieur calcul lors de la mise en données, comme :
- les ruptures et les plis, - la distribution des épaisseurs et des déformations, - l'avalement, la qualité de surface, - les lignes d'impacts, - l effet du retour élastique.
LES EXEMPLES Les deux exemples industriels suivants montrent l apport de l utilisation d une simulation du procédé de mise en forme en emboutissage dans le développement de produit. Le premier exemple montre toutes les étapes d une simulation en emboutissage pour une portière de voiture. Le second exemple simule l emboutissage d un carter et montre les problèmes posés. Les étapes d une simulation complète en emboutissage d une portière Ces étapes ont été réalisées à l aide du logiciel AUTOFORM (voir figure 2). Ce logiciel est dédié aux calculs précis de simulation d'emboutissage. Il permet de valider toutes les opérations d'un processus d'emboutissage d une portière. L objectif de cette étude est de montrer toutes les étapes que va subir la tôle initiale. On se rend compte sur cet exemple des modifications physiques de la pièce mais également des mouvements des structures internes. Grâce à ces analyses précises, il est facile de prévoir les éventuels problèmes et d y remédier avant la mise en route de la production.
Figure 2 : Etapes de la simulation de l emboutissage d une portière
Toutes les étapes réelles peuvent être simulées dans ce logiciel ce qui permet d apporter une sécurité supplémentaire lors de la mise en place d un procédé de mise en forme en emboutissage. La simulation d un carter avec les problèmes rencontrés Cette simulation a été réalisée à l aide du logiciel PAM-STAMP 2G. PAM-STAMP 2G offre une chaîne complète pour la simulation d emboutissage, de la conception rapide d outils à la validation finale et au contrôle de la qualité, en passant par la vérification de la faisabilité. Voici les éléments nécessaires à cette simulation (voir figure 3) : Figure 3 : Eléments nécessaires à la simulation de mise en forme en emboutissage Dans cet exemple, on peut effectuer les calculs sur la moitié car le système est symétrique. Une fois tous les paramètres entrés dans le logiciel, le calcul a été lancé. Le résultat affiché ci-dessous est celui de l épaisseur (voir figure 4) : Figure 4 : Résultats de l épaisseur d un carter On se rend compte que la pièce n est pas bien formée, ce qui montre une déformation plastique insuffisante. On peut également se rendre compte que la pièce est mal formée et ondulée sur les bords. D un point de vue métier, cela veut donc dire que la force de serrage appliquée au serre-flan est insuffisante. Après augmentation de la force de serrage du serre-flan, on obtient donc les résultats suivants (voir figure 5) : Figure 5 : Pièce bien formée après augmentation de la force de serrage du serre-flan
La pièce est cette fois bien formée avec des variations d épaisseur correctes. On peut également voir d autres résultats comme la courbe limite de formage (voir figure 6). Figure 6 : Courbe limite de formage On se rend compte que tous les points appartenant à la pièce sont bien entre les limites de la courbe de formage du matériau. LOGICIELS DE SIMULATION DU PROCEDE DE MISE EN FORME EN EMBOUTISSAGE Les principaux logiciels de simulation du procédé de mise en forme en emboutissage sont recensés dans la liste suivante : - AUTOFORM édité par la société AUTOFORM ENGINEERING - PAM-STAMP 2G édité par la société ESI GROUP - HYPERFORM édité par la société ALTAIR ENGINEERING - Ces logiciels proposent les caractéristiques principales suivantes : - la faisabilité du produit, - la conception rapide d outillage de presse, - la simulation des pièces et procédés d emboutissage, - une base de données matériaux riche intégrée aux logiciels avec la possibilité de l enrichir, - une interface intuitive, qui permet aux ingénieurs de naviguer au travers de l outil de simulation, -
CONCLUSION Aujourd hui la simulation de mise en forme en emboutissage permet de modéliser la majorité des cas auxquels l industrie de l emboutissage est soumise. Elle est utilisée pour la réalisation de devis, valider de nouvelles pièces et procédés d emboutissage, ou modifier des pièces existantes. Il faut toutefois être conscient que la simulation numérique ne peut pas simuler parfaitement tout ce qui se passe en atelier. La simulation numérique modélisera ce qui doit se passer théoriquement. Elle est aussi bien utile pour les gens du métier de l emboutissage que pour des gens externes au métier et leur permettre de découvrir le procédé, le métier, ou de faire des comparaisons entre différents procédés de fabrication. Ces outils sont en développement constant pour satisfaire au mieux les utilisateurs.