FR3121057A1 - Procédé de renforcement de pièces par fabrication additive et pièce renforcée ainsi obtenue - Google Patents

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Stephane Ferrand
Stephane Mesaric
Matthieu Barbier
Melissa Gouault
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Stellantis Auto Sas Fr
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Abstract

La présente invention concerne un procédé de fabrication d’une pièce mécanique comprenant un corps (1) pourvu d’un élément de renfort (2), caractérisé en ce qu’on apporte ledit élément de renfort (2) de manière sélective sur ledit corps (1) de la pièce, préalablement mise en forme, par dépôt in situ d’une quantité de matière formant localement une surépaisseur (22) ainsi qu’une pièce mécanique renforcée par ledit procédé. Figure de l’abrégé : Fig. 2

Description

Procédé de renforcement de pièces par fabrication additive et pièce renforcée ainsi obtenue
L’invention s’applique au domaine du renforcement de pièces mécaniques préalablement réalisées et mises en forme.
Plus précisément, l’invention concerne un procédé destiné à apporter localement, sur des pièces de véhicule automobile, par fabrication dite additive, une quantité de matière destinée à assurer une fonction complémentaire de renfort.
Il existe aujourd’hui différentes méthodes permettant de renforcer a posteriori une pièce préalablement réalisée et mise en forme (emboutissage, pliage …) et, il est connu, notamment, de souder un élément de renfort sur une zone particulière de la pièce.
Cette méthode nécessite la fabrication supplémentaire d’un élément de renfort indépendant et la réalisation ultérieure de points de soudure précis pour fixer cet élément sur la pièce principale. Cette solution est donc onéreuse et laborieuse car l’élément de renfort doit comporter des interfaces spécifiques pour l’assemblage sur la pièce principale.
En outre, Cette solution technique ne se révèle pas satisfaisante pour résoudre les problèmes de tenue mécanique en fatigue. En effet, les phénomènes faisant apparaitre des fissures sont des phénomènes très locaux.
Au surplus, avec cette méthode, il est très difficile d’optimiser la masse de matière apportée sur la pièce principale ce qui est incompatible avec la recherche globale d’un allègement des pièces mécaniques et, plus généralement, des véhicules.
La méthode dite de fabrication additive permet de fabriquer des pièces mécaniques en utilisant, par exemple, la technique dite du DED (poudre ou fil) qui consiste à utiliser un laser ou un arc électrique pour faire fondre une poudre de métal ou un fil métallique. Parmis ces différentes technologies on peut utiliser la technique WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing) qui correspond à la technologie de l’arc électrique permettant de faire fondre un fil métallique.
Une telle méthode qui est décrite, notamment, dans le US20190210656A1, est généralement appliquée à la fabrication intégrale et en une seule pièce, d’une pièce mécanique renforcée.
Cependant, cette dernière méthode conduit à réaliser une zone de renfort généralement trop étendue alors que les contraintes de fatigue de la pièce ne sont finalement que très locales. Par conséquent, cette méthode n’est pas adaptée à la réalisation des seuls éléments de renfort nécessaires destinés à être solidarisés localement et in situ sur des pièces mécaniques préalablement fabriquées de manière traditionnelle puis mises en forme, par exemple, par emboutissage.
C’est le cas, notamment, du support de suspension de véhicule automobile pour lequel il est difficile voire impossible d’obtenir les propriétés mécaniques recherchées lorsqu’il est réalisé entièrement et de façon monobloc au moyen d’une méthode de fabrication additive.
En effet, il se trouve que certaines pièces ne nécessitent qu’une adaptation et/ou une optimisation sélective de leurs propriétés mécaniques locales (rigidité, résistance, …) qui dépendent de leur environnement propre et de leur cahier des charges. Dans de telles circonstances, les autres parties ou le corps de cette pièce peuvent tout à fait être conformes à des standards.
Dans ce contexte, l’invention vise à surmonter les problèmes techniques soulevés précédemment en proposant d’intégrer un élément de renfort sous forme d’une surépaisseur déposée ou imprimée localement et de façon maîtrisée sur une pièce préalablement réalisée et mise en forme de manière traditionnelle.
Ce but est atteint, selon l’invention, au moyen d’un procédé de fabrication d’une pièce mécanique comprenant un corps pourvu d’un élément de renfort, caractérisé en ce qu’on apporte ledit élément de renfort de manière sélective sur ledit corps de la pièce, préalablement mise en forme, par dépôt in situ d’une quantité de matière formant localement une surépaisseur.
Selon un mode de mise en œuvre préférentiel du procédé de l’invention, le dépôt de la quantité de matière en surépaisseur formant l’élément de renfort est effectué par impression 3D.
Selon d’autres mises en œuvre du procédé de l’invention, le dépôt de la quantité de matière en surépaisseur formant l’élément de renfort est effectué par la technique DED laser au moyen d’un laser ou par la technique de WAAM au moyen d’un arc électrique.
De préférence, on adapte les dimensions de la surépaisseur en fonction des contraintes de fatigue du corps de la pièce.
Selon une variante de mise en œuvre du procédé, on diminue l’épaisseur du corps de la pièce en fonction des dimensions de la surépaisseur formant l’élément de renfort.
Un autre objet de l’invention est une utilisation du procédé tel que défini ci-dessus pour renforcer un support de suspension de véhicule automobile.
Encore un autre objet de l’invention est un support de suspension de véhicule automobile comprenant au moins un élément de renfort réalisé avec le procédé tel que défini ci-dessus.
Un dernier objet de l’invention est un véhicule automobile équipé de pièces mécaniques renforcées au moyen du procédé présentant les caractéristiques définies ci-dessus.
Le procédé de l’invention permet de réduire le nombre de pièces entrant dans l’équipement des systèmes mécaniques et, en particulier, dans les véhicules automobiles et/ou de réduire le nombre d’opérations d’assemblage tout en participant à l’effort d’allègement de ces véhicules.
Ce procédé offre, en outre, une plus grande flexibilité et une meilleure optimisation de la conception du fait qu’il est possible de la différer jusqu’à une phase tardive du développement. En effet, avec le procédé de l’invention, il devient inutile de réaliser des outils spécifiques d’emboutissage de l’élément de renfort. La mise au point devient ainsi plus rapide et l’après-vente moins coûteuse car il n’y a plus de stock de pièces de renfort à gérer.
Le procédé de l’invention bénéficie de l’apport des techniques perfectionnées de la fabrication dite additive qui permet d’ajouter la juste quantité de matière nécessaire en fonction de la nature et de la localisation des besoins.
Ainsi, l’invention n’ajoute au corps de la pièce à renforcer qu’un minimum de masse ce qui permet de profiter d’une grande liberté de forme pour répondre au besoin de renforcement en fonction des seules contraintes locales de tenue mécanique en fatigue.
En outre, le procédé de l’invention évite la mise en place d’un élément de renfort dont les dimensions se révèlent souvent trop importantes pour résoudre un problème de fatigue mécanique bien précis et très local.
Enfin, l’invention permet de gérer plus facilement la diversité de conception des pièces. Ainsi, le corps de la pièce ou la pièce de base peut être réalisée avec le même outil d’emboutissage quelle que soit la destination géographique de la pièce et donc du véhicule. Par la suite, il suffira de déposer sélectivement un élément de renfort approprié selon les pièces qui vont équiper des véhicules destinés à la vente sur différents territoires (Chine, US, …). Par exemple, le renforcement des systèmes de suspension est un objectif particulièrement contraignant au Mercosur où les supports nécessitent des éléments de renfort importants en raison de l’état fortement dégradé du réseau routier.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description qui va suivre, en référence aux dessins annexés et détaillés ci-après.
est une vue en perspective d’un support de suspension de véhicule automobile pourvu d’un élément de renfort selon l’art antérieur.
est une vue en perspective d’un support de suspension de véhicule automobile pourvu d’un élément de renfort selon l’invention.
Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de référence identiques dans la description et sur les figures.
Naturellement, les modes de mise en œuvre du procédé de l’invention illustrés par les figures présentées ci-dessus et décrites ci-après, ne sont donnés qu'à titre d’exemples non limitatifs. Il est explicitement prévu que l'on puisse proposer et combiner entre eux différents modes pour en proposer d'autres.
L’invention concerne le domaine du renforcement de pièces mécaniques. Plus précisément, l’invention s’intéresse à un procédé de fabrication de pièces embouties nécessitant la pose d’un élément de renfort local.
Les et 2 représentent des exemples de pièces mécaniques constituées ici d’un support S de suspension de véhicule automobile. De telles pièces comprennent un corps 1 de base présentant des contraintes locales de fatigue qui nécessitent l’apport d’un élément de renfort.
La représente un support S de suspension de conception traditionnelle dont le corps 1 forme une interface sur laquelle la tête d’amortisseur vient se fixer sur la caisse du véhicule. Le corps 1 est une pièce réalisée généralement en acier (dont l’épaisseur est de quelques mm) qui est pourvue d’un élément de renfort 2 en acier (dont l’épaisseur est également de quelques mm).
Cet élément de renfort 2 est réalisé ici sous forme d’une pièce indépendante soudée sur le corps 1. Le corps 1 et l’élément de renfort 2 sont mis en forme par emboutissage ou pliage, préalablement à leur assemblage mutuel.
La représente un support S de suspension dont le corps est toujours de conception traditionnelle. Toutefois, on apporte ici l’élément de renfort 2 au moyen du procédé de l’invention qui consiste à déposer in situ, sur le corps 1 préalablement mis en forme, une quantité de matière formant localement une surépaisseur 22.
Le dépôt de cette quantité de matière qui assure la fonction de renfort est effectué directement sur le corps 1 à l’emplacement de la zone à renforcer au moyen d’une technique dite de « fabrication additive ». Cette technique fait appel, de manière générale, soit à une impression 3D, soit à divers autres techniques telles que la DED (poudre ou fil) utilisant un laser pour faire fondre une poudre de métal ou un fil métallique, ou la technique WAAM au moyen d’un arc électrique permettant de faire fondre un fil métallique.
Selon l’invention et de manière plus générale, on adaptera, de préférence, les dimensions de la surépaisseur 22 en fonction des contraintes de fatigue du corps 1 de la pièce.
Parallèlement, on diminuera l’épaisseur du corps 1 en fonction des dimensions de la surépaisseur 22 formant l’élément de renfort 2.
Comme cela est visible sur la , la surépaisseur principale 22 apportée de façon centrale sur la face supérieure du corps 1 se prolonge ici sur les autres faces du corps 1 et, notamment, par une extension latérale 22a rapportée conjointement à la surépaisseur centrale 22.
Ainsi, le procédé de l’invention permet ainsi d’ajouter de la matière seulement où il s’avère nécessaire de renforcer le corps 1 pour diminuer les contraintes et les risques de rupture associés tout en allégeant le support de plusieurs centaines de grammes.
Typiquement, pour un support de suspension de véhicule automobile, il est possible d’obtenir un gain de masse de 300g à 420g par support et de réaliser une réduction de l’épaisseur de la tôle d’acier du corps 1 de 0,5mm tout en passant de 383 MPa à 250 MPa et de diminuer ainsi les contraintes d’environ 35%.

Claims (9)

  1. Procédé de fabrication d’une pièce mécanique comprenant un corps (1) pourvu d’un élément de renfort (2), caractérisé en ce qu’on apporte ledit élément de renfort (2) de manière sélective sur ledit corps (1) de la pièce, préalablement mise en forme, par dépôt in situ d’une quantité de matière formant localement une surépaisseur (22).
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dépôt de la quantité de matière en surépaisseur (22) formant l’élément de renfort (2) est effectué par impression 3D.
  3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dépôt de la quantité de matière en surépaisseur (22) formant l’élément de renfort (2) est effectué par la technique DED au moyen d’un laser.
  4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dépôt de la quantité de matière en surépaisseur (22) formant l’élément de renfort (2) est effectué par la technique de WAAM au moyen d’un arc électrique.
  5. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’on adapte les dimensions de la surépaisseur (22) en fonction des contraintes de fatigue du corps (1) de la pièce.
  6. Procédé selon l’une des revendication précédentes, caractérisé en ce qu’on diminue l’épaisseur du corps (1) de la pièce en fonction des dimensions de la surépaisseur (22) formant l’élément de renfort (2).
  7. Utilisation du procédé selon l’une des revendications précédentes pour renforcer un support (S) de suspension de véhicule automobile.
  8. Support de suspension de véhicule automobile comprenant au moins un élément de renfort (2) réalisé avec le procédé selon l’une des revendications 1 à 4.
  9. Véhicule automobile équipé de pièces mécaniques renforcées au moyen du procédé selon l’une des revendications 1 à 4.
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