FR3141085A1 - ProcÉDÉ D’Application d’une impression 3D MÉtallique avec contre-DÉformations - Google Patents

ProcÉDÉ D’Application d’une impression 3D MÉtallique avec contre-DÉformations Download PDF

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Stephane Loyer
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Abstract

L'invention concerne un procédé d’application d’une impression 3D métallique sur des pièces mécaniques en vue de leur apporter des éléments de renfort, ce procédé comprenant le positionnement préalable de ces pièces relativement aux moyens d’impression, caractérisé en ce qu’on positionne lesdites pièces en tenant compte, d’une part, des points d’iso-statisme et, d’autre part, de points de pression secondaire préalablement connus par une phase préalable de simulation numérique et destinés à contrer les potentielles déformations résultant de l’impression en exerçant conjointement des contre-déformations en vue d’imprimer les pièces dans une position nominale. Figure de l’abrégé (Fig. 2)

Description

ProcÉDÉ D’Application d’une impression 3D MÉtallique avec contre-DÉformations
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 une méthode de fabrication dite additive, une quantité de matière destinée à assurer une fonction complémentaire de renfort tout en neutralisant les déformations éventuelles.
De manière générale, les pièces utilisées dans le secteur automobile sont structurées et dimensionnées pour répondre à des contraintes mécaniques prédéterminées et bien définies. Un besoin de fonctions ou de caractéristiques supplémentaires, et notamment de rigidification, nécessite généralement une nouvelle conception, au moins partielle, de ces pièces qui peut affecter le coût global de fabrication des véhicules.
Il existe aujourd’hui différentes méthodes permettant d’implanter et/ou d’assembler, a posteriori, des interfaces fonctionnelles sur des pièces mécaniques ou sur des éléments de structure qui ont été préalablement réalisés et mis en forme (par emboutissage, pliage …).
Cependant, les méthodes traditionnelles qui consistent à ajouter des éléments métalliques sur une structure ou sur une pièce existante nécessitent, à la fois, de disposer d’un espace important pour loger cette pièce, de fabriquer des éléments supplémentaires ce qui génère des coûts significatifs et d’assembler ensuite ces éléments sur la structure ou la pièce.
Une méthode connue utilise la technique consistant à associer localement à ces pièces des éléments de renfort métalliques sous forme de nervures de rigidification réalisées au moyen d’un procédé comprenant l’application d’une impression 3D de métal dans des parties de ces pièces éloignées de leurs zones d’assemblage. Une telle méthode d’impression est mise en œuvre en faisant fondre, par exemple, une poudre de métal ou un fil métallique au moyen de la technique dite du DED (pour «Direct Energy Deposition» qui utilise un laser, ou de la technique dite WAAM (pour «Wire Arc Additive Manufacturing») qui utilise, quant à elle, un arc électrique.
Toutefois, l’application d’une impression 3D métallique sur une pièce génère, du fait de l’élévation de température, des déformations et des tensions souvent non maîtrisées qui sont susceptibles de dégrader de façon significative la conformité des pièces imprimées.
Conjointement, la rigidification apportée par l’impression 3D métallique sur les pièces support doit répondre à une géométrie conforme aux attentes, en particulier, en vue du ferrage de ces pièces et de leur intégration ultérieure sur les véhicules.
En effet, les pièces embouties sont relativement souples et bien que les éventuelles différences de géométrie résultant de l’impression puissent être compensées par une opération de ferrage ultérieure permettant de conformer ces pièces à leur environnement, si ces pièces ne respectent pas la géométrie attendue, elles ne pourront pas s’adapter à cette opération. En outre, les pièces sur lesquelles l’impression 3D doit être réalisée ont également leurs propres dispersions et leurs tolérances de fabrication.
Le brevet FR3059648B1 décrit une méthode de fabrication d’un élément d’ossature d’aéronef utilisant une méthode de fabrication additive consistant à réaliser des nervures de renfort sur une plaque de base. Cependant, cette méthode ne prévoit pas de conformer cet élément avant la réalisation des nervures et ne s’intéresse pas au problème des déformations résultant de l’impression 3D.
Dans ce contexte, et du fait que les déformations géométriques liées à l’impression 3D métallique peuvent être simulées numériquement et être connues avant la mise en œuvre du procédé, l’invention a cherché une solution qui, dans son aspect le plus général, permette de résoudre de façon simple et efficace les problèmes techniques posés par les méthodes précédemment utilisées.
Ainsi, l’invention propose une solution pour renforcer une pièce mécanique au moyen d’un procédé d’application d’une impression 3D permettant conjointement de contrer les potentielles déformations générées lors de la mise en œuvre de l’impression.
Ce but est atteint, selon l’invention, au moyen d’un procédé d’application d’une impression 3D métallique sur des pièces mécaniques en vue de leur apporter des éléments de renfort, ce procédé comprenant le positionnement préalable de ces pièces relativement aux moyens d’impression, caractérisé en ce qu’on positionne lesdites pièces en tenant compte, d’une part, des points d’iso-statisme et, d’autre part, de points de pression secondaire préalablement connus par une phase préalable de simulation numérique et destinés à contrer les potentielles déformations résultant de l’impression ultérieure en exerçant conjointement des contre-déformations en vue d’imprimer les pièces dans une position nominale.
Selon un mode de mise en œuvre préférentiel du procédé de l’invention, les points de pression secondaire coïncident avec la position des moyens d’impression.
De préférence les pièces destinées à être renforcées par le procédé de l’invention sont préalablement formées par emboutissage.
Ainsi, l’invention prévoit que les points de pression secondaire sont déterminés aussi en fonction de la conformité des pièces issues de l’emboutissage préalable.
Un autre objet de l’invention est une pièce mécanique renforcée au moyen d’un procédé tel que défini ci-dessus.
Encore un autre objet de l’invention est un véhicule automobile pourvu d’au moins une pièce mécanique renforcée au moyen du procédé présentant les caractéristiques définies ci-dessus.
Ainsi, dans son principe, l’invention propose un perfectionnement des méthodes traditionnelles d’implantation d’éléments de renfort qui surmonte les difficultés techniques rencontrées avec les méthodes antérieures en permettant d’obtenir, toujours par le biais d’un procédé d’application d’une impression 3D, des pièces renforcées présentant une géométrie conforme aux attentes, en particulier, en vue de leur ferrage et de leur intégration ultérieures sur les véhicules.
En outre, le procédé de l’invention peut être mis en œuvre avec les outils traditionnels sur la ligne de fabrication existante et est compatible avec toutes les pièces généralement présentes sur les véhicules automobiles.
Sur le plan logistique, l’invention s’affranchit de l’achat de pièces à des fournisseurs extérieurs en réalisant des pièces embouties qui sont renforcées directement sur le site de montage en fonction des besoins.
Grâce au procédé d’impression 3D, la matière n’est utilisée qu’en une juste quantité nécessaire, contrairement aux solutions standardisées qui ne sont pas nécessairement adaptées au besoin.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description qui va suivre, en référence aux figures annexées, pour lesquelles :
est un graphique représentant les écarts dimensionnels entre la pièce de série (courbe du bas 1) réalisée sans impression 3D (ou avant impression 3D) et la pièce renforcée (courbe du haut 2) par une méthode traditionnelle d’impression 3D.
est un graphique représentant les écarts dimensionnels entre la pièce de série (courbe du bas 1) réalisée sans impression 3D (ou avant impression 3D) et la pièce renforcée (courbe du haut 2a) au moyen d’un procédé d’impression 3D perfectionné selon l’invention avec la réalisation de contre-déformations.
Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont indiqués par des signes de référence identiques dans la description qui va suivre et sur les figures.
Naturellement, les modes de mise en œuvre de l’invention dont les résultats sont illustrés schématiquement par la présentée ci-dessus et décrite ci-après, ne sont donnés qu'à titre d’exemples non limitatifs. Il est explicitement prévu dans le cadre de l’invention que l'on puisse proposer et combiner entre eux différents modes pour en proposer d'autres.
L’invention concerne le domaine de l’implantation d’une ou plusieurs interfaces fonctionnelles sur une pièce mécanique de support et s’intéresse plus particulièrement au renfort ce ces pièces qui sont destinées à être montées sur des véhicules automobiles.
Le procédé de l’invention consiste en un perfectionnement des méthodes de renfort existantes (illustrées par la ) dont le résultat sur les pièces traitées est illustré par la .
Le procédé de l’invention comprend une opération d’impression 3D métallique sur des pièces mécaniques, préalablement formées par emboutissage, en vue de leur apporter des éléments de renfort. Un tel procédé comprend généralement le positionnement préalable de ces pièces relativement aux moyens d’impression (laser type DED «Direct Energy Deposition» ou arc électrique type WAAM «Wire Arc Additive Manufacturing»).
Le procédé de l’invention prévoit de positionner les pièces à renforcer en tenant compte, d’une part, des points d’iso-statisme et, d’autre part, de points de pression secondaire préalablement connus par une phase préalable de simulation numérique.
Les points d’iso-statisme sont les points servant à positionner la pièce dans l’espace lors de l’application du procédé d’impression et servent de points de référence pour la conception et les contrôles de la qualité et de la conformité de cette pièce. Ces points sont contrôlés par un palpage ou par scanner afin de connaitre leur position par rapport au nominal et de valider ainsi la déformation dans la zone contrôlée.
Après le positionnement de ces pièces, les points de pression secondaire permettent de contraindre la pièce et de générer des déformations volontaires pendant l’application du procédé d’impression 3D.
Ces points de pression secondaire sont ainsi destinés à contrer les potentielles déformations susceptibles d’apparaître lors de l’impression 3D et à exercer conjointement des contre-déformations en vue d’imprimer les pièces dans une position nominale.
Selon une caractéristique spécifique de mise en œuvre du procédé de l’invention ces points de pression secondaire coïncident avec la position des moyens d’impression. L’invention prévoit, subsidiairement, que les points de pression secondaire sont déterminés aussi en fonction de la conformité des pièces issues de leur emboutissage préalable.
Les figures 1 et 2 sont des graphiques montrant les déformations mesurées sur les pièces avec une impression 3D, respectivement, selon un procédé traditionnel et selon le procédé de l’invention avec contre-déformations. Les profils de ces pièces sont comparés aux pièces de série qui n’ont pas été imprimés.
En abscisses se trouvent les points du profil à contrôler et en ordonnées, les mesures dimensionnelles par rapport au nominal, les barres montrant l’écart mesuré entre deux profils avec et sans impression 3D.
La représente schématiquement les écarts dimensionnels E entre une pièce emboutie et de série réalisée sans impression 3D ou avant cette impression 3D (courbe inférieure 1) et une pièce emboutie et renforcée avec une méthode traditionnelle d’impression 3D (courbe supérieure 2).
La , quant à elle, représente schématiquement les écarts dimensionnels E entre une pièce emboutie et de série réalisée sans impression 3D ou avant cette impression 3D (courbe inférieure 1) et une pièce emboutie et renforcée au moyen du procédé d’impression 3D selon l’invention (courbe supérieure 2a). Une comparaison entre les courbes inférieures 2 et 2a des graphiques des figures 1 et 2 montre que le profil obtenu avec des points de contraintes lors de l’impression 3D mise en œuvre selon le procédé de l’invention est celui qui est le plus proche de la pièce de série.
Par conséquent, les écarts dimensionnels résultant de l’impression 3D selon le procédé de l’invention sont réduits de façon significative. Ce résultat est obtenu grâce à un positionnement spécifique de la pièce par rapport aux moyens d’impression et à l’apport de contre-déformations lors de l’impression.

Claims (6)

  1. Procédé d’application d’une impression 3D métallique sur des pièces mécaniques en vue de leur apporter des éléments de renfort, ce procédé comprenant le positionnement préalable de ces pièces relativement aux moyens d’impression, caractérisé en ce qu’on positionne lesdites pièces en tenant compte, d’une part, des points d’iso-statisme et, d’autre part, de points de pression secondaire préalablement connus par une phase préalable de simulation numérique et destinés à contrer les potentielles déformations résultant de l’impression en exerçant conjointement des contre-déformations en vue d’imprimer les pièces dans une position nominale.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les points de pression secondaire coïncident avec la position des moyens d’impression.
  3. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les pièces destinées à être renforcées sont préalablement formées par emboutissage.
  4. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les points de pression secondaire sont déterminés aussi en fonction de la conformité des pièces issues de l’emboutissage préalable.
  5. Pièce mécanique renforcée au moyen d’un procédé selon l’une des revendications précédentes.
  6. Véhicule automobile pourvu d’au moins une pièce mécanique renforcée selon la revendication précédente.
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