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Définition d’un concept pour la
découpe rayonnée des pare-chocs
Projet de Fin d’Etude
Plastic Omnium Auto Exterior
INSA de Lyon – GMC – MIP2
Laurent Martinod
Olivier Tavenas
26 juin 2007
2/47
Sommaire
Définition de projet
Méthodologie
Matériau
Analyse physique du poinçonnage
Optimisation du poinçonnage
Rayonnage par poinçonnage
Découpe / Rayon multiaxes
Conclusion / Ouverture
Définition
Méthodologie
Matériau
Physique
Poinçonnage
Rayonnage
Multiaxes
Conclusion
26 juin 2007
3/47
Définition du projet
Découpe
• 4 PDC : alésage débouchant de Ø=18mm
• 2 SRA : poche débouchante trapézoïdale de
40 mm * 80 mm
Rayon constant de 1.2 mm
Contraintes
• Géométrique : tolérance 0.1mm
• Industrielle : maintenance, temps de cycle…
• Qualité : bavures, traces blanches, fils…
R=1,2mm
Définition
Méthodologie
Matériau
Physique
Poinçonnage
Rayonnage
Multiaxes
Conclusion
26 juin 2007
4/47
Etat de l’art
Découpe par poinçonnage
• Standard
Toutes formes réalisables
Bavures, fils
• Sur tas
Effort de coupe très élevé
Bonne portance nécessaire
Limite de taille
Bavures plus petites
Usure du tas
• Ultrasonore
Non viable pour les trous SRA
Pas de bavure
Procédé complexe
Matrice
Poinçon
Pare choc
Tas
Poinçon
Pare choc
Tas amovible
Poinçon excité
par ultrasons
Pare choc
Définition
Méthodologie
Matériau
Physique
Poinçonnage
Rayonnage
Multiaxes
Conclusion
26 juin 2007
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Etat de l’art
Rayonnage par poinçonnage
• Déformation plastique
Problématique
• Bavure
• Fil
• Qualité de la tranche
• Rayon d’aspect irrégulier
Définition
Méthodologie
Matériau
Physique
Poinçonnage
Rayonnage
Multiaxes
Conclusion
26 juin 2007
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Planification
28/03 : Réunion lancement PFE• Etat de l’art, recherche MATChEM
11/04 : Réunion lancement TRIZ• Analyse physique, réunion M. Papapietro
26/04 : 2ième réunion TRIZ• Biblio, brainstorming
15/05 : Trie des solutions TRIZ• Préparation travaux S2E, étude EF, contact
fournisseurs
22/05 : Réunion avec S2E• Multiaxes, contacts fournisseurs (Axiome, SONIMAT,
outilleurs, poinçonneur…)
12/06 : Réunion ESCIL (fil diamant)
18/06 : Réunion Mécasonic
20/06 : Réunion Process Industrie
22/06 : Réunion avec 3M
Définition
Méthodologie
Matériau
Physique
Poinçonnage
Rayonnage
Multiaxes
Conclusion
26 juin 2007
7/47
Méthode TRIZ
Définition
Méthodologie
Matériau
Physique
Poinçonnage
Rayonnage
Multiaxes
Conclusion
26 juin 2007
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Méthode TRIZ
Contradictions
• La chute doit être maintenue pendant la
coupe, mais pas à la fin de la coupe
• Le poinçon doit être le plus fin et le plus
résistant possible
Analyse physique poussée Zoom
40 principes
Définition
Méthodologie
Matériau
Physique
Poinçonnage
Rayonnage
Multiaxes
Conclusion
26 juin 2007
9/47
Démarche
Concentration sur les trous SRA
(Cayenne)
MATCheM Poinçonnage
• Pourquoi ?
Temps de cycle, mise en œuvre, coût
Démarche résolution de problème TRIZ
Mécanisme de coupe ?
– Matériau
– Mécanisme physique du poinçonnage
– Origine bavure / fil ?
Rayon Perpendicularité tranche/peau
Découpe multiaxes
Définition
Méthodologie
Matériau
Physique
Poinçonnage
Rayonnage
Multiaxes
Conclusion
26 juin 2007
10/47
Généralités sur le matériau
Polypropylène chargé à l’EPDM
• Fréquemment utilisé dans l’automobile
• Excellentes capacités à absorber l’énergie
Très bonne résistance aux chocs
Définition
Méthodologie
Matériau
Physique
Poinçonnage
Rayonnage
Multiaxes
Conclusion
26 juin 2007
11/47
Microstructure PP EPDM
Matrice :
polypropylène
• Semi cristallin
Additif : EPDM (≈20%)
• Élastomère :
déformation jusqu'à
600%
• Sphère de quelques µm
Définition
Méthodologie
Matériau
Physique
Poinçonnage
Rayonnage
Multiaxes
Conclusion
26 juin 2007
12/47
Comportement mécanique
Déformation
• Phase amorphe
• Phase cristalline
Définition
Méthodologie
Matériau
Physique
Poinçonnage
Rayonnage
Multiaxes
Conclusion
26 juin 2007
13/47
Comportement mécanique
Plasticité - Rupture
• 2 phénomènes mis en jeu :
Bandes de cisaillement Craquelures
• Influence des nodules d’EPDM
Augmentation des processus de plasticité
Définition
Méthodologie
Matériau
Physique
Poinçonnage
Rayonnage
Multiaxes
Conclusion
26 juin 2007
14/47
Comportement mécanique
Influence de la température• Température de transition vitreuse Tg :
Variation brutale (de 100 à 1000) du module d’élasticité dans une variation de 5 à 10°C
Equivalence temps/températureAugmentation de la vitesse (1 à 2 décades)
Diminution de la température (-10°C)
Définition
Méthodologie
Matériau
Physique
Poinçonnage
Rayonnage
Multiaxes
Conclusion
26 juin 2007
15/47
Paramètres critiques
• Moyen / conditions extérieures :
Vitesse d’avance
Effort de poinçonnage
Géométrie du poinçon – Angle de coupe
– Forme du poinçon
Jeu poinçon – matrice
Jeu poinçon – dévêtisseur
Effort dévêtisseur
Température – De l’outillage
– De l’extérieur
• Pare choc / Matériau :
Composition (cf. fiche matériau)
Caractéristiques mécaniques : limite élastique, ténacité
Température
Epaisseur (3.2mm)
Conductivité thermique
Définition
Méthodologie
Matériau
Physique
Poinçonnage
Rayonnage
Multiaxes
Conclusion
26 juin 2007
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Mécanismes de la découpe actuelle
4 étapes :
• Déformation élastique
• Déformation plastique
• Apparition de macros fissures
• Rupture ductile
Origine de la bavure
Déformation plastique et fluage de la matière trop
importants avant la rupture
FissuresFluage
Etirement des
fibres
Rupture
des
fibres
Définition
Méthodologie
Matériau
Physique
Poinçonnage
Rayonnage
Multiaxes
Conclusion
26 juin 2007
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Cause à effet
Bavure / Etat de la tranche Propagation de la fissure
Atteinte d’un état de
contrainte critique
Jeu poinçon /
matrice
Forme de l’outils
Vitesse de
déformation
Température
Conditions aux
limites
Il faut obtenir le jeu le plus faible possible
La forme de l’outil influe sur la champ de contrainte :
- Outil plat Bande de cisaillement
- Outil en « pointe » Concentration de contrainte en bout de lame
Les conditions aux limites influent sur l’état de contrainte initiale dans la
matière :
- Contrainte hydrostatique S’oppose à l’état de contrainte critique
initiant la fracture
Un fracture fragile est plus propre qu’une fracture ductile. Elle est aussi plus dure à maitriser.
Ces deux paramètres influent sur le comportement du PP : suivant leur valeur on passe d’un
comportement ductile à un comportement fragile
L’équivalence temps / température permet d’obtenir un comportement fragile sans avoir à prendre
des valeurs extrêmes de la température ou de la vitesse :
Une vitesse élevée est équivalente à une basse température
Initiation de la fissure
Définition
Méthodologie
Matériau
Physique
Poinçonnage
Rayonnage
Multiaxes
Conclusion
26 juin 2007
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Optimisation : jeu poinçon - matrice
Concept : Réduire le jeu afin de limiter le
fluage de la matière entre le poinçon et la
matrice
• Favorise le cisaillement
• Jeu actuel = 0.02mm
• Contact avec ChromeBN et S2E :
limite technique (précision des guidages,
dilatation thermique)
Définition
Méthodologie
Matériau
Physique
Poinçonnage
Rayonnage
Multiaxes
Conclusion
26 juin 2007
19/47
Optimisation : prédécoupe
Concept : Réaliser une prédécoupe afin
de modifier l’état de contrainte du
matériau
• Vue en coupe d’une chute :
Déformations importantes
effet néfaste : consommation d’énergie dans la
déformation
• Schéma :gorge
Définition
Méthodologie
Matériau
Physique
Poinçonnage
Rayonnage
Multiaxes
Conclusion
26 juin 2007
20/47
Optimisation : forme de l’outil
Concept :
Amincir le poinçon pour réduire l’effort sur
le chute du aux frottements :
Comparaison des champs de contrainte
par éléments finisCisaillementTraction dans la direction 1
Définition
Méthodologie
Matériau
Physique
Poinçonnage
Rayonnage
Multiaxes
Conclusion
26 juin 2007
21/47
Optimisation : forme de l’outil
Maximiser la transmission d’énergie
sur l'arête du poinçon
Localiser une concentration de
contrainte pour favoriser la fissure
Découpe par emporte pièce
Avantage supplémentaire : réduction de l’effort de coupe
Définition
Méthodologie
Matériau
Physique
Poinçonnage
Rayonnage
Multiaxes
Conclusion
26 juin 2007
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Optimisation : forme de la matrice
Concept : Optimiser l’amorce de rupture
du coté de la matrice
• Création d’une arête vive sur la matrice
Réduit le fluage de la matière
Mise en position délicate
Ajout d’un poinçon :
-Le premier poinçon réalise un
poinçonnage partiel : création d’une
concentration de contraintes coté
matrice, le dévêtisseur joue le rôle de
tas
-Le second poinçon réalise le
poinçonnage
Définition
Méthodologie
Matériau
Physique
Poinçonnage
Rayonnage
Multiaxes
Conclusion
26 juin 2007
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Optimisation : retrait du poinçon
Concept : Diminuer les frottements sur la
tranche en favorisant le retrait du poinçon :
Poinçon rétractable
Arbre
conique
Limitation : Aspect laissé aux jointures
Définition
Méthodologie
Matériau
Physique
Poinçonnage
Rayonnage
Multiaxes
Conclusion
26 juin 2007
24/47
Optimisation : ultrason
Modifier la forme du poinçon pour le rendre
compatible avec un procédé à ultrasons
• Limitations de la technologie de découpe par
ultrasons (taille?, forme?)
Différence de hauteur
Amplitude vibratoire constante = D< 10mm
Taille : ne pose pas de problème pour les SRA (à
confirmer)
Sens de
vibration
Définition
Méthodologie
Matériau
Physique
Poinçonnage
Rayonnage
Multiaxes
Conclusion
26 juin 2007
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Optimisation : vitesse/température
Concept : favoriser le comportement
mécanique du matériau en modifiant la
vitesse et la température
Photo de la tranche
Polypropylène pur
Domaine (D)
Vitesse : 1.9x103 mm/min
Température : 23°C
Domaine (B)
Vitesse : 28x103 mm/min
Température : -20°C
Limitations : mise en œuvre industrielle
- temps de refroidissement (conductivité thermique faible)
- maitrise de la température du matériau et de l’outillage
- réalisation du système de poinçonnage à grande vitesse
Définition
Méthodologie
Matériau
Physique
Poinçonnage
Rayonnage
Multiaxes
Conclusion
26 juin 2007
26/47
Optimisation : « fine blanking »
Concept initial : maintenir la chute pendant
l’opération de poinçonnage
Concept validé : modifier l’état de contrainte du
matériau pour favoriser le cisaillement
Poinçonnage standard
Fine blanking
Limitation : Peu d’application dans le domaine des polymères
Le matériau est mis sous
contrainte hydrostatique
Définition
Méthodologie
Matériau
Physique
Poinçonnage
Rayonnage
Multiaxes
Conclusion
26 juin 2007
27/47
Synthèse : Poinçonnage
Deux approches opposées
Expérimentations à réaliser
Adapter le couple Vitesse / Température
• Limitations : difficultés à maitriser rapidement la
température de la zone à poinçonner
Résultats garantis
Définition
Méthodologie
Matériau
Physique
Poinçonnage
Rayonnage
Multiaxes
Conclusion
Emporte pièce « Fine blanking »
Poinçon très fin pour
favoriser une fracture
Dispositif, poinçon,
contre poinçon matrice
dévêtisseur favorisant un
cisaillement pur
26 juin 2007
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Problème avec le rayon
Impossibilité de reproduire une surface
gauche
• Mise en place d’une surface réglée
• Section : quart de cercle avec r = 1.2 mm
Création de bourrelet
Définition
Méthodologie
Matériau
Physique
Poinçonnage
Rayonnage
Multiaxes
Conclusion
26 juin 2007
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Problème avec le rayon
La différence entre le rayon de l’outil et le
rayon créé vient du retour élastique
Prévisible par éléments finis
Définition
Méthodologie
Matériau
Physique
Poinçonnage
Rayonnage
Multiaxes
Conclusion
26 juin 2007
30/47
Problème de l’angle
La non constance du rayon s’explique par
l’angle tranche/peau
Définition
Méthodologie
Matériau
Physique
Poinçonnage
Rayonnage
Multiaxes
Conclusion
26 juin 2007
31/47
Génération de concepts
Angle tranche / peau ≠ 90 Définition
Méthodologie
Matériau
Physique
Poinçonnage
Rayonnage
Multiaxes
Conclusion
26 juin 2007
32/47
Génération de concepts
Angle tranche / peau = 90°Définition
Méthodologie
Matériau
Physique
Poinçonnage
Rayonnage
Multiaxes
Conclusion
26 juin 2007
33/47
Génération de concepts
Intégration du rayon à l’opération de
poinçonnage
Insert soudé
• Soudure visible après peinture
• Rayon et tranche moulés
Définition
Méthodologie
Matériau
Physique
Poinçonnage
Rayonnage
Multiaxes
Conclusion
26 juin 2007
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Synthèse : Rayon
Solution : tranche et peau perpendiculaire
en tous points de la périphérie
2 cas
• Surface quasi plane
Poinçonnage fait naturellement la perpendicularité
Rayonnage par déformation plastique viable
• Surface gauche
Nécessité d’une découpe multiaxes
Rayonnage par enlèvement de matière
Rayonnage par déformation plastique viable dans
certains cas
Définition
Méthodologie
Matériau
Physique
Poinçonnage
Rayonnage
Multiaxes
Conclusion
26 juin 2007
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Simulation Numérique
Utile dans deux cas
• Poinçonnage
• Rayonnage
Avantage
• Travail sur les paramètres du procédé sans
investissement en matériel
• Visualisation du résultat « a priori »
Difficulté
• Modèle « éléments finis » maitrisé
• Loi de comportement du PP EPDM à intégrer
Définition
Méthodologie
Matériau
Physique
Poinçonnage
Rayonnage
Multiaxes
Conclusion
26 juin 2007
36/47
Découpe multiaxes
Machine 6 axes, exemple bras robotisé
Procédé
• Découpe perpendiculaire
• Rayon par enlèvement de matière
Etude
• Arrive à faire la découpe / le rayon ?
• Avantages ?
• Inconvénients ?
• Industrialisation ?
Définition
Méthodologie
Matériau
Physique
Poinçonnage
Rayonnage
Multiaxes
Conclusion
26 juin 2007
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Fil chaud
Découpe possible
Rayon possible (fil préformé)
Inconvénients
• Très lent
• Nécessite un passage de fil
Industrialisé sur les matériaux « basse
densité » (50kg/m3)
En cours d’essai sur les matériaux « haute
densité » (1000 kg/m3)
• Très mauvaise qualité de tranche
Définition
Méthodologie
Matériau
Physique
Poinçonnage
Rayonnage
Multiaxes
Conclusion
26 juin 2007
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Fil diamanté
Découpe possible
Rayon impossible
Inconvénients
• Très lent
• Fil cassant (Ø = 10µm)
• Fait pour des matériaux très dur
• Passage de fil fastidieux et non
automatisable
Utilisation non industrielle
Phase
1Phase
2
Définition
Méthodologie
Matériau
Physique
Poinçonnage
Rayonnage
Multiaxes
Conclusion
26 juin 2007
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Découpe laser
Laser embarqué ou support mobile
Avantages
• Rapide, précis, résultat de qualité, pas de
consommable
Inconvénients
• Couteux, sécurité des opérateurs
Procédé couramment industrialisé
Rayon Chanfrein multi-pans
Définition
Méthodologie
Matériau
Physique
Poinçonnage
Rayonnage
Multiaxes
Conclusion
26 juin 2007
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Fraisage grande vitesse
Découpe possible (35000-45000 trs/min)
Rayon possible Outil de forme
Avantages • Flexible
Inconvénients• Copeaux, encrassement
Industrialisation• Découpe maitrisée
• Rayon Mise au point de l’outil de forme
• Risque de problème sur les faibles profondeurs de passe (déformation à la tangence)
• Préconisé et maitrisé par Axiome
Définition
Méthodologie
Matériau
Physique
Poinçonnage
Rayonnage
Multiaxes
Conclusion
26 juin 2007
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Brossage
2 outils abrasifs souples Rayon
Avantages
• Constance de l’abrasion, rapide
Inconvénients
• Consommable, poussière
Déjà industrialisé sur d’autres plastiques
• Risque de stries
• Pression constante Interface 3M
Broche
Avance
Définition
Méthodologie
Matériau
Physique
Poinçonnage
Rayonnage
Multiaxes
Conclusion
26 juin 2007
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Découpe par lame
Lame courbe Rayon
Avantages
• Simplicité, qualité
Inconvénients
• Effort nécessaire, usure, virages
Mise au point
• Lame courbe
• Maitrise de la trajectoire
Définition
Méthodologie
Matériau
Physique
Poinçonnage
Rayonnage
Multiaxes
Conclusion
26 juin 2007
43/47
Découpe par lame US
Découpe par lame ultrasonore
Avantages
• Découpe très propre
• Rapide (5m/min)
• Par d’enlèvement de matière
• Maitrisé par SONIMAT
Inconvénients
• Bourrelet
• Passage des virages
Définition
Méthodologie
Matériau
Physique
Poinçonnage
Rayonnage
Multiaxes
Conclusion
26 juin 2007
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Découpe par lame US
Mise au point
• Maitrise du bourrelet
Profondeur de passe faible
Vitesse d’avance régulière
Trajectoire propre
Lame bizauté que d’un coté
• Passage des virages Talonnage
Talonnage Augmente le bourrelet
Lame courbe
Lame non US spécifique pour les virages
Définition
Méthodologie
Matériau
Physique
Poinçonnage
Rayonnage
Multiaxes
Conclusion
26 juin 2007
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Synthèse : Découpe multiaxes
Découpe
• Laser
• Fraisage grande vitesse
• Lame US
Rayon
• Chanfrein multi-pans au laser
• Fraise de forme
• Brossage
• Lame courbe
Définition
Méthodologie
Matériau
Physique
Poinçonnage
Rayonnage
Multiaxes
Conclusion
26 juin 2007
46/47
Conclusion / Ouverture
Deux cas• Surface quasi plane
Poinçonnage Améliorations issues de la physique
– Travail vitesse / température et « fine blanking »
Poinçon rayonneur Travailler la forme
• Surface gauche (Porsche Cayenne) Découpe multiaxes
– Lame US
Rayon par enlèvement de matière– Lame courbe
PDC et SRA « plan » Poinçonnage
SRA « gauche » Machine 6 axes
Réalisation d’un prototype pour validations
Définition
Méthodologie
Matériau
Physique
Poinçonnage
Rayonnage
Multiaxes
Conclusion
26 juin 2007
47/47
Questions
?Définition
Méthodologie
Matériau
Physique
Poinçonnage
Rayonnage
Multiaxes
Conclusion
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