Le logiciel de conception de moules aide à optimiser l'absorption d'énergie et les objectifs de poids

Logiciel de conception de moules pour l'allègement. Getty Images

GNS North America est un fournisseur de niveau 1 d'acier trempé à la presse (PHS) ou estampé à chaud ; composants emboutis à froid ; et sous-ensembles soudés pour l'industrie automobile.

Fondée en Corée en 1971, la société emploie environ 550 personnes et exploite 16 lignes d'estampage PHS actives, 10 lignes d'estampage à froid et diverses cellules d'assemblage et de soudage. Ses usines sont situées à Holland, Michigan, Canton, Michigan, et San Jose Iturbide, Mexique.

L'équipe d'ingénieurs de GNS North America a rencontré des difficultés dans la production de pièces pour atteindre les objectifs d'absorption d'énergie et de poids.

Les défis quotidiens de production et de devis de GNS étaient :

Pièces PHS. Les composants deviennent de plus en plus complexes, à la fois dans leur géométrie et en raison des initiatives de réduction d'épaisseur pour gagner du poids. Cette combinaison présente des défis uniques pour l'outillage et le développement de processus. L'industrie s'efforce constamment d'économiser du poids, ce qui pousse GNS North America à estamper à chaud davantage de pièces en PHS ou en acier au bore-manganèse (see Barre latérale Apprêt en acier estampé à chaud).

L'estampage à chaud produit des composants sans contrainte résiduelle, possédant à la fois des propriétés de rendement élevé et de résistance à la traction. Cependant, en raison de la dureté qui en résulte, les caractéristiques des trous et des fentes à tolérance serrée et les bords de garniture doivent être découpés au laser dans un processus secondaire, ce qui peut être coûteux.

Blancs sur mesure. Les clients exigent également des composants avec des performances d'absorption d'énergie optimisées pour des objectifs de sécurité ainsi que des objectifs de poids. Ces exigences ont poussé les conceptions GNS à évoluer vers des composants d'épaisseur multi-matériaux et même de types multi-matériaux. Trois procédés actuellement utilisés qui permettent de fabriquer ces conceptions sur mesure sont les flans soudés sur mesure, les flans laminés sur mesure et les flans de renfort sur mesure.

Les ébauches soudées sur mesure (TWB) sont fabriquées à partir de tôles d'acier individuelles de différentes épaisseurs, résistances et revêtements qui sont soudées au laser ensemble. Ce processus positionne le matériau avec les bonnes propriétés aux bons endroits (voir Figure 1).

Les flans laminés sur mesure (TRB) sont des tôles avec une transition continue d'une épaisseur à l'autre. Ils sont fabriqués sur un laminoir à froid.

Les ébauches soudées sur mesure (TWB) sont fabriquées à partir de tôles d'acier individuelles de différentes épaisseurs, résistances et revêtements qui sont soudées au laser ensemble. Ce processus positionne le matériau avec les bonnes propriétés aux bons endroits. Images : AutoForm Engineering GmbH

Les ébauches de patch sur mesure sont des ébauches 2D qui sont renforcées localement en fixant des ébauches 2D plus petites (patchs) par soudage par points ou au laser (voir Figure 2). Les patchs créent des zones de surépaisseur sur le blank.

Ils nécessitent une conception d'outil unique, un positionnement de soudure par points et des deltas d'épaisseur de matériau. Le concepteur doit prendre en compte cette variation d'épaisseur et modéliser les zones de transition dans les surfaces de la cavité de la matrice où l'épaisseur du matériau passe d'une épaisseur de matériau double à une épaisseur simple. Les emplacements des soudures par points qui adhèrent aux patchs à l'ébauche sont importants pour empêcher la défaillance des pièces ainsi que la défaillance des soudures par points elles-mêmes.

Ces défis ont entraîné le besoin d'outils de simulation pour aider les équipes de conception et de développement de GNS North America à prédire avec confiance la formabilité des composants lors de la conception du processus et de l'outillage.

À la suite d'évaluations concurrentielles, le fabricant d'emboutis a choisi de louer la suite logicielle de simulation AutoForm comme outil prédictif de processus. Ensuite, l'équipe d'ingénierie pourrait calculer les résultats de formabilité rapidement et avec précision. GNS a également utilisé le logiciel de simulation pour effectuer des micro-ajustements de la vitesse de fermeture de la presse. L'équipe a également changé les lignes de finition vierges.

Les opérateurs expérimentés de l'usine ont rencontré une faible courbe d'apprentissage avec le logiciel. Ceux qui ne connaissaient pas le logiciel ont reçu une formation de base complète et certains ont suivi une formation avancée pour le marquage à chaud.

Une fois que l'équipe a compris l'outil de simulation et acquis confiance dans la corrélation entre les résultats physiques et prévus, le logiciel a fourni des informations précieuses pour toutes les opérations.

L'équipe GNS North America produit un composant de carrosserie en blanc à haut volume dans ses installations de Canton et de San Jose Iturbide pour un équipementier nord-américain. L'équipe a utilisé plusieurs outils de la suite logicielle de simulation pour éliminer avec succès les problèmes et les défis liés à la production de la pièce.

Lors de l'examen de la simulation initiale, les concepteurs ont pu voir l'épaississement et l'amincissement prévus du composant formé. À ce stade, l'équipe devait prendre des décisions sur la manière d'améliorer le processus - si le processus de conception devait changer, comme ajouter un classeur et en faire un processus de dessin au lieu d'un formulaire de crash. Une autre approche envisagée par l'équipe consistait à combiner le formulaire de collision et les options de dessin en ajoutant des tampons au formulaire de collision pour contrôler des zones spécifiques de la feuille afin de réduire ou de favoriser le flux de matériaux. Ces ajustements pourraient être effectués au début du processus de conception.

Il s'agit d'une représentation d'un blanc de patchwork sur mesure.

Élimination du rognage au laser. L'équipe a lancé le processus en utilisant les fonctionnalités itératives du logiciel pour optimiser le placement et la synchronisation des tampons et des liants requis. Cette approche itérative a permis de réaliser plusieurs tentatives de simulation en succession rapide.

Ensuite, il a utilisé la capacité de développement itératif de garniture du logiciel de simulation pour générer le profil de flan 2D optimisé qui respecterait la tolérance de bord de garniture requise par le client. Le logiciel a analysé la limite de la feuille pour "s'adapter au mieux" à la limite cible et a effectué des ajustements automatiques pour obtenir une limite de finition qui se situait dans la tolérance de profil définie. Ces boucles d'itération ont donné à l'emboutisseur l'occasion de maximiser l'efficacité du traitement de l'équipement. Cela a également permis à une plus grande partie de la pièce d'être entièrement développée, de sorte que moins de découpe au laser était nécessaire. Le fabricant a ensuite partagé ces informations avec ses clients pour maintenir leur avantage concurrentiel.

GNS a développé les lignes de coupe sur la plupart des poutres d'impact latéral à l'aide du logiciel (voirfigure 3).

Piercing in-die. Au cours de ces optimisations de processus, l'équipe a reconnu une opportunité supplémentaire d'intégrer la technologie de perçage in-die. Bien qu'ajoutant de la complexité au jeu de matrices PHS, ce matériel a permis d'ajouter les caractéristiques critiques de trou et de fente de référence de localisation pendant l'opération d'estampage à chaud et d'éviter l'opération laser secondaire.

Patch vierge sur mesure. De plus, l'OEM a exigé que le poids du composant soit minimisé et utilise une épaisseur d'ébauche sur mesure. Cela aurait nécessité un développement initial coûteux à l'aide de techniques traditionnelles. Cependant, l'équipe a pu appliquer son expérience avec le logiciel de simulation pour accélérer l'optimisation et réduire les coûts.

L'équipe GNS a utilisé les capacités de simulation de patch du logiciel pour établir des modèles de soudure par points à blanc. Les soudures par points qui adhèrent aux patchs à l'ébauche ont également dû être évaluées pour s'assurer que leur placement ne perturberait pas le flux de matériau nécessaire ou ne se fracturerait pas pendant le processus de formage. Pour mettre en place la simulation, l'équipe a défini le nombre et l'emplacement des points de soudure. Les résultats de cette configuration initiale ont permis à l'équipe de visualiser les forces normales et tangentielles exercées sur chaque point de soudure pendant le processus de formage. Ces résultats analytiques ont guidé l'équipe pour prédire la défaillance de la soudure interfaciale et réviser le modèle de soudure par points pour éliminer la condition indésirable.

L'interface utilisateur graphique du logiciel a donné au fabricant le temps de planifier et de traiter rapidement plusieurs simulations, de prendre en charge le traitement de grandes demandes de prix, d'étudier et d'affiner des composants plus difficiles et de développer des profils vierges. À l'aide de l'AutoForm-ThermoSolver, l'équipe a pu voir la dilatation provoquée par le chauffage des ébauches de matériau 22MnB5. Il pourrait étudier les effets du temps de transfert sur les ébauches chauffées du four à l'outillage, tout en se référant au respect du diagramme de phase de transformation du refroidissement continu, du formage à la presse et des vitesses de trempe. Tous ces outils ont donné à l'équipe des informations qu'ils pouvaient utiliser pour optimiser leur processus en fonction de temps de cycle plus efficaces.

À l'aide des fonctions d'optimisation itérative de la suite logicielle de simulation, GNS North America peut désormais obtenir des bords et des trous de garniture développés selon les exigences de qualité initiales du client de 80 % ou plus pour les premiers coups et les premiers rachats afin de prendre en charge les dates initiales requises pour les matériaux sur les poutres d'impact latéral et les composants de carrosserie en blanc. Cela permet d'économiser du temps et de l'argent liés aux opérations laser secondaires coûteuses, que l'entreprise peut répercuter sur ses clients.

Les pièces embouties à chaud sont formées d'acier écrouissable à la presse (PHS). Le PHS contient de 0,001 % à 0,005 % de bore carbone/manganèse. Il est plus communément appelé 22MnB5.

Image générique d'un faisceau d'impact latéral à section à chapeau unique. Notez que la pièce a une garniture de périmètre extérieur entièrement développée et des caractéristiques de trou et de fente.

Le matériau prétraité a des propriétés mécaniques similaires aux aciers de nuances HSLA 300 et 340 largement utilisés, avec une résistance à la traction d'environ 400 MPa et 600 MPa pour les nuances 1500. Cependant, lorsque le 22MnB5 est traité thermomécaniquement, sa microstructure change, résultant en une microstructure martensitique. Ce changement est communément appelé transformation de phase.

En termes de processus, l'acier est d'abord chauffé à environ 950 degrés Celsius, puis transporté du four à la matrice et à la presse avec un outillage robotisé en bout de bras. Une fois que les ébauches sont correctement placées dans les cavités de la matrice, les cycles de presse et la moitié supérieure de la matrice se referment sur la moitié inférieure de la matrice pour donner à la pièce sa forme finale et rester, tandis que des canaux spéciaux de refroidissement par eau dans les matrices extraient rapidement la chaleur des ébauches (voirImage 1).

La combinaison de la haute température et du refroidissement rapide transforme le matériau en une pièce 100% martensitique pouvant avoir une résistance à la traction finie allant jusqu'à 2 000 MPa. Si tout cela est fait avec précision, les pièces peuvent être produites avec une tolérance de 100 % et sans retour élastique.

L'image 2 montre la résistance à la traction et l'allongement de l'acier martensitique fini superposés sur d'autres aciers pour démontrer visuellement les différences. Ceci est fait pour atteindre les objectifs de poids tout en conservant simultanément des propriétés mécaniques à haute résistance pour des performances globales. Ce comportement unique du matériau est essentiel pour alléger les cages de sécurité, les piliers A et les piliers B.

Cet acier unique est utilisé dans les applications automobiles depuis le début des années 1980, à commencer par Volvo, et continue de devenir un matériau préféré sélectionné pour les composants et sous-ensembles automobiles d'impact et de carrosserie en blanc.