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Daimler simule la trempe partielle des aciers des caisses de ses voitures

Jean-François Preveraud
Daimler simule la trempe partielle des aciers des caisses de ses voitures

Alléger la caisse en blanc tout en la rendant plus résistante

© DR

Le constructeur automobile allemand met au point avec le spécialiste de la simulation d’emboutissage, un logiciel de simulation du process de formage à chaud et de trempe directe et indirecte des pièces de structure de ses caisses de véhicule. Le développement de pièces embouties avec des propriétés mécaniques prédéfinies est donc possible. La précision des simulations de crash peut être améliorée en tenant compte de la distribution réelle des caractéristiques mécaniques obtenues après l’emboutissage à chaud.

Afin de réduire la consommation de carburant et l’émission de CO2 de leurs véhicules, les constructeurs automobiles travaillent beaucoup sur la masse de la caisse en blanc. Outre le choix des bons matériaux, ils apportent un grand soin aux traitements thermiques qu’ils leur font subir, tel la trempe partielle des aciers à haute et très haute limite élastique. Une activité où la simulation numérique exprime tout son intérêt. C’est par exemple le cas chez Daimler AG qui utilise pour cela les logiciels d’AutoForm Engineering.

La conception de détail de l’outil de formage à chaud et la mise au point du process de trempe partielle des pièces de structure (côtés renforcés, pieds avant et milieu, supports de pare-chocs avant et arrière et autres pièces), nécessitent une compréhension globale du comportement du matériau, des transferts de chaleur et des cinématiques de transformation de phase. Ainsi une analyse approfondie de la transformation de la structure du matériau est nécessaire pour l’analyse et le contrôle ultérieur du process de trempe partielle.

                            

C’est précisément la complexité de ce process qui rend la simulation aussi utile à sa mise au point. Le logiciel doit non seulement pouvoir représenter avec réalisme les process de formage à chaud et de trempe, mais également prévoir de façon fiable les propriétés de la pièce finale, en fournissant alors un savoir-faire ‘‘outillage’’ pour ce type de process très spécifique. C’est ce qui a été au cœur du développement du logiciel AutoForm - ThermoSolver, qui inclut notamment un modèle thermomécanique.

Simuler le comportement mécanique, thermique et métallurgique

Ce logiciel fournit un historique de la température du matériau pour n’importe quel point de la tôle. Ainsi, il propose une meilleure vision du comportement du matériau au cours du formage à chaud et, plus particulièrement, de la trempe. Tous les phénomènes pertinents et leurs interactions doivent être modélisés, afin de faire des simulations avec un degré de fiabilité raisonnable. L’aspect thermique concerne le transfert de chaleur entre la tôle, l’outil et leur environnement, où rayonnement et convection doivent être pris en compte. Quant à la mécanique, c’est la déformation plastique de la tôle qui doit être considérée ainsi que, d’un point de vue métallurgique, la phase de transformation, en raison du refroidissement.

A la suite d’expériences et de tests, AutoForm a vérifié le modèle thermo-mécanico-métallurgique et identifié d’autres paramètres décisifs. En collaboration avec Daimler AG, un outil de test expérimental a été développé, et des tests systématiques ont été réalisés à l’Institute for Manufacturing Technology de l’Université de Erlangen-Nürnberg. La contribution d’AutoForm à ce projet fut une version pilote d’AutoForm - ThermoSolver. Ce partenariat a donné lieu au développement d’une expertise fondamentale de la ‘‘fenêtre process’’ et des propriétés matériaux qui en découlent, elle-même dépendantes des paramètres de process.

Une validation expérimentale

Pour valider cette démarche, Daimler AG a construit un outil pour un pied milieu afin de mettre en application les derniers résultats obtenus en produisant une pièce réelle et de vérifier la qualité des résultats de la simulation. Une petite quantité de pieds milieux a été produite dans l’usine de Sindelfingen et les propriétés mécaniques ont été finement analysées. Des échantillons ont été prélevés sur différentes zones de la pièce et soumis à des tests de traction. Les résultats ont ensuite été étudiés en détails par les experts de Daimler AG et d’AutoForm.
 

                       
                             La corrélation entre la simulation et le prototype physique
                                   en différentes zones d'un pied milieu est excellente



Toutes les influences physiques qui sont décisives pour la précision des résultats ont dû être intégrées dans le modèle de simulation. Les influences secondaires ont été filtrées, ce qui a augmenté la rapidité des calculs. Pendant la période de tests, les partenaires de cette collaboration ont pris la décision de tenir compte de la chaleur latente au cours du process de refroidissement. Les propriétés de la pièce finale peuvent donc être calculées par AutoForm - ThermoSolver avec une excellente précision. Des résultats tels que la limite élastique, la limite à la rupture, la distribution des épaisseurs et des contraintes, ainsi que la distribution de la dureté et du taux de martensite peuvent être clairement illustrés par des graphiques. Le temps de calcul additionnel pour un process de trempe partielle par rapport à un formage conventionnel est de simplement 5 % en moyenne. Cette augmentation modeste est en tout cas plus que justifiée par l’amélioration de la compréhension du process.

Une solution en production

Les objectifs définis pour la collaboration entre Daimler et AutoForm ont été atteints. Après une période de test d’un an, AutoForm - ThermoSolver est utilisé en production depuis 2012 chez Daimler AG qui s’engage sur la qualité de ses simulations. Même des stratégies de process complexes peuvent être calculées avec AutoForm - ThermoSolver. Les influences thermo-mécaniques sur le comportement du matériau au cours de la production de pièces peuvent désormais être mieux prises en compte. Les informations additionnelles apportées par le modèle de calcul métallurgique augmentent la qualité et le contenu des résultats de simulation. Enfin et surtout, l’analyse poussée du process de trempe partielle permet aussi de fournir aussi une meilleure information sur la trempe classique.

La nécessité de développements supplémentaires a été identifiée pour le calcul de la distorsion thermique. Ainsi, un travail intensif a été fourni au cours de ces derniers mois. La prochaine étape de cette collaboration est de vérifier la pertinence pratique de ce dernier développement, et de l’intégrer ensuite dans une prochaine version d’AutoForm - ThermoSolver.

Jean-François Prevéraud

Pour en savoir plus : http://www.autoform.com

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