Super Plastic Forming (SPF) est un processus de fabrication développé dans lequel une tôle mince est déformée à de très grandes proportions et en des géométries souvent complexes. Dans ce procédé, avec l'application d'une pression de gaz, le matériau en feuille mince est formé dans la matrice SPF. Cette technique est principalement utilisée dans les industries aérospatiale et automobile. L'un des inconvénients fondamentaux de cette méthode est le temps élevé du cycle de production, ce qui constitue une contrainte pour le développement de la méthode à grande échelle, par exemple pour l'industrie automobile. Ces dernières années, de nombreux efforts ont été déployés pour surmonter ce problème. Le procédé de formage par soufflage à haute vitesse (HSBF), également connu sous le nom de Formage plastique rapide (QPF) en tant que méthode avancée basée sur le SPF, a été introduit récemment. Il s'agit d'une alternative souhaitable avec un taux de production élevé. Cependant, des défis techniques spécifiques sont associés à cette méthode et doivent être examinés en profondeur. La distorsion du produit final est l’un des problèmes techniques les plus importants qui est en grande partie liée aux variations de température lors du cycle de refroidissement.
Verbom Inc. est une entreprise canadienne située à Sherbrooke, Québec qui utilise à la fois les méthodes SPF et HSBF dans la production de panneaux de carrosserie de voitures et de trains électriques faits de tôles minces en alliage d'aluminium (5083). L’idée initiale de ce projet est venue de l’entreprise qui rencontrait des problèmes de distorsions dans les produits finaux et qui n’arrivait pas à les résoudre de façon systématique. D’où la nécessité de faire une étude fondamentale des phénomènes thermiques mises en jeu aux différents stades du procédé. Ce projet a été donc défini pour étudier de manière expérimentale et numérique les variations de température et le phénomène de distorsion tout au long du processus SPF/HSBF. Trois articles scientifiques ont été produits à partir des résultats de recherche obtenu dans ce projet qui seront expliqués dans ce qui suit:
Dans le premier article, l'évolution de la température dans un outil HSBF au cours du processus de chauffage hors ligne a été étudiée numériquement et expérimentalement. Comme le procédé HSBF est exécuté à des températures élevées (0,4 à 0,6 du point de fusion de la pièce), avant d'installer l'outil HSBF sur la presse, l'outil est chauffé par plusieurs éléments chauffants jusqu'à atteindre la température cible (≈470 ºC en ce cas). La distribution de la température sur la matrice HSBF à la fin du processus de chauffage hors ligne est importante car la distribution de température initiale sur la pièce, après son éjection pour le refroidissement, suit celle de la matrice. Étant donné que la différence de température sur la pièce pendant le processus de refroidissement pourrait affecter la distorsion, cette étude a tenté de simuler et d’examiner l’évolution de la température pendant le processus de chauffage, hors ligne en vue d’obtenir la distribution de température la plus uniforme sur la matrice HSBF à la fin du processus. Comme le chauffage hors ligne dans le processus SPF/HSBF est long (30 heures dans ce cas), la possibilité de minimiser la durée du processus a également été prise en compte. À cet égard, il a été envisagé de tester et de modéliser le processus de chauffage hors ligne d’un outil HSBF. Les matrices supérieure et inférieure ont été instrumentées par des thermocouples (TC) de type K, 2 mm sous la surface des matrices. La température des TC pendant tout le processus de chauffage hors ligne a été enregistrée. Le processus a également été simulé par le logiciel commercial éléments finis ABAQUS et une bonne conformité entre les résultats numériques et expérimentaux a été constatée. Sur la base du modèle numérique validé, une nouvelle approche de la méthode de chauffage de l'outil HSBF visant à minimiser la durée du processus et à améliorer l'uniformité de la distribution de la température sur les matrices a été proposée.
Dans le deuxième article, l’évolution de la température d’une pièce SPF au cours de la phase de refroidissement a été étudiée numériquement et expérimentalement. Dans ce travail, pour la simulation numérique du processus, la distribution de température initiale de la pièce était requise. Normalement, cette distribution de température initiale est la même que celle de la matrice SPF au moment de l’éjection. Par conséquent, la simulation FE de l'outil SPF était nécessaire pour obtenir la distribution de la température de la matrice, ce qui prend du temps, comme il a été montré dans le premier article. À cet égard, une nouvelle approche consistant à faire varier la température locale a été proposée consistant en la division de la surface d’une grande partie du SPF en 9 zones égales et un TC de type K a été fixé au centre de chaque zone. Le processus de refroidissement qui commence après l’éjection de la pièce de la matrice SPF a été testé. Dans la pratique industrielle, pendant le processus de refroidissement, plusieurs ventilateurs entrent en fonction; cependant, considérant que la pièce formée sort de façon progressive de sous la presse et que la pièce est refroidie de façon progressif l’analyse de la dynamique du refroidissement devient complexe. En particulier, l’influence des ventilateurs doit être bien quantifiée. Dans ce contexte, afin d’obtenir une idée précise du coefficient de transfère de chaleur, l'évolution de la température de chaque TC pendant tout le processus a été enregistrée. La température enregistrée du TC de chaque zone était considérée comme la température de toute la zone. Le coefficient de transfert de chaleur (CTH) de chaque zone, basé sur la nouvelle approche (variation locale de la température), a été directement calculé à partir des courbes de refroidissement expérimentales. Le processus de refroidissement a été simulé avec ABAQUS et un bon accord entre les résultats expérimentaux et numériques a été trouvé. Les résultats obtenus ont confirmé que l'approche proposée était raisonnable et que, par conséquent, la modélisation numérique de l'outil SPF permettant de déterminer la distribution de température initiale de la pièce n'est plus nécessaire, et les valeurs de CTH déterminées avec cette méthode pourraient être prises en compte pour tout traitement thermique. Il est à noter que, la contribution du terme de rayonnement sur la valeur de CTH a été aussi étudiée et les résultats ont montré que l'effet de rayonnement pendant le processus de refroidissement à l'air est un phénomène négligeable.
Dans le troisième article, une étude expérimentale sur la distorsion sur une pièce de taille réelle produite par le procédé SPF a été conduite. Dans ce travail, le concept introduit dans l’article 2 a été mise en pratique et la pièce a été divisée en 9 zones égales et un TC de type K a été attribué à chaque zone. Les TC ont été fixés au centre de chaque zone et l'évolution de la température de chaque zone au cours du processus de refroidissement a été enregistrée. Dans cette étude, quatre tests de refroidissement avec différentes conditions thermiques ont été définis et conduits. Dans chaque test, les conditions ont été modifiées pour voir l'effet des paramètres importants tels que la distribution de température initiale et la distribution de valeurs CTH. Les quatre tests définis ont été effectués avec succès et les pièces testées ont été numérisées par une caméra de numérisation 3D pour comparaison avec le modèle de CAO de la pièce SPF. Le modèle de chaque pièce a été construit et comparé au modèle CAO dans le logiciel de métrologie PolyWorks. Les observations ont montré qu'une plus grande uniformité dans la distribution de la température initiale dans la pièce pourrait améliorer la distorsion, tandis qu'une plus grande uniformité dans la distribution du CTH ne montrait pas d'effet considérable sur la distorsion. Par conséquent, l’étude a conclu que la distribution de la température initiale est un paramètre plus important et plus efficace en comparaison avec une plus grande uniformité de la valeur du CTH sur la surface de la pièce.
| Date | 30 oct. 2020 |
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| langue originale | Anglais américain |
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| Établissement diplômant | - École de technologie supérieure
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| Superviseur | Mohammad Jahazi (Directeur(-trice)) & Tan Pham (Codirecteur(-trice)) |
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