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1 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

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1

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

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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

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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

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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

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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

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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

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Méthode TRIZ

Définition

Méthodologie

Matériau

Physique

Poinçonnage

Rayonnage

Multiaxes

Conclusion

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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

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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

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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

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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

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Comportement mécanique

Déformation

• Phase amorphe

• Phase cristalline

Définition

Méthodologie

Matériau

Physique

Poinçonnage

Rayonnage

Multiaxes

Conclusion

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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Problème de l’angle

La non constance du rayon s’explique par

l’angle tranche/peau

Définition

Méthodologie

Matériau

Physique

Poinçonnage

Rayonnage

Multiaxes

Conclusion

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Génération de concepts

Angle tranche / peau ≠ 90 Définition

Méthodologie

Matériau

Physique

Poinçonnage

Rayonnage

Multiaxes

Conclusion

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Génération de concepts

Angle tranche / peau = 90°Définition

Méthodologie

Matériau

Physique

Poinçonnage

Rayonnage

Multiaxes

Conclusion

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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Questions

?Définition

Méthodologie

Matériau

Physique

Poinçonnage

Rayonnage

Multiaxes

Conclusion