Fabrication additive et coulée – une nouvelle approche hybride

Fabrication hybride Fabrication additive et coulée – une nouvelle approche hybride

|
Auteur/
Éditeur:
Markus Oettel, Stefan Polenz, Sebastian Flügel, Andreas Kleine, Andreas Schrader
/ Nicole Kareta

La fabrication additive est de plus en plus utilisée pour les applications industrielles. Cependant, les longs délais de production empêchent actuellement son utilisation dans la production en série à grande échelle typique de l’industrie automobile. La combinaison de processus conventionnels avec la MA peut être une solution pour relever ce défi.

Sociétés liées

Ce démonstrateur montre comment la formation de cloques (expansion des gaz scellés sous pression) est presque complètement évitée en combinant la coulée et l'AM. Les composants du démonstrateur pour le soudage par accumulation au laser-poudre pour la mise en œuvre du scénario 2 ont été fournis par Audi à partir d'une fonderie externe.
Ce démonstrateur montre comment la formation de cloques (expansion des gaz scellés sous pression) est presque complètement évitée en combinant la coulée et l’AM. Les composants du démonstrateur pour le soudage par accumulation au laser-poudre pour la mise en œuvre du scénario 2 ont été fournis par Audi à partir d’une fonderie externe.

(Source: Fraunhofer IWS et YXLON)

Les moulages AM et Light Metal Casting se complètent mutuellement

La fabrication additive est de plus en plus utilisée dans les applications industrielles. La liberté géométrique des procédés, en particulier la fusion par faisceau laser (LBM) et le dépôt laser de métal (LMD), permet de réaliser des structures en matériaux métalliques jusque-là impossibles à réaliser. Cependant, les longs délais de production empêchent actuellement son utilisation dans la production en série à grande échelle, typique de l’industrie automobile par exemple.

Afin de relever les défis décrits ci-dessus, de nouvelles solutions de processus hybrides ont été développées qui combinent les avantages de la fabrication additive avec ceux de la coulée sous pression des métaux légers. Cette approche a ensuite été mise en œuvre dans deux démonstrateurs automobiles. Dans le projet, LBM (scénario 1) et LMD (scénario 2) ont été combinés chacun avec du moulage sous pression en métal léger. Dans le scénario 1, les structures fonctionnelles fabriquées de manière additive ont été coulées et montées pour reproduire différentes variantes et fonctions supplémentaires dans le support d’unité auxiliaire moulé sous pression. À des fins de personnalisation et de renforcement, des zones de géométrie ont été appliquées à la partie moulée du support moteur dans le scénario 2.

Couverture du livre blanc: SLM

Scénario de mise en œuvre 1 – Fusion du faisceau laser

Comme le montre l’animation, le composant moulé sous pression comprend un renfort de composant en acier inoxydable (rouge), une géométrie d’adaptateur flexible en aluminium (vert) et un échangeur de chaleur en alliage contenant du cuivre (orange). Les géométries LBM fonctionnelles ont été coulées en un composant monolithique au moyen d’un surmoulage et d’une coulée. Une attention particulière a été accordée à la connexion entre AM et la pièce moulée sous pression par des structures d’interface spécialement développées.

Pour déterminer les propriétés mécaniques des connexions entre les différentes géométries et matériaux, des éprouvettes spéciales ont été développées, évaluées selon plusieurs critères et testées pendant le projet. Ce faisant, des normes bien connues telles que DIN EN 50125: 2016-12 et DIN 50099: 2015-08 ont été utilisées comme base. Les structures « champignon », « arc » et « entonnoir » sont représentées sur la figure 1 et ont été classées comme particulièrement adaptées.

Cette animation montre le démonstrateur avec les géométries fonctionnelles fabriquées de manière additive:

La détermination des paramètres (voir figure 2) a montré qu’avec la structure « Champignon », les meilleures propriétés mécaniques des connexions examinées pouvaient être obtenues dans toutes les combinaisons de matériaux.

En utilisant différents supports pour la pompe de direction assistée (voir figure 3), il sera possible à l’avenir de réaliser une large gamme de variantes du « support d’unité auxiliaire ». À cet effet, une géométrie de connexion spéciale avec une section d’adaptateur « standard » a été fournie. À l’extérieur, le support peut être adapté selon les besoins; la structure d’interface « champignon » correspondante est située sur le côté face au composant. Le renforcement des composants et l’échangeur de chaleur ne nécessitaient pas de structure d’interface spéciale dans le cas présent, car ils sont complètement enfermés par du matériau dans le processus de coulée. En raison de la complexité de l’outil de moulage sous pression, les géométries fonctionnelles ont été mises en œuvre étape par étape jusqu’à ce que le démonstrateur final de la figure 4 puisse être fabriqué avec succès. Enfin, un test de corrosion selon PV 1210 à 15 cycles a été réalisé. Selon l’état actuel des connaissances, aucune corrosion inhabituelle ne s’est produite entre les matériaux et la fonctionnalité n’est pas affectée.

Galerie

Galerie avec 7 images

Scénario de mise en œuvre 2 – Dépôt de métal au laser

Dans le scénario 2, un support moteur (gris) a été utilisé comme corps de substrat, comme illustré à la figure 5. Au moyen de raidisseurs LMD, des éléments de jonction et d’autres géométries individuelles ont été ajoutés. Comme dans le scénario 1, la connexion avec le matériel du même type a joué un rôle décisif. Dans ce cas, la connexion n’a pas été créée par verrouillage positif et par friction mais par un joint soudé. Au début du projet, les inclusions de gaz restant dans le substrat pendant le processus de coulée sous pression ont été classées comme problématiques. L’hypothèse était que des cloques se produisent pendant le traitement, c’est-à-dire l’expansion des gaz piégés sous pression. Les conséquences seraient des éclaboussures de soudure violentes, un substrat en mousse et un avortement prématuré.

Les technologies de fabrication additive permettent aux fonderies de moulage sous pression d'ouvrir de nouvelles opportunités commerciales et de développer des compétences technologiques supplémentaires.

Diverses stratégies ont été testées pour éviter les cloques. En raison de la distribution non uniforme des pores dans la zone de traitement, il n’a pas été possible d’établir une méthode claire. Cependant, il a pu être démontré en général que l’accumulation sur des surfaces de moulage sous pression avec des inclusions de gaz irrégulièrement réparties est possible sans interruption de processus au moyen de LMD.

Les premières structures fabriquées de manière additive ont été construites directement sur les supports de moteur fournis par Audi AG, comme illustré à la figure 6 à gauche. En utilisant la tomodensitométrie, une absence approximative de pores a pu être démontrée pour la nervure de rigidification introduite au moyen de LMD (figure 6, à droite). Ce n’est que dans la zone de transition entre le moulage sous pression et la structure fabriquée de manière additive que les pores sont fermés en raison de l’effet de cloquage. Des examens de la totalité du composant ont montré que ces pores n’ont pas d’effet critique sur l’application. Les tests mécaniques et les tests de corrosion effectués sur des échantillons ont montré des résultats toujours positifs et répondent aux exigences de l’industrie automobile.

Afin de montrer qu’un ajustement de la stratégie de coulée en combinaison avec une stratégie d’accumulation de LMD améliorée en plus peut empêcher presque complètement les cloques, deux échantillons supplémentaires ont été préparés et analysés par CT (figure 7). L’échantillon de gauche illustre clairement que la coulée sous pression assistée par vide produit moins de pores dans la zone de liaison, car moins de gaz sont piégés et comprimés dans la pièce moulée sous pression, ce qui conduit à des cloques lors du traitement ultérieur. Une autre amélioration est démontrée par l’adaptation de la stratégie de renforcement. En raison de la géométrie du substrat des échantillons montrés sur la figure 7, l’accessibilité de la tête de traitement au substrat était meilleure. Par conséquent, il a été possible de travailler avec un angle de traitement plus optimal de la buse par rapport au substrat. Cela a de nouveau réduit la porosité restante dans l’échantillon (figure 7, à droite).

#expert

Le plus grand défi de la chaîne de processus pilote pour le projet -Gen-AM de Daimler, Premium Aerotec et EOS est la communication.

Résumé et perspectives

Dans le projet, deux nouvelles chaînes de processus hybrides pour combiner AM et moulage sous pression ont été développées avec succès. Cependant, des recherches supplémentaires / nouvelles / supplémentaires doivent découler des scénarios individuels. Par exemple, des recherches supplémentaires sont nécessaires pour améliorer les connexions à verrouillage de matériau dans la zone d’interface du scénario 1 (LBM). Dans le scénario 2 (LMD), les paramètres du processus LMD doivent être optimisés de telle sorte qu’une production de surplombs, tels que des structures de pont, soit possible de manière fiable.

À l’avenir, il sera possible de produire plusieurs variantes de composants basées sur un outil de moulage en le combinant avec la fabrication additive. Ainsi, les coûts d’outillage élevés sont répartis sur plusieurs variantes de composants et une production plus économique est mise en œuvre. Cela offre des possibilités complètement nouvelles pour l’industrie automobile. Afin de réduire les coûts de production, des composants des véhicules les plus puissants et trop lourds étaient auparavant utilisés dans toutes les gammes de modèles. Grâce aux voies de production hybrides, il sera possible à l’avenir de dérivatiser spécifiquement les pièces moulées en adaptant ou en renforçant les composants des petites voitures à haut volume de production pour les véhicules à faible volume de production grâce à la fabrication additive hybride. Repenser le développement automobile peut ainsi permettre une stratégie élargie de pièces communes pour plus d’efficacité dans l’industrie automobile.

De plus amples informations sont disponibles sur le site Web du projet.

Information sur le financement

La recherche a été réalisée dans le cadre du projet « CastAutoGen – Développement d’une chaîne de processus de production hybride génératrice de coulée pour des applications automobiles » (FKZ: 03ZZ0213A) « CastAutoGen » a été menée dans le cadre du projet AGENT-3D, qui est financé par le ministère allemand de l’éducation et de la recherche pour un total de 45 millions d’euros dans le cadre du programme « Zwanzig20 – Partenariat pour l’innovation ».

Outre Fraunhofer IWU, Fraunhofer IWS, EDAG Engineering GmbH, BOHAI TRIMET Automotive Holding GmbH, Oerlikon AM Europe et, en tant que partenaires associés, Audi AG et ZF Friedrichshafen AG sont également impliqués dans le projet « CastAutoGen » présenté ici.

Traduction par Alexander Stark

Cet article est protégé par le droit d’auteur. Vous souhaitez l’utiliser pour votre propre usage?
Contactez-nous à support.vogel.de (ID: 46342668)

Articles similaires

Commencez à saisir votre recherche ci-dessus et pressez Entrée pour rechercher. ESC pour annuler.

Retour en haut