Reconception d’une pince de robot en fabrication additive

Pince LETo en Inconel® 718 (impression 3D métal)

Une pièce optimisée (conception topologique), le choix de l'Inconel® 718 et un calcul de coût économique avant de retenir in fine la fabrication additive.

Logo trophée 3D PRINT

Cette application a remporté le trophée 3D Print 2016.

En fabrication additive, reconcevoir à iso-géométrie n’est pas la solution. Il faut au contraire revoir le design pour tirer parti de la liberté de forme possible offert par cette nouvelle technologie. Il s’agissait ici de reconcevoir une pince montée sur robot utilisée pour les opérations de transport à chaud des lopins de 7 kg à 1100°C, avec une cadence de 200 pièces/heure.

Choix de l’Inconel® 718

Le choix du matériau s’est fait sur un critère besoin/procédé. En effet, les matériaux disponibles en fabrication additives métal sont encore limités, avec des solutions telles que l’acier inoxydable 316L, le titane ou l’Inconel® 718. Les besoins fonctionnels de tenue mécanique à haute température (> 400°C), de bonne conductivité thermique et de faible dilatation thermique, ont abouti au choix de l’Inconel® 718.
La pince a ensuite fait l’objet d’une phase d’étude en amont (étude de la tenue à chaud par cyclage thermique, optimisation topologique, reconception et calcul mécanique de validation) avant d’être réalisée sur une machine de fusion laser sur lit de poudre.

Cyclage thermique et optimisation topologique

La première étape de l’étude a consisté à réaliser un cyclage thermique de la pince dans sa configuration initiale. Ce calcul a été réalisé sous ProCAST, avec prise en compte du lopin et du circuit de refroidissement jusqu’à l’atteinte du régime stationnaire pour recaler le modèle numérique. Ainsi, il a été possible dans un premier temps d’obtenir une cartographie thermique pour vérifier les hypothèses de calcul, puis dans un second temps pour faire un calcul d’optimisation topologique.

Pour l’étape suivante d’optimisation topologique, il a été décidé de limiter le nombre de pièces à assembler, ce qui signifie l’intégration des fonds de pince dans l’espace de conception. Pour construire cet espace de conception, il a fallu prendre en compte l’encombrement et les surfaces fonctionnelles (interfaces pince/bras de robot). La mise en données de l’optimisation topologique sous INSPIRE tient compte des chargements thermomécaniques et des contraintes de fabrication préconisées, comme par exemple, les épaisseurs minimales. Le critère de calcul utilisé a été de maximiser la raideur avec pour objectif de réduire la masse de la pince de 30 %.

Une CAO liée aux contraintes de la fusion laser sur lite de poudre

Simulation thermomécanique d'une pince de laminoir

Simulation du comportement thermomécanique d’une pince de laminoir en utilisation.

Suite à l’optimisation topologique, une première reconception CAO a été réalisée en prenant en compte les contraintes liées au procédé de fusion laser sur lit de poudre. Pour citer quelques exemples, une surface elliptique a été créée afin d’avoir, dans le sens de fabrication, une surface évolutive, évitant ainsi l’ajout de supports. Des surfaces inclinées ont également été dessinées pour optimiser le supportage de la pièce. Dans cette première CAO optimisée, le circuit de refroidissement n’a pas été intégré afin d’abord de vérifier que les deux demi-pinces sont fabricables.
C’est à cette étape de la conception que le savoir-faire des fabb’addeurs est important, il permet de limiter les itérations entre les logiciels process et CAO qui se font manuellement. Une fois la géométrie validée d‘un point de vue process, il a été possible d’ajouter les canaux de refroidissement en s’assurant qu’ils se construisent sans support car l’intérieur du circuit ne sera pas accessible.

Une validation finale en thermomécanique

Avant de réaliser la conception de détail, la CAO issue du calcul de l’optimisation topologique doit être validée par un calcul mécanique. En effet, cette phase de validation est importante car les interprétations et choix réalisés par le concepteur peuvent impacter la tenue mécanique de la pièce optimisée. Un calcul de validation thermomécanique, avec comme condition initiale le régime stationnaire du cyclage thermique, est ensuite réalisé. Il prend également en compte le nouveau système de refroidissement.

La phase ultime de ce développement est la fabrication. Les deux demi-pinces ont été fabriquées sur une machine EOS M280. La fabrication a été réalisée en un seul batch de production d’environ 90 h. Des contrôles CND (radiographie) montrent que la structure est exempte de tout défaut interne visible.

Le bilan économique

Le bilan économique final de cette réalisation, a montré que le coût de la pince seule issue de fabrication additive est sensiblement plus cher que le coût de fabrication de la pince actuelle usinée. Néanmoins, si on considère l’intégration de nouvelles fonctions (fond de pince et circuits de refroidissement), on obtient un gain de 10 % sur le coût de possession par le simple fait de diminuer les coûts de maintenance.

La pince en fonctionnement

La pince LETo a subi une phase de tests industriels chez Setforge et a rempli pleinement ses fonctions au sein du laminoir pendant une durée de 10 mois. Notre premier objectif de durée de vie (6 mois) de la pince a été atteint. Suite à ce premier développement, une seconde pièce a été commandée par le forgeron. Ce second exemplaire a été l’occasion d’optimiser la géométrie de la pièce et son système de refroidissement. Le nouvel objectif est de doubler la durée de vie de la pince pour permettre un gain de 50 % sur le coût de possession.

Un grand merci à la société Spartacus3D qui nous a boosté pour remporter ensemble le trophée 3D PRINT 2016

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