Le choix de la fabrication additive pour une pince de forge

Pince de forge en fabrication additive métallique

Une pince de forge est un outillage qui subit de très fortes contraintes thermomécaniques. Elle a besoin de vitamines...

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Cette application a remporté le trophée 3D Print 2016.

Le choix de la fabrication additive métallique ne concerne pas seulement l’aéronautique, le spatial ou le médical. D’autres marchés, comme celui des outillages industriels de forge peuvent faire l’objet de développement économiquement rentable. Pour ce type d’applications, la difficulté rencontrée le plus souvent est de concilier un coût de fabrication unitaire élevé avec des contraintes technico-économiques fortes.

Problèmes de maintenance des outillages de laminoir

Les problèmes de maintenabilité sur les outillages de laminoir sont fréquents. Ces outillages (comme les pinces de robot) subissent de très fortes sollicitations thermomécaniques, ce qui entraine la rupture prématurée de certains outillages. La maintenance doit régulièrement intervenir pour changer des éléments de la pince ou la pince elle-même, générant des arrêts de production préjudiciables et une baisse de la productivité. En plus de la difficulté de l’intervention, le délai d’approvisionnement des pièces à remplacer est très long.

Une pièce soumise à de fortes sollicitations thermomécaniques

L’outillage étudié est 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. Ce type de pince est composé de deux demi-pinces usinées dans un acier à outil de travail à chaud 55NCDV7 (1.2714), de bagues auto-lubrifiantes en laiton, d’un fond de pince en acier et de garnitures en Inconel® 718.

Les deux demi-pinces sont montées autour d’un axe boulonné afin d’être mobiles l’une par rapport à l’autre. La pince est ensuite connectée avec le robot au moyen d’une liaison pivot à l’extrémité de chaque demi-pince, incorporant des bagues autolubrifiantes.

Le lopin en acier porté à 1100°C doit pouvoir être positionné et tenu à distance de la pince pour préserver ses fonctions. Pour cela, chaque demi-pince dispose d’éléments démontables assurant la liaison entre le lopin et la pince : une butée de fond de pince qui limite le déplacement des lopins. Elle est fixée aux demi-pinces par des vis et quatre garnitures (pièces d’usure) assurant le contact et l’adhérence avec le lopin. Chaque garniture est insérée dans une rainure et immobilisée avec une goupille chassée, facilitant ainsi le montage/démontage.

Afin de limiter la montée en température de l’ensemble de la pince, un circuit de refroidissement a été rajouté par la maintenance; de conception simple, il est constitué d’un tube soudé qui souffle de l’air comprimé par l’extérieur sur la pince pour refroidir les garnitures.

Un planning de maintenance complexe

Pour ce type de pièce, le planning de maintenance -avant reconception- était le suivant :

  • Changement de garnitures : Après 80 h d’utilisation, soit près de 17 fois par an, l’ensemble des garnitures est remplacé, simplement pour des raisons d’usure
  • Changement des fonds de pinces : Actuellement les butées de fond de pince sont montées vissées et les chocs thermiques et mécaniques impactent directement les vis qui rompent en fatigue. Les agents de maintenance en sont venus à déposer un cordon de soudure supplémentaire dès le montage des fonds de pinces pour les renforcer
  • Système de refroidissement : le soudage du système de refroidissement demande du temps à la maintenance pour un résultat mitigé car il ne refroidit pas toujours efficacement les zones les plus sollicitées thermiquement (les garnitures)
  • Remplacement complet de la pince : Après 650 h d’utilisation, soit 2 fois par an environ, le système complet est remplacé.

La reconception en fabrication additive

L’enjeu a été d’exploiter tout le potentiel de la fabrication additive pour développer un outillage de forge qui ait une tenue mécanique à chaud et une durée de vie améliorées, avec la possibilité d’intégrer des fonctions à coût réduit. L’objectif est en particulier de diminuer les interventions de maintenance et les arrêts de production du robot : d’où la conception et réalisation d’une pince de robot de nouvelle génération, issue de fabrication additive métallique.

Plusieurs procédés investigués : le choix de la fabrication additive

Au préalable, plusieurs procédés de fabrication ont été investigués : le mécano-soudé, la fonderie cire perdue, la fabrication additive et le taillé masse, ce dernier étant le procédé de fabrication actuel. Un comparatif technico-économique a mis en évidence l’intérêt de la fabrication additive par rapport aux procédés alternatifs. En effet, les procédés d’usinage et de mécano-soudage limitent les possibilités d’intégration du circuit de refroidissement. Au final, seules la fonderie cire perdue et la fabrication additive permettent l’intégration de fonctions telles que le circuit de refroidissement interne ou la butée fond de pince.

La fabrication additive, la plus adaptée

L’intégration du système de refroidissement est possible en fonderie cire perdue mais dans ce cas particulier, elle s’avère difficile et coûteuse car elle requiert notamment l’insertion d’un noyau céramique dans le modèle cire. Le noyau céramique exclut ou rend complexe le prototypage du modèle en cire, ce qui implique la réalisation d’un ouillage pour la fabrication du modèle. Sous l’angle économique, le coût de revient de la pince par voie de fonderie est finalement estimé à environ 6 400 € contre 4 500 € en fabrication additive. Ces prix sont établis sur une série de 2 pièces par an en prenant en compte les coûts d’amortissement des outillages.

Tant en termes de coûts de revient des pièces que de possibilités de conception offertes, la fabrication additive se positionne donc ici, comme la technologie la plus adaptée … pour réaliser la pince.

Un grand merci à Spartacus3D, notre partenaire sur ce très beau projet LETo qui a remporté le trophée 3D PRINT 2016.

5 commentaires

  1. Paul-Henri Renard says

    Parfois, mettre en forme un alliage coûteux par un procédé coûteux permet d’économiser de l’argent !

    • Jean-François Dionne says

      Et utiliser un alliage coûteux (meilleure qualité métallurgique) permet également de faire des économies avec les procédés de mise en œuvre classiques.

  2. Dominique says

    D’après ce que j’ai pu lire sur un site spécialisé dans l’usinage « A matière équivalente, la solidité d’une pièce usinée sera très supérieure à celle d’une pièce issue de l’impression 3D. Cela revient à tailler dans la roche ou à monter un mur de brique… »

    Etes-vous d’accord avec cette affirmation ? Si je ne m’abuse l’impression 3D permet quand même de fabriquer une pièce d’un seul bloc en supprimant certains points de faiblesses tels que les soudures et des fixations.

    • Le métallonaute
      Le métallonaute says

      Bonjour Dominique et merci de votre question. Nous ne sommes pas d’accord avec vous. Il existe de nombreux procédés de fabrication additifs métallique (en très fortes évolutions) dont le plus répandu est le SLM. Et les propriétés mécaniques obtenues avec le SLM sont très bonnes et assez proches de celles des pièces forgées. Le « taillé masse » est d’ailleurs assez souvent lui aussi taillé dans du forgé. Des pièces métalliques réalisées en impression 3D sont utilisées pour des applications en aéronautique ou en médical par exemple, deux secteurs très exigeants au niveau de la qualité. Par contre, la rugosité des pièces en impression 3D nécessite assez souvent un usinage de finition comme pour d’autres procédés.

  3. Dominique says

    Merci pour ces précisions 😉 cette affirmation n’est pas la mienne, d’où ma question.

    Je vais d’ailleurs plutôt dans votre sens. D’autant qu’avec les nouvelles techniques de fabrication additive inspirées du MIM, l’argument du « mur du brique » ne tient plus vraiment.

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