Principe du formage incr´emental asym´etrique de tˆ oles

Le principe du formage incr´emental consiste `a mettre en forme une tˆole par d´eformations locales successives et `a repousser progressivement la tˆole par un outil de forme h´emisph´erique de petite taille (typiquement un diam`etre de 10 mm) qui se d´eplace sur la tˆole. Le poin¸con peut passer plusieurs fois sur une mˆeme zone de la tˆole.

Figure _{1.19 − Description des incr´ements verticaux et horizontaux [PET 09]}

Le succ`es de la r´ealisation d’une pi`ece r´eside dans la capacit´e `a r´epartir de fa¸con homog`ene les d´eformations sur toute la pi`ece et `a ´eviter de localiser dans certaines zones des d´eformations trop importantes, synonymes de rupture. La trajectoire du poin¸con est donc tr`es importante car elle va d´eterminer l’emboutissabilit´e d’une pi`ece, c’est `a dire sa capacit´e `a former un embouti profond. Cette trajectoire va d´ependre des incr´ements choisis pour le poin¸con et par cons´equent d´ependre de l’angle de mise en forme d´efini pr´ec´edemment. La figure 1.19 illustre cette notion d’incr´ements verticaux (∆z) et horizontaux (∆y). Le poin¸con peut ˆetre fixe, libre ou impos´e en

rotation [KIM 02], les diff´erences entre ces deux cas sur la formabilit´e des tˆoles seront pr´esent´ees par la suite.

Le formage incr´emental asym´etrique de tˆoles peut ˆetre divis´e en deux cat´egories repr´esent´ees sur la figure 1.20 :

– le formage incr´emental deux points ou TPIF – le formage incr´emental un point ou SPIF

En TPIF, la tˆole est au contact simultan´ement sur deux points de chaque cˆot´e de la tˆole d’o`u son nom.

1.3. PROC´ED´E DE FORMAGE INCR´EMENTAL

Figure _{1.20 − Principaux proc´ed´es du formage incr´emental asym´etrique [BAM 03]}

1.3.3.1 Formage incr´emental deux points (Two Points Incremental Forming) Le formage incr´emental deux points ou TPIF est une m´ethode d´evelopp´ee initialement par Powell et Andrew [POW 92]. D’autres auteurs ont travaill´e sur ce proc´ed´e, tels que Matsubara [MAT 94] et Bambach et al. [BAM 03]. Un poin¸con et un contre-moule (partiel ou total) sont n´ecessaires. Le poin¸con vient mettre en forme la tˆole au contact du contre-moule (cf. figures 1.20 (c) et (d)). De plus, le serre-flan est mobile le long de l’axe vertical. Il existe donc une interaction entre les d´eplacements du poin¸con et ceux du serre-flan. Cette technique permet une meilleure pr´ecision des dimensions et un meilleur ´etat de surface. L’´equipement n´ecessaire au proc´ed´e TPIF est pr´esent´e sur la figure 1.21.

Figure _{1.21 − Principe du formage incr´emental deux points [MAT 94]}

1.3.3.2 Formage incr´emental un point (Single Point Incremental Sheet Forming) Le formage incr´emental un point est illustr´e sur les figures 1.20 (a) et (b). Le formage incr´e- mental avec un contre-outil est un cas particulier du SPIF. Dans les deux cas, le serre-flan est fixe et il n’y pas de contre-moules, cependant une bonne connaissance du comportement du mat´eriau est n´ecessaire afin de mettre en forme la tˆole car du fait de l’absence de contre-moule, le retour ´elastique est plus important. La figure 1.22 montre les diff´erentes ´etapes de la r´ealisation d’une pi`ece en formage incr´emental un point. L’application de ce proc´ed´e a ´et´e ´etudi´ee par Jeswiet

et al. [JES 01], Kim et al. [KIM 00], Leach et al. [LEA 01] et Filice et al. [FIL 02] notamment. Chronologiquement, le SPIF est apparu apr`es le TPIF mais ce proc´ed´e correspond mieux `a l’id´ee initial brevet´e par Leszak [LES 67].

Figure _{1.22 − Les diff´erentes ´etapes du formage incr´emental un point pour des trajectoires} circulaires [KIM 00]

1.3.3.3 Les machines utilis´ees en formage incr´emental

En g´en´eral toutes les MOCN 3 axes peuvent ˆetre utilis´ees en formage incr´emental asym´etrique. La figure 1.23 pr´esente une machine `a commande num´erique ´equip´ee d’un serre-flan mobile afin de pouvoir r´ealiser des pi`eces en formage incr´emental deux points.

Figure _{1.23 − Machine CNC ´equip´ee d’un serre-flan mobile [DUF 05]}

Une machine commerciale sp´ecifiquement d´edi´ee au proc´ed´e de formage incr´emental a ´et´e d´evelopp´ee. Elle est pr´esent´ee sur la figure 1.24. Cette machine est ´equip´ee d’un serre-flan mobile et permet une grande vitesse de production. Elle est pr´evue pour la production de moyennes s´eries. Sa technologie a ´et´e d´evelopp´ee par Matsubara [MAT 94] et Amino [AMI 02] en incluant le brevet de Aoyama [AYO 00].

Le concept de formage incr´emental un point a ´et´e d´evelopp´e sur d’autres types de machines notamment par Allwood [ALL 05] dont la machine est pr´esent´ee sur la figure 1.25. Sur toutes ces machines, la tˆole est form´ee par sa face sup`erieure.

Plusieurs ´equipes de recherche [WES 03] [SCH 04] [MEI 05] travaillent actuellement sur l’uti- lisation de robots industriels en formage incr´emental. Ces robots ont de grandes capacit´es de production, des vitesses de travail importantes mais une faible rigidit´e et des efforts maximaux

1.3. PROC´ED´E DE FORMAGE INCR´EMENTAL

Figure _{1.24 − Machine de formage incr´emental de type Amino [AMI 02]}

Figure _{1.25 − Machine de SPIF d´evellopp´ee par Allwood [ALL 05]}

admissibles assez faibles. Sasso et al. [SAS 08] ont utilis´e un robot anthropomorphique pr´esent´e en figure 1.26 pour r´ealiser une pi`ece en TPIF.

Figure _{1.26 − Robot anthropomorphique Smart S4 [SAS 08]}

La plate-forme Stewart [STE 65], ´egalement connue sous le nom de positionneur hexapode, poss`ede six degr´es de libert´e : les trois coordonn´ees de translation ainsi que les angles de tan-

gage, roulement et lacet. Le potentiel de cette plate-forme pour r´ealiser des pi`eces en formage incr´emental est important mais n’est pas encore exploit´e.

1.3.3.4 Les avantages et les inconv´enients des deux proc´ed´es de formage incr´emen- tal

Park et al. [PAR 03] ont utilis´e les proc´ed´es SPIF et TPIF afin de mettre en forme une tˆole dont la forme finale souhait´ee est identique. Ces deux m´ethodes utilisent deux trajectoires de poin¸con diff´erentes : dans le cas du formage incr´emental deux points (TPIF), le poin¸con commence par d´eformer la tˆole par le centre en finissant par les bords. C’est le principe inverse pour le formage incr´emental un point (SPIF). La tˆole commence `a ˆetre d´eform´ee par l’ext´erieur (c’est-`a-dire en commen¸cant `a d´eformer les bords de la tˆole) puis le poin¸con se d´eplace vers le centre de la tˆole. La trajectoire du poin¸con est donc diff´erente d’un proc´ed´e `a l’autre. La figure 1.27 pr´esente les formes finales des pi`eces r´ealis´ees en SPIF (a) et TPIF (b). Les formes obtenues sont diff´erentes, l’emboutissabilit´e est meilleure dans le cas de la pi`ece form´ee en TPIF.

(a) (b)

Figure _{1.27 − Pi`ece r´ealis´ee en SPIF (a) et TPIF (b) [PAR 03]}

La figure 1.28 montre les modes de d´eformation induits par les deux proc´ed´es dans le plan des d´eformations principales maximales (ε1) et minimales (ε2). Les d´eformations obtenues en

SPIF semblent distribu´ees principalement en mode de traction large (ε1, ε2 = 0) avec quelques

points selon le mode bi-axial. Les d´eformations obtenues en TPIF sont toutes localis´ees en mode de traction large.

Figure _{1.28 − Distribution des d´eformations pour les deux proc´ed´es de mise en forme incr´ementale} [PAR 03]

Le proc´ed´e TPIF semble ˆetre le meilleur proc´ed´e de mise en forme car il utilise les caract´e- ristiques de formabilit´e du formage incr´emental, c’est-`a-dire le mode traction large (ǫ1, ǫ2 = 0).

1.3. PROC´ED´E DE FORMAGE INCR´EMENTAL

Cette observation est confirm´ee par la comparaison des deux formes finales r´ealis´ees par les deux proc´ed´es.

Attanasio et al. [ATT 07] ont ´egalement compar´e les deux proc´ed´es pour la r´ealisation d’une poign´ee de porte de voiture. Les deux techniques ont montr´e tr`es peu de diff´erences. Cependant, la pi`ece r´ealis´ee en TPIF respecte mieux les dimensions de la pi`ece finale souhait´ee (am´elioration de 25% dans le meilleur des cas) et son aspect de surface est meilleur. N´eanmoins, le SPIF ´evite l’utilisation d’un contre-moule et d’une machine plus complexe.

Les inconv´enients du SPIF sont donc [JAD 03] :

– temps de mise en forme beaucoup plus long que les proc´ed´es d’emboutissage, – limitation `a la production de petites s´eries,

– moins bonne emboutissabilit´e que le TPIF,

– r´ealisation d’angle de mise en forme de 90° impossible `a r´ealiser en un seul passage du poin¸con,

– retour ´elastique important. Les avantages du SPIF sont [JAD 03] :

– r´ealisation de pi`eces directement `a partir d’une trajectoire de poin¸con g´en´er´ee `a partir d’un logiciel CAO. Il faut n´eanmoins tenir compte du retour ´elastique.

– pas d’utilisation de contre-moules,

– modification d’une pi`ece rapidement et facilement, – int´eressant pour du prototypage et des petites s´eries, – utilisation d’une simple MOCN 3 axes,

– taille de la pi`ece limit´ee uniquement par la taille de la machine et de la tˆole, – augmentation de la formabilit´e par rapport aux proc´ed´es d’emboutissage

Concernant ce dernier point, plusieurs hypoth`eses peuvent expliquer l’augmentation de la formabilit´e en formage incr´emental par rapport `a l’emboutissage classique. Elles sont pr´esent´ees dans la section suivante.

1.3.4 M´ecanismes permettant d’expliquer l’am´elioration de la formabilit´e des