Axe USIMEF

Axe USIMEF : Usinage et Mis En Forme

• Anna-Carla Araujo – Animatrice de l’axe USIMEF
• Frederic Monies
• Guillaume Cohen
• Jean-Max Redonnet
• Johanna Senatore
• Luc Penazzi – Co-animateur de l’axe USIMEF
• Michel Mousseigne
• Patrick Gilles
• Pierre Lagarrigue
• Thomas Poittier
• Walter Rubio
• Yann Landon – Animateur du groupe SUMO

Les recherches de l’axe USIMEF s’inscrivent dans la thématique globale d’établissement des liens entre les procédés de fabrication, leur modélisation (simulation ou la projection de réalité mixte et/ou augmentée), le monitoring, et la tenue en service des pièces mécaniques.

Les principaux procédés de fabrication étudiés dans cet axe sont : l’usinage par enlèvement de matière avec des outils coupants de géométrie définie, l’usinage par jet d’eau abrasif et la mise en forme des tôles par déformation plastique, essentiellement pour des pièces de structure aéronautiques ou, plus récemment, des applications biomédicales.

La notion d’intégrité de surface et le monitoring sont au cœur des activités de l’axe USIMEF. Cette intégrité de surface peut être définie par 3 descripteurs : géométrique (topologie de l’état de surface), mécanique (évolution des contraintes résiduelles), et microstructural (évolution de la microstructure et du taux de déformation dans le matériau en surface et sous-surface).

Nous avons principalement 8 Thématiques de recherche dans l’axe USIMEF :

1. Usinage multi-axes de formes complexes
2. Simulation numérique multi-physiques de la coupe élémentaire représentative
3. Stratégies innovantes d’usinage (Équilibrage d’efforts, tréflage et dynamique de la coupe)
4. Usinage intelligente, sobriété énergétique et recyclage de copeaux
5. Perçage de multi-matériaux (empilage aéronautiques et application médicales)
6. Usinage par jet d’eau abrasif
7. Simulation numérique multi-physiques et multi-matériaux des procédés de mise en forme de tôles à chaud et à mi-chaud
8. Learning games et la réalité mixte

 

Afin d’étudier l’influence de l’usinage et des procédés sur la tenue en fatigue de pièces, les descripteurs de l’intégrité de surface sont particulièrement analysés, et des travaux spécifiques portent sur la définition de descripteurs pertinents, et leur mesure/évaluation. Il s’agît d’établir les relations entre les conditions de mise en œuvre des procédés et ces descripteurs pertinents d’une part, puis entre ces descripteurs et la tenue en fatigue. La topologie 3D de l’état de surface et les contraintes résiduelles sont particulièrement étudiés.

Thème 1 : USINAGE MULTI-AXES DE FORMES COMPLEXES

Les travaux menés dans ce thème visent à :

• – Optimiser l’usinage de surfaces gauches par fraise torique. Méthodologie automatique de découpage de la surface en muti-zones pour appliquer une stratégie d’usinage par plans parallèles avec des directions d’usinage différentes.
• – Optimiser les trajectoires outil pour l’usinage des surface gauches à l’aide d’outils issus de la géométrie différentielle et de l’intelligence artificielle. Développement de deux librairies logicielles : (i) la DGL (Differential Geometry Library) centrée sur la manipulation des courbes et surfaces gauches (Bézier, splines, NURBS, …) avec les outils de la géométrie différentielle (normales, courbures, directions principales, …) ; (ii) la jCAM (java Computer Aided Manufacturing) centrée sur les aspects métier : machines, outils, surfaces centre-outil, trajectoires, etc… Développement d’un framework applicatif : CoSMO (Complex Surface Machining Optimisation)

Thème 2 : PERCAGE DES EMPILAGES MULTI-MATERIAUX

Les activités menées dans ce thème s’intéressent à la caractérisation des phénomènes intervenant en perçage des matériaux et empilages multi-matériaux, et à leur modélisation. L’objectif est d’établir les relations entre les paramètres opératoires, les indicateurs du process (actions mécaniques, vibrations) et le respect des critères de qualité, en termes de géométrie mais aussi en termes d’intégrité de “surface” et de santé matière. Ces travaux s’appliquent au cas du perçage conventionnel, mais également aux procédés de perçage innovants : Perçage Assisté par Vibrations forcées (PAVf) ; Perçage Orbital (PO) et Perçage Orbital Grande Vitesse (POGV).

 

Thème 3 : Stratégies innovantes d’usinage

• – Usinage en poussant : méthodologie d’équilibrage des efforts transversaux et de limitation de problématiques dynamiques comme la flexion ou la vibration d’outil
• – Tréflage : Tréflage de différents types de matériaux (alliages de magnésium, alliages d’aluminium, alliages de titane). Influence de la géométrie d’outil sur les efforts de coupe. Optimisation du procédé (outils, conditions de coupes, trajectoires)

Thème 4 : Fabrication intelligente, sobriété énergétique et recyclage de copeaux

L’industrie 4.0 fait référence à de nouveaux modes de production pour faire face aux défis sociétaux actuels, notamment l’amélioration des conditions de travail, l’optimisation des flux à travers l’utilisation de la surveillance des procédés et l’analyse du cycle de vie des pièces.

Thème 5 : Perçage multi-matériaux (empilages aéronautiques et applications médicales)

Les activités menées dans ce thème s’intéressent à la caractérisation des phénomènes intervenant en perçage des matériaux et empilages multi-matériaux, et à leur modélisation. L’objectif est d’établir les relations entre les paramètres opératoires, les indicateurs du process (actions mécaniques, vibrations) et le respect des critères de qualité, en termes de géométrie mais aussi en termes d’intégrité de surface et de santé matière, voire de tenue en service (statique, fatigue). Cela intègre également la surveillance passive ou active de l’opération et le développement de jumeaux numériques.

Ces travaux s’appliquent au cas du perçage axial classique, mais également aux procédés de perçage innovants : Perçage Assisté par Vibrations forcées (PAVf) ; Perçage Orbital (PO) et Perçage Orbital Grande Vitesse (POGV). Les matériaux principalement étudiés sont les alliages d’aluminium, de titane, les CFRP, ou encore l’os pour des applications médicales.

Thème 6 : Usinage par Jet d’Eau Abrasif

Optimisation du pilotage du procédé d’Usinage par Jet d’Eau Abrasif :

• – Usinage de forme simples (poches) et de surfaces gauches à profondeur variable
• – Maîtrise des paramètres opératoires et développement de stratégies d’usinage

Thème 7 : Simulation numérique multi-physiques et multi-matériaux des procédés de mise en forme de tôles  à chaud et à mi-chaud

Mise en forme à chaud

Il s’agit de prendre en compte les effets de couplage (thermique-mécanique) dans le comportement du matériau de tôle et de l’outillage ainsi que dans celui des interfaces tôle/outils sur une large gamme de température et de déformations dans les opérations de mise en forme. Un premier exemple concerne le cas du cisaillage à chaud (550 °C – 900 °C) de tôle d’acier trempant 22MnB5 par des lames en acier X70CrMOV5-61 HRc. Les travaux ont permis d’établir des premiers modèles 2D-DP de l’opération de cisaillage en prenant en compte le couplage thermo-mécanique dans la tôle et les outils. Ils permettent ainsi de proposer une première analyse thermique et mécanique des sollicitations locales au cours de l’opération et d’évaluer l’influence de l’effet thermique sur la sollicitation mécanique des lames. On observe le lien entre le niveau élevé de contraintes et les hautes valeurs de température en phase de création du bombé de la tôle, puis à moindre mesure le déplacement du maximum de contraintes autour de l’arête de coupe. Ces résultats sont en accord avec l’étude expérimentale développée sur le module de cisaillage à chaud de l’équipement MEFISTO de l’ICA.

Mise en forme à mi-chaud (400 °C – 500 °C) de tôles en Ti6Al4V

Le développement des procédés de mise en forme de tôles métalliques pour structures automobiles ou aéronautiques à des températures intermédiaires entre celle ambiante et les hautes températures, requiert la prise en compte de comportements complexes des matériaux (comportement élasto-viscoplastique anisotrope) afin d’apporter des informations géométriques (retour élastique, distorsion) et des états de contraintes post-opératoires permettant d’étudier l’influence des paramètres procédés. C’est notamment le cas du formage à mi-chaud d’alliage de titane Ti-6Al-4V à des températures de 400 – 500 °C. Dans cette gamme de température, le comportement plastique anisotrope de l’alliage Ti6Al4V est caractéristique des mécanismes de déformations présents à température ambiante et se combinent à l’amélioration des capacités de formabilité apportée par l’augmentation de température. L’utilisation d’un modèle plastique à écrouissage anisotrope et évolution cinématique améliore la prévision des états de contraintes et du retour élastique post-formage.

Thème 8 : Learning games et la réalité mixte

Outre les activités de recherche sur les procédés, l’équipe porte également une attention particulière à la transmission des savoirs en lien avec la formation des futurs techniciens et ingénieurs du domaine génie mécanique. De cette volonté constante est né un outil de formation innovant dans le domaine de l’usinage CN : MECAGENIUS. C’est un compagnon virtuel d’apprentissage par l’action qui permet de découvrir un atelier de fabrication, d’apprendre à usiner des pièces sur CN et de gérer un projet de fabrication dans un atelier virtuel. Le jeu est disponible en ligne ici.