Brevet FR3120346A1 — publié le 20220909

La présente invention concerne un procédé de renforcement d’une structure déformable constituée d’un jeu d’éléments (1, 1a, 1b) préalablement fabriqués et mis en forme qui sont destinés à être assemblés pour former ladite structure, caractérisé en ce qu’on apporte sur au moins l’un desdits éléments, par impression 3D sélective, une quantité de matière formant localement des zones de renfort (2). Figure de l’abrégé : Fig. 1 Procédé de renforcement local d’un composant structurel embouti de véhicule automobile et composant renforcé ainsi obtenu L’invention s’applique au domaine du renforcement des composants de la structure des véhicules automobiles susceptibles d’être déformés suite à des chocs. Plus précisément, l’invention concerne un procédé destiné à apporter localement, sur des parties embouties et déformables de composants ou de la caisse des véhicules automobiles, des moyens destinés à assurer une fonction de renfort et de rigidification. Il existe aujourd’hui différentes méthodes permettant de renforcer a posteriori une structure qui a été préalablement fabriquée et mise en forme (par emboutissage, pliage …) et, il est connu, notamment, de fixer un organe de renfort (par soudure, vissage, rivetage, …) sur cette structure. Une autre méthode consiste à fabriquer un insert indépendant destiné à hêtre intégré dans les parties creuses et vides de la structure emboutie afin d’éviter, ou tout au moins de limiter, sa déformation lors d’une sollicitation en flexion ou flambage local provoquées, notamment, par un choc. Une telle solution technique est utilisée, notamment, pour renforcer les brancards du châssis des véhicules automobiles (et, en particulier, ceux équipés d’une motorisation hybride rechargeable, du type PHEV, ou 100% électrique, du type BEV, qui est plus lourde que la motorisation thermique) afin d’éviter leur flambage et d’éventuelles intrusions dans l’habitacle en cas de choc frontal. Cette solution technique est toutefois onéreuse et laborieuse car l’insert est lui-même constitué de l’assemblage de plusieurs pièces et doit nécessairement comporter des interfaces spécifiques pour sa fixation sur la structure de la caisse. En outre, du fait de l’intégration de l’insert dont la masse n’est pas négligeable, cette solution entraîne une augmentation significative du poids du véhicule ce qui va à l’encontre des objectifs actuels d’allègement. La méthode dite de fabrication additive ou d’impression 3D permet de fabriquer des pièces mécaniques en utilisant, par exemple, la technique du DED (poudre ou fil) qui consiste à utiliser un laser ou un arc électrique pour faire fondre une poudre de métal ou un fil métallique, ou la technique WAAM au moyen d’un arc électrique ou d’un laser permettant de faire fondre une poudre ou un fil métallique. Toutefois, une telle méthode qui est décrite, notamment, dans le US20190210656A1, est généralement appliquée à la fabrication intégrale d’une pièce mécanique renforcée et non à l’apport, seulement sur une partie déformable de cette pièce, d’un moyen de renfort complémentaire. En effet, cette méthode conduit à réaliser une zone de renfort généralement trop étendue sur la structure alors que les zones déformables à consolider ne sont finalement que très locales. En outre, cette méthode ne peut être utilisée lorsque la structure est elle-même formée de l’assemblage de plusieurs éléments préfabriqués et emboutis. Par conséquent, l’enseignement de cet art antérieur n’est pas adapté à la réalisation des seuls moyens nécessaires pour renforcer localement les parties ou les éléments faiblement résistants de la structure. Dans ce contexte, l’invention vise à surmonter les problèmes techniques soulevés précédemment en proposant de renforcer sélectivement les zones déformables de la structure au moyen d’un apport de matière, déposé ou imprimé localement et de façon maîtrisée, sur les éléments constitutifs de cette structure, après que ces éléments ont été fabriqués et mis en forme de manière traditionnelle et avant leur assemblage pour former ladite structure. Le but de l’invention est atteint au moyen d’un procédé de renforcement de composants structurels constitués d’un jeu d’éléments au moins partiellement déformables préalablement fabriqués et mis en forme qui sont destinés à être assemblés pour former une structure, caractérisé en ce qu’on apporte sur au moins l’un desdits éléments, par impression 3D sélective, une quantité de matière formant localement des zones de renfort. Selon une caractéristique avantageuse, on apporte la quantité de matière sur au moins l’un desdits éléments à un emplacement tel que celle-ci se retrouve à l’intérieur de la structure après assemblage desdits éléments. Selon une autre caractéristique du procédé, il est prévu que la matière apportée ait une métallographie (acier ou aluminium) et des propriétés mécaniques compatibles avec la matière propre des éléments afin d’assurer une adhésion et une résistance mécanique optimales. Selon encore une autre caractéristique, on réalise l’apport de matière en laissant libre les accès de l’outillage destiné à l’assemblage ultérieur des éléments de la structure. Selon une première variante de mise en œuvre du procédé de l’invention, on apporte la quantité de matière sous forme d’au moins une nervure s’étendant sur au moins l’un des éléments dans le sens transversal par rapport à sa ligne de déformation et selon un plan orthogonal à sa courbure. Selon une autre variante de mise en œuvre du procédé, on apporte la quantité de matière sous forme d’une nervure s’étendant sur l’un seulement des éléments en formant trois tronçons continus, respectivement, un tronçon avant raidisseur, un tronçon intermédiaire anti-flambage et un tronçon arrière anti-flexion. Selon une caractéristique spécifique du procédé, on réalise la nervure sur chaque élément séparément, avant leur assemblage mutuel. Selon une variante spécifique, la nervure est réalisée sur le seul élément intérieur de l’assemblage. De préférence, ces nervures ont une épaisseur variable et, de préférence, croissante de leur base vers leur extrémité respective. Si la technologie utilisée le permet, il est alors possible de réaliser ces nervures avec une épaisseur constante. La hauteur des nervures est aussi paramétrable en fonction des zones sollicitées avec, par exemple, une hauteur plus importante uniquement dans les zones les plus chargées. Un autre objet de l’invention est un brancard de véhicule automobile renforcé au moyen du procédé défini ci-dessus, caractérisé en ce que l’apport de matière est réparti sur au moins l’un desdits éléments de façon sélective dans la zone déformable et sur la partie supérieure de sa paroi verticale. Encore un autre objet de l’invention est un véhicule automobile équipé d’un composant structurel formé de l’assemblage d’éléments constitutifs emboutis comportant des apports de matière de renfort réalisés au moyen du procédé présentant les caractéristiques définies ci-dessus. L’invention trouve ainsi une application particulièrement intéressante dans le domaine automobile pour le renforcement, soit de la structure en acier (ou en aluminium) du brancard situé dans la zone du tablier entre le bloc avant et l’habitacle, soit sur des pièces de liaison au sol comme, par exemple, le triangle de roue, mais aussi et plus généralement, à d’autres composants structurels du véhicule, comme le pied milieu que l’invention vise à renforcer vis à vis des chocs latéraux. L’invention répond à des besoins de plus en plus importants de renforcement local de la structure des véhicules pour satisfaire à plusieurs facteurs tels que la diversité de la chaîne de traction avec un effet induit sur la masse du véhicule (batteries pour motorisation hybride rechargeable ou 100% électriques PHEV/BEV) et donc sur la sévérité conséquente des impacts. En outre, la diversité des territoires de commercialisation des véhicules impose souvent des contraintes réglementaires ou des normes plus strictes pour la protection contre les chocs, comme c’est notamment le cas en Chine et aux USA. De manière générale, le procédé de l’invention permet de réduire le nombre de pièces utilisées pour renforcer les structures embouties et déformables tout en participant à l’effort d’allègement de cette structure. Avec ce procédé, l’apport de matière est précis, aisément reproductible et peut être automatisé. Ce procédé offre, en outre, une grande flexibilité et une meilleure optimisation de la conception du fait qu’il est possible de la différer jusqu’à une phase tardive du développement. En effet, avec le procédé de l’invention, il devient inutile de réaliser des inserts de renfort spécifiques, ou des outils de montage. La mise au point devient ainsi plus rapide et l’après-vente moins coûteuse car il n’y a plus de stock de pièces de renfort à gérer. Le procédé de l’invention bénéficie des techniques perfectionnées de la fabrication dite additive qui permet d’ajouter la juste quantité de matière nécessaire en fonction de la nature et de la localisation des besoins. En outre, l’invention n’ajoute à la structure à renforcer qu’un minimum de masse ce qui permet de répondre au besoin de renforcement en fonction des seules contraintes locales de rigidification sans alourdir ni complexifier la structure. Enfin, l’invention ne modifie en rien la fabrication des éléments constitutifs de la structure qui peuvent toujours être réalisés avec le même outil d’emboutissage. Par la suite, il suffira d’apporter sélectivement une quantité de matière appropriée dans les zones les plus déformables. D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description qui va suivre, en référence aux dessins annexés et détaillés ci-après. est un schéma illustrant à la fois un procédé selon l’art antérieur (méthode A en haut) et un mode de mise en œuvre préférentiel du procédé de l’invention (méthode B en bas) appliqué à un brancard de véhicule automobile. est une vue partielle de côté d’un brancard renforcé selon le procédé de l’invention. est un schéma illustrant à la fois un procédé selon l’art antérieur (méthode A en haut) et un mode de mise en œuvre préférentiel du procédé de l’invention (méthode B en bas) appliqué à un pied milieu. est une vue partielle de côté d’un élément intérieur de brancard renforcé selon une variante du procédé de l’invention. Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de référence identiques dans la description et sur les figures. Naturellement, les modes de mise en œuvre du procédé de l’invention illustrés par les figures présentées ci-dessus et décrites ci-après, ne sont donnés qu'à titre d’exemples non limitatifs. Il est explicitement prévu que l'on puisse proposer et combiner entre eux différents modes pour en proposer d'autres. L’invention concerne le domaine du renforcement de composants structurels emboutis. Plus précisément, l’invention s’intéresse à un procédé de renforcement local de composants ou de zones d’une structure déformable ou susceptibles d’être au moins partiellement déformée suite à un choc. En particulier, le procédé de l’invention a vocation à s’appliquer au renforcement de composants structurels constitués d’un jeu d’éléments 1, 1a, 1b préalablement fabriqués et mis en forme comme illustré par la (A et B) qui sont ensuite destinés à être assemblés pour former cette structure ( , A1 et B2). Une telle structure se trouve, notamment, sur les brancards en acier ou en aluminium des véhicules automobiles qui sont des corps creux en tôle emboutie situés dans la zone du tablier entre le bloc avant et l’habitacle. Le mode de réalisation de ces brancards qui est illustré par la (A et B) comprend ici deux éléments 1a, 1b complémentaires et destinés à être assemblés pour former la structure de ce brancard (gauche ou droit). Mais l’invention n’est pas limitée à une telle application car le procédé peut fort bien s’appliquer à toute autre partie de la caisse d’un véhicule exposée à des chocs sévères car des structures analogues se trouvent également sur des pièces de liaison au sol comme, par exemple, le triangle de roue, mais aussi sur d’autres composants du véhicule, comme le pied milieu. Les véhicules électrifiés (PHEV/BEV) sont équipés d’une motorisation qui est notablement plus lourde que la motorisation thermique et, en cas de choc frontal (ou latéral pour le pied milieu), les brancards présentent des risques importants de flambage susceptibles d’entraîner une intrusion dans l’habitacle. Un procédé connu est illustré par la (A2) et consiste alors à renforcer le brancard de la version thermique à l’aide d’un insert 11 en tôle d’acier introduit dans le corps creux du brancard. Un tel insert résulte lui-même de l’assemblage de trois pièces embouties en acier et est pourvu, de part et d’autre, d’organes latéraux de support en matière plastique (ces organes latéraux sont expansés grâce à un passage en cataphorèse). Ces organes sont destinés à venir en appui contre les parois verticales des éléments constitutifs 1a, 1b du brancard pour éviter qu’elles ne flambent lors de la forte sollicitation en flexion qui se produit généralement en cas de choc frontal. En effet, en l’absence d’insert, les parois verticales du brancard dont l’épaisseur est fine (de l’ordre de 2mm pour des raisons d’allègement), flamberaient en partie supérieure où s’exercent les efforts de compression et les risques d’intrusions dans l’habitacle augmenteraient alors en conséquence ce qui n’est pas acceptable pour des raisons évidentes de sécurité. L’invention vise à résoudre ce problème en proposant d’apporter, sur au moins l’un des éléments 1a, 1b constitutifs du brancard (gauche et droit), une quantité de matière formant localement des zones de renfort. Plus précisément, le procédé de l’invention prévoit de réaliser cet apport par une technique d’impression 3D sélective in situ. Le procédé de l’invention permet ainsi d’ajouter de la matière seulement dans les zones qu’il s’avère nécessaire de renforcer pour maîtriser les contraintes de déformation susceptibles d’apparaître en cas d’impact sur la structure sans l’alourdir de façon préjudiciable pour autant. Dans le mode de mise en œuvre du procédé illustré par la (B1), on apporte cette quantité de matière sur la paroi en tôle de chaque élément 1a, 1b, pris séparément et avant leur assemblage mutuel qui formera ultérieurement la structure du brancard. La matière est ici mise sous forme d’au moins une nervure 2 et, de préférence, d’une série de plusieurs nervures s’étendant dans le sens transversal par rapport à la ligne de déformation des éléments 1a, 1b et en suivant la courbure coudée du brancard. Plus précisément, les nervures 2 s’étendent de manière radiale et orthogonale à la courbure du brancard. Selon l’invention, ces nervures 2 sont réalisées in situ par impression 3D avec une matière ayant une métallographie et des propriétés mécaniques compatibles avec la matière propre (tôle d’acier) des éléments 1a, 1b afin d’assurer une adhésion fiable sur la paroi des éléments et une résistance mécanique optimale. Les nervures peuvent être réalisées par un dépôt de matière et soudées sur la tôle verticale des éléments 1a, 1b grâce à des techniques d’impression 3D telles que WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing) ou DED (Directed Energy Deposition) ou toutes autres technologies, en utilisant un laser couplé à une buse K de projection de poudre d’acier, comme illustré sur la (B1). Bien que le procédé de l’invention offre une grande liberté de forme et de géométrie, selon une variante de réalisation, les nervures 2 ont de préférence une épaisseur croissante de leur base qui est solidaire des parois verticales des éléments 1a, 1b du brancard vers leur extrémité respective. Elles permettent ainsi de stabiliser la section creuse du brancard et de contrer le flambage de ses parois en présence d’efforts de flexion provoqués par un impact à l’avant du véhicule. Ces nervures étant réalisées avec un faible apport de matière, le surplus de masse créé est négligeable. Dans le but d’optimiser l’efficacité des nervures 2, selon un premier mode de réalisation, leur arrangement sur les éléments 1a, 1b a été déterminé par un calcul effectué à partir de la structure sans renforcement. Il ressort de ces calculs que les nervures doivent satisfaire les conditions suivantes ; une répartition homogène d’au plus 10 nervures adjacentes, radiales et orthogonales à la courbure du brancard dans sa zone de flambage, un positionnement dans la partie supérieure de la paroi verticale du brancard et à proximité des trous 10 fonctionnels ( ), une hauteur de l’ordre de 30mm à 40mm, une largeur de l’ordre de 15mm et une épaisseur croissante, de la base vers l’extrémité. Grâce à un tel arrangement, le procédé de l’invention appliqué à un brancard de véhicule automobile permet d’obtenir un gain de masse d’environ 1kg. Du fait que la structure du brancard est ici formée d’un corps creux, la quantité de matière, matérialisée par les nervures 2, est apportée sur les éléments 1a, 1b à un emplacement tel que cette matière se retrouve à l’intérieur du corps après assemblage des éléments 1a, 1b, comme illustré sur la (B2). En effet, si les nervures devaient se trouver à l’extérieur du corps creux après assemblage, elles se trouveraient alors nécessairement dans la partie inférieure des parois car on ne pourrait pas les réaliser dans la partie supérieure (zone où sont pourtant localisées les déformations) du fait de la proximité de la buse K avec le bord tombé de la tôle et, dans ces conditions, les nervures n’auraient aucune efficacité. De préférence, on réalisera l’apport de matière des nervures 2 en laissant libre les accès de l’outillage destiné à l’assemblage ultérieur des éléments 1a, 1b de la structure et, notamment, les pinces réalisant les points de soudure entre les éléments. La est un schéma illustrant une variante d’utilisation du procédé l’invention appliqué ici à un pied milieu 1 pour renforcer sa structure vis-à-vis de chocs latéraux sur le véhicule. De manière traditionnelle, la structure du pied 1 est pourvue d’un insert 11 logé dans sa partie supérieure comme illustré par la (A). L’invention vise à remplacer cet insert par des nervures 2 réalisées, comme pour les autres modes de mises en œuvre précédemment décrits, par impression 3D. Sur la (B1) le pied est pourvu d’une seule nervure 2 tandis que sur la (B2), le pied est pourvu de deux nervures 2a, 2b de plus faible épaisseur. La illustre un second mode de mise en œuvre du procédé de renforcement de l’invention selon lequel on apporte la quantité de matière sous forme d’une nervure 2 s’étendant sur la face intérieure du seul élément 1b du brancard qui est ici l’élément situé du côté intérieur du brancard (gauche ou droit). Cette nervure est formée ici de trois tronçons continus, respectivement, un tronçon avant 2a raidisseur, un tronçon intermédiaire 2b anti-flambage et un tronçon arrière 2c anti-flexion. Plus précisément, le tronçon avant 2a s’étend de façon sensiblement rectiligne et radiale ou orthogonale et permet de bloquer la propagation vers l’arrière d’un pli susceptible d’apparaître à l’avant du brancard, suite à un choc frontal sur le véhicule. Le tronçon intermédiaire 2b situé dans la partie centrale de l’élément est réalisé sous forme de vagues ou de créneaux en pleine tôle. Ce tronçon 2b est destiné à empêcher la paroi de l’élément de « poumonner » lorsqu’elle est soumise à des sollicitations transversales dues à l’appui de la liaison avec le berceau. Le tronçon arrière 2c s’étend, quant à lui, dans la direction longitudinale et exerce une action de raidisseur pour éviter, à la fois, toute flexion du bord supérieur de l’élément à la partie arrière du brancard et la formation de plis lorsque sa paroi est soumise à des sollicitations en réaction à une poussée s’exerçant depuis l’avant. De préférence, l’épaisseur de cette nervure est constante et égale à 3mm tandis que sa hauteur varie de 10mm pour le tronçon avant 2a à 15 mm pour le tronçon arrière 2c. Le tracé, le profil et la géométrie de cette nervure 2 sont aussi choisis de façon à ne pas rencontrer les points de soudure 11 nécessaires à la fixation d’autres composants. Procédé de renforcement de composants structurels constitués d’un jeu d’éléments au moins partiellement déformables (1, 1a, 1b) préalablement fabriqués et mis en forme qui sont destinés à être assemblés pour former une structure, caractérisé en ce qu’on apporte sur au moins l’un desdits éléments, par impression 3D sélective, une quantité de matière formant localement des zones de renfort (2). Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’on apporte la quantité de matière sur au moins l’un des éléments (1a, 1b) à un emplacement tel que celle-ci se retrouve à l’intérieur de la structure après assemblage desdits éléments. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la matière apportée a une métallographie et des propriétés mécaniques compatibles avec la matière propre desdits éléments (1a, 1b) afin d’assurer une adhésion et une résistance mécanique optimales. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’on réalise l’apport de matière en laissant libre les accès de l’outillage destiné à l’assemblage ultérieur desdits éléments de la structure. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’on apporte la quantité de matière sous forme d’au moins une nervure (2) s’étendant sur au moins l’un desdits éléments (1a, 1b) dans le sens transversal par rapport à sa ligne de déformation et selon un plan orthogonal à sa courbure. Procédé selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en qu’on apporte la quantité de matière sous forme d’une nervure (2) s’étendant sur l’un seulement des éléments (1b) en formant trois tronçons continus, respectivement, un tronçon avant raidisseur, un tronçon intermédiaire anti-flambage et un tronçon arrière anti-flexion. Procédé selon l’une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce qu’on réalise la nervure (2) sur chaque élément (1a, 1b) séparément, avant leur assemblage mutuel. Procédé selon l’une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que lesdites nervures (2) ont une épaisseur croissante de leur base vers leur extrémité respective. Brancard de véhicule automobile renforcé au moyen du procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’apport de matière est réparti sur au moins l’un desdits éléments (1a, 1b) de façon sélective dans la zone déformable et sur la partie supérieure de sa paroi verticale. Véhicule automobile équipé d’un composant structurel formé de l’assemblage d’éléments constitutifs emboutis (1a, 1b) comportant des apports de matière de renfort (2) réalisés au moyen du procédé selon l’une des revendications 1 à 7.