Brevet FR3124099A1 — publié le 20221223

La présente invention concerne un procédé pour la maîtrise des déformations générées par l’élévation de la température d’une pièce mécanique (1) de faible épaisseur lors d’un apport de matière (2) de renfort sur une face (1a) de cette pièce par impression 3D, caractérisé en ce qu’on réalise, par impression 3D sur la face opposée (1b) de ladite pièce et préalablement à l’apport (2) de matière de renfort sur l’autre face (1a), au moins une surépaisseur (3) de matière destinée à compenser les futures déformations générées par l’élévation de température subséquente, ainsi qu’une pièce mécanique mince renforcée obtenue par ledit procédé. Figure de l’abrégé : Fig. 1 Procédé pour la maîtrise des déformations générées lors du renforcement de pièces minces par fabrication additive et pièce ainsi obtenue L’invention s’applique au domaine général du renforcement de pièces mécaniques préalablement réalisées et mises en forme et destinées à être ultérieurement renforcées par fabrication additive. Plus précisément, l’invention concerne un procédé destiné à maîtriser et à compenser les déformations susceptibles d’apparaître sur une pièce support de faible épaisseur, lors de l’opération consistant à lui apporter localement une quantité de matière destinée à assurer une fonction complémentaire de renfort. Il existe aujourd’hui différentes méthodes permettant de renforcer, a posteriori, une pièce préalablement réalisée et mise en forme (emboutissage, pliage …) et, il est connu, notamment, de souder ou d’apporter par impression 3D, un élément de renfort sur une zone particulière de la pièce. Cette méthode, dite de fabrication additive, permet d’optimiser la masse de matière ajoutée sur la pièce support dans le cadre d’une recherche globale de l’allègement des pièces mécaniques et, plus généralement, des véhicules automobiles. Une telle méthode est mise en œuvre en faisant fondre, par exemple, une poudre de métal ou un fil métallique au moyen de la technique dite du DED qui utilise un laser, ou de la technique dite WAAM (pour Wire Arc Additive Manufacturing) qui utilise, quant à elle, un arc électrique. Toutefois, l’apport de matière par impression 3D s’accompagne d’une élévation très importante de la température sur la pièce support. Or, cet apport de chaleur, qui est inévitable et inhérent au choix de la méthode utilisée, engendre des déformations préjudiciables aux opérations d’assemblage de cette pièce avec les pièces environnantes. Lorsque la pièce support présente une épaisseur significative, la solution utilisée consiste alors à la brider lors de l’impression, mais il n’existe pas de garantie que la pièce ne se déformera pas quand même après desserrage et disparition des contraintes. Une autre solution consiste à brider la pièce sur un outil la contraignant à se déformer dans le sens opposé à celui de la déformation générée par l’apport de chaleur lors de l’impression. Mais, la mise au point de cette solution est difficile et la dispersion géométrique est élevée. Une telle méthode destinée à renforcer une pièce support par un procédé de fabrication additive du type WAAM est décrite, notamment, dans la demande de brevet EP3766604A1. Cependant, cette dernière méthode n’est pas adaptée à la réalisation de zones de renfort sur des pièces support de faible épaisseur (de quelques mm), telles que des pièces de tôlerie, qui sont très sensibles aux température élevées situées dans les plages inhérentes aux techniques d’impression 3D. Dans ce contexte, l’invention vise à surmonter les problèmes techniques posés par les méthodes précédemment utilisées en intégrant, sur la pièce support et préalablement à la réalisation des zones de renfort par fabrication additive, des moyens destinés à compenser ultérieurement les déformations crées par l’apport de chaleur. Ce but est atteint, selon l’invention, au moyen d’un procédé pour la maîtrise des déformations générées par l’élévation de la température d’une pièce mécanique de faible épaisseur lors d’un apport de matière de renfort sur une face de cette pièce par impression 3D, caractérisé en ce qu’on réalise, par impression 3D sur la face opposée de ladite pièce et préalablement à l’apport de matière de renfort, une surépaisseur de matière destinée à compenser les futures déformations générées par l’élévation de température subséquente. Selon une caractéristique du procédé de l’invention, on adapte la géométrie, les dimensions et la position de la surépaisseur de compensation sur ladite pièce de telle sorte que les déformations créées par ladite surépaisseur compensent exactement les déformations générées par l’apport ultérieur de matière destiné à renforcer ladite pièce. Selon un mode préférentiel de mise en œuvre du procédé de l’invention, la surépaisseur de compensation est réalisée sous forme d’au moins un cordon de rigidification. Selon une première variante, la surépaisseur de compensation est constituée de deux cordons sensiblement parallèles s’étendant de part et d’autre sous l’apport de matière de renfort. Selon une autre variante, la surépaisseur de compensation est constituée d’un cordon continu s’étendant sous la zone de l’apport de matière de renfort et entourant au moins partiellement ladite zone. Selon d’autres variantes de mise en œuvre, la surépaisseur de compensation est réalisée, soit par la technique DED au moyen d’un laser, soit par la technique de WAAM au moyen d’un arc électrique. Selon une autre caractéristique du procédé de l’invention, on adapte les dimensions et la position de la surépaisseur de compensation en fonction de la quantité et de la position ultérieure de l’apport de matière destiné à renforcer ladite pièce. Un autre objet de l’invention est une utilisation du procédé tel que défini ci-dessus pour renforcer une pièce mécanique de véhicule automobile par fabrication additive sans déformation. Encore un autre objet de l’invention est une pièce mécanique mince renforcée obtenue par le procédé défini ci-dessus. Un dernier objet de l’invention est un véhicule automobile comprenant des pièces mécaniques réalisées au moyen du procédé présentant les caractéristiques définies ci-dessus. Le procédé de l’invention permet de renforcer des pièces mécaniques par fabrication additive sans que l’apport de chaleur accompagnant l’apport de matière par l’impression 3D ne provoque de déformations, en particulier, sur des pièces de faibles épaisseurs, telles que des pièces de tôlerie. L’invention revient ainsi à déformer la pièce support de façon anticipée en réalisant une surépaisseur sur la partie ou la face de la pièce opposée à celle qui sera ultérieurement sujette aux déformations. Après apport des éléments de renfort sur la pièce support par fabrication additive et refroidissement, les contraintes résiduelles générées par cette dernière opération seront compensées par les surépaisseurs préalablement réalisées et permettront à la pièce de retrouver sa géométrie initiale et les propriétés mécaniques attendues. En outre, l’invention ne prévoit d’ajouter au corps de la pièce support, à préparer en vue de son renforcement ultérieur, qu’un minimum de masse, par exemple sous forme d’au moins un cordon, ce qui permet de profiter d’une grande liberté de forme pour s’adapter de façon optimale aux futurs éléments de renfort. Le procédé de l’invention bénéficie de l’apport des techniques perfectionnées de la fabrication dite additive qui permet de réaliser les surépaisseurs de compensation selon des profils variés et en ajoutant la juste quantité de matière nécessaire en fonction de la nature et de la localisation des besoins. Le procédé de l’invention permet de maîtriser et de neutraliser les déformations induites par l’opération de fabrication additive. Enfin, l’invention offre une mise au point plus rapide et plus simple car elle permet de s’affranchir de l’utilisation laborieuse d’outils de bridage. Elle permet de gérer plus facilement la diversité de conception des pièces en évitant les dispersions géométriques excessives qui génèrent des surcoûts. 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 une vue schématique d’une pièce support préparée au moyen d’un premier mode de mise en œuvre du procédé de l’invention et pourvue d’un élément de renfort selon l’art antérieur. est une vue schématique d’une pièce support préparée au moyen d’un second mode de mise en œuvre du procédé de l’invention et pourvue d’un élément de renfort selon l’art antérieur. est une vue schématique d’une pièce support préparée au moyen d’un troisième mode de mise en œuvre du procédé de l’invention et pourvue d’un élément de renfort selon l’art antérieur. est une vue schématique d’une pièce support préparée au moyen d’un quatrième mode de mise en œuvre du procédé de l’invention et pourvue d’un élément de renfort selon l’art antérieur. 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 pièces mécaniques embouties et de faible épaisseur. Plus précisément, l’invention s’intéresse à un procédé pour la maîtrise des déformations induites par l’apport de chaleur accompagnant la pose d’un élément de renfort local au moyen d’une impression 3D. La représente, de façon schématique, un exemple de pièce mécanique constituée d’une plaque mince 1 de base en acier présentant deux faces 1a, 1b et dont l’épaisseur est de quelques millimètres. Cette pièce 1 est mise en forme par emboutissage ou pliage et est susceptible de présenter, lorsqu’elle est en fonction, des contraintes locales de fatigue nécessitant l’apport d’un élément de renfort. L’élément de renfort est généralement réalisé sur la face 1a (ici la face de dessus) de la pièce mince 1 au moyen d’une méthode consistant à déposer, in situ à l’emplacement de la zone à renforcer, une quantité de matière formant localement une nervure 2. Cette méthode, dite de « fabrication additive », fait appel de manière traditionnelle à des techniques d’impression 3D utilisant une source de chaleur pour faire fondre une poudre de métal ou un fil métallique, telles que la DED (poudre ou fil) utilisant un laser, ou la technique WAAM utilisant un arc électrique. De manière générale, les dimensions de la nervure 2 sont adaptées en fonction des contraintes de fatigue attendues sur le corps de la pièce support 1. Par cette méthode, il est ainsi possible d’ajouter de la matière seulement dans les zones où il s’avère nécessaire de renforcer la pièce 1 de façon à diminuer les contraintes et les risques de rupture associés sans l’alourdir de manière préjudiciable. Toutefois, cette méthode, bien qu’avantageuse, s’accompagne nécessairement d’une élévation très importante de la température de la pièce qui génère, par la suite, des déformations rémanentes et préjudiciables au comportement mécanique attendu. L’invention a pour but de maîtriser et de neutraliser ces déformations en réalisant, avant même l’opération de renfort, un apport préliminaire de matière sous forme d’au moins une surépaisseur 3 (dite de compensation) sur la pièce mince 1 de support. Cette surépaisseur obtenue par un apport préalable de matière est réalisée dans une zone de la face 1b située en opposition par rapport à la face 1a où sera ensuite effectué l’apport de matière de renfort, de façon à compenser les futures déformations générées par l’élévation de température subséquente. Comme illustré par la , cette surépaisseur 3 de compensation est réalisée sur la face opposée 1b de la pièce mince 1 (ici la face de dessous) et préalablement à l’apport 2 de matière de renfort sur l’autre face 1a. Cette surépaisseur est, de préférence, sous forme d’au moins un cordon de rigidification. Ainsi, le procédé de l’invention revient à déformer la pièce support 1 de façon anticipée en réalisant, par impression 3D, une surépaisseur 3 sur la face 1b de la pièce 1 opposée à la face 1a qui sera ultérieurement renforcée. Après apport des éléments de renfort sur la pièce support 1 par fabrication additive et refroidissement, les contraintes résiduelles générées par cette dernière opération seront compensées par les contraintes préliminaires liées au dépôt de la surépaisseur 3. La présence de cette surépaisseur 3 permet à la pièce 1, après son renforcement, de retrouver sa géométrie initiale et les propriétés mécaniques attendues. La géométrie (le profil rectiligne, courbe, …), les dimensions (et, par exemple, le nombre de cordons) ainsi que la position de la surépaisseur 3 de compensation sont adaptées sur la pièce 1 de telle sorte que les déformations, créées par cette opération préliminaire d’impression 3D, compensent exactement les déformations générées par l’apport ultérieur 2 de matière de renfort. Cette adaptation pourra être réalisée, soit par itérations numériques, soit par essais successifs. Dans la variante illustrée par la , la surépaisseur 3 de compensation est constituée de deux cordons 3a, 3b sensiblement parallèles s’étendant de part et d’autre sur la face 1b, sous la zone de l’apport 2 de matière de renfort. Dans la variante illustrée par la , la surépaisseur 3 de compensation est constituée d’un cordon continu s’étendant sur la face 1b, sous la zone de l’apport 2 de matière de renfort et entourant complétement cette zone. Dans la variante illustrée par la , la surépaisseur 3 de compensation est encore constituée d’un cordon continu s’étendant sur la face 1b, sous la zone de l’apport 2 de matière de renfort, mais n’entourant que partiellement cette zone. Selon les modes de mise en œuvre préférentiels du procédé de l’invention, cette surépaisseur de compensation est réalisée, soit par une technique DED (poudre ou fil) au moyen d’un laser, soit par une technique WAAM, dans des conditions sensiblement analogues à celles de l’opération ultérieure de renfort. Les dimensions et la position du cordon 3 de compensation sont adaptées en fonction de la quantité et de la position de nervure 2 destinée à être réalisée ultérieurement sur la pièce support 1. Procédé pour la maîtrise des déformations générées par l’élévation de la température d’une pièce mécanique (1) de faible épaisseur lors d’un apport de matière (2) de renfort sur une face (1a) de cette pièce par impression 3D, caractérisé en ce qu’on réalise, par impression 3D sur la face opposée (1b) de ladite pièce et préalablement à l’apport (2) de matière de renfort sur l’autre face (1a), au moins une surépaisseur (3) de matière destinée à compenser les futures déformations générées par l’élévation de température subséquente. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’on adapte la géométrie, les dimensions et la position de la surépaisseur (3) de compensation sur ladite pièce (1) de telle sorte que les déformations créées par ladite surépaisseur compensent exactement les déformations générées par l’apport (2) ultérieur de matière destiné à renforcer ladite pièce. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite surépaisseur (3) de compensation est sous forme d’au moins un cordon de rigidification. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ladite surépaisseur (3) de compensation est constituée de deux cordons sensiblement parallèles s’étendant de part et d’autre sous la zone de l’apport (2) de matière de renfort. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la surépaisseur (3) de compensation est constituée d’un cordon continu s’étendant sous la zone de l’apport (2) de matière de renfort et entourant au moins partiellement ladite zone. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite surépaisseur (3) de compensation est réalisée par la technique DED au moyen d’un laser. Procédé selon l’une des revendication 1 à 5, caractérisé en ce que ladite surépaisseur (3) de compensation réalisée par la technique de WAAM au moyen d’un arc électrique. Utilisation du procédé selon l’une des revendications précédentes pour renforcer une pièce mécanique de tôlerie de véhicule automobile par fabrication additive sans déformation. Pièce mécanique mince renforcée obtenue au moyen d’un procédé selon l’une des revendications 1 à 7. Véhicule automobile comprenant des pièces mécaniques réalisées au moyen du procédé selon l’une des revendications 1 à 7.