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Depuis plusieurs années, les processus de fabrication sont progressivement automatisés pour améliorer leur répétabilité et leur reproductibilité. Parallèlement, des optimisations sont apportées afin d’améliorer la robustesse des procédés, pour limiter l’impact des variabilités des paramètres du processus sur la qualité finale de la pièce. Sur des petites séries, comme cela est le cas dans le secteur aéronautique par exemple, cette démarche d’automatisation et d’amélioration de la robustesse n’est pas nécessairement rentable. En effet, même si les gammes sont rigoureusement préparées en bureau des méthodes, la production reste majoritairement tributaire du savoir-faire des opérateurs. Pourtant, les accréditations qualité comme NADCAP (National Aerospace and Defense Contractors Accreditation Program) demandent à tracer le respect des procédures. Or cette demande de traçage qualité est peu compatible avec un processus où les prises de décision de l’opérateur jouent un rôle majeur. Ces dernières années, avec l’apparition des concepts de l’usine du futur (tels que la personnalisation de masse, la robotisation des procédés, l’acquisition et le traitement d’un grand nombre d’informations, le développement des jumeaux numériques, etc.), l’enjeu est de pouvoir apporter de la flexibilité et de la robustesse particulièrement adaptées à la petite série. Dans ce contexte, le Laboratoire de Conception – Fabrication – Commande (LCFC) à Metz, avec son partenaire le CETIM, dans le cadre du laboratoire commun, le Laboratoire de Mise en Forme des Matériaux (LaMFM) ont, entre autres, pour préoccupation d’industrialiser ces concepts dans les entreprises de forge et de mise en forme de la matière. Dans ce cadre, un projet de thèse sur la création d’un jumeau numérique pour le pilotage d’une opération de forgeage en énergie a démarré en octobre 2021.

Les travaux présentés ici visent à modéliser le comportement dynamique des machines de forgeage, afin de considérer à terme, l’influence du comportement des machines sur le procédé. Pour se faire, l’étude se limite au cas des machines pilotées en énergie, et l’ensemble {machine + outillages} est considéré. De plus, les modèles développés s’attachent à modéliser le comportement de l’ensemble uniquement pendant la phase de frappe. L’objectif est de rendre les simulations plus prédictives en intégrant l’efficacité de la machine. Ces avancées auront pour conséquence une meilleure connaissance du chemin thermomécanique subi par la pièce dès la simulation. Ce qui contribuera à l’optimisation des gammes de forgeage pour la maîtrise de la microstructure des matériaux et de la qualité des pièces forgées.

L'économie d'énergie est devenue un véritable enjeu dans la gestion des procédés et a conduit à l'analyse de la consommation d’énergie des machines de forgeage, et ce à des fins d'optimisation. Dans ses travaux, on s’intéresse à la quantité et à la façon dont l'énergie est dissipée par une presse à vis lors d’opérations de forgeage de produits massifs. Un modèle masse-ressort-amortisseur, image du système composé de la machine et de ses outils, est associé au modèle rhéologique du matériau à déformer pour décrire les opérations de forgeage avec ce système de production. Le modèle du système machine-outil est ici caractérisé uniquement pour la phase de forgeage. Les paramètres du modèle sont identifiés grâce à des mesures expérimentales de plusieurs variables du processus lors d'une frappe à vide, c’est-à-dire outil contre outil, sans lopin. Ainsi, les paramètres identifiés sont spécifiquement adaptés au système machine-outil étudié. Ensuite, les prédictions du modèle sont validées par des essais de refoulement de cylindres de cuivre à froid. Le modèle prédit avec précision les variables du processus forgeage pour des frappes consécutives. La diminution de l'efficacité du processus ainsi que la transition de chocs inélastiques vers des chocs élastiques, après plusieurs frappes sur une même pièce sont également prédites par le modèle. Cette méthode offre une nouvelle solution dédiée qui permet aux forgerons de prévoir la quantité d'énergie de forgeage dissipée par leurs machines. L'approche développée dans cet article concerne une presse à vis mais peut être transférée à d'autres machines pilotées en énergie, comme les marteaux pilons.

In the aeronautical sector, because parts are mainly of large dimensions and in high performance materials, products are forged in small batches. Forming these complex parts requires energy-controlled production means, such as screw presses or, more generally, forging hammer. With these machines, several successive strokes are necessary to obtain the parts desired geometry and mechanical characteristics. However, for these small quantities, the automation of the manufacturing process is not necessarily possible or profitable and consequently, the control of the machine remains dependent on the know-how of the operators, in particular with regard to the quantity of energy to be delivered blow after blow, the temperature, the lubrication conditions, etc. The main challenge is to provide flexibility and robustness particularly adapted to small batches, thus limiting the impact of process parameters variability on the part final quality. To reach that goal, the implementation of a digital twin is proposed. The objective of the project is to develop a digital twin in the context of forming materials on an energy-controlled screw press. The scientific challenge is to obtain an accurate, predictive and reactive twin that will allow real-time control of the process as well as access to information that cannot be measured during the manufacturing process. A methodology for the creation of a predictive meta-model based on a calibrated numerical simulation and updated by machine learning is proposed. This meta-model will compose the digital twin. Our approach is validated on a case study: the uni-axial compression of a copper cylinder. Finally, the following development phases of the digital twin are presented.

De nos jours, les simulations numériques sont de plus en plus utilisées dans l’industrie de la forge, et leur prédictibilité est validée grâce à des comparaisons avec des campagnes expérimentales. Il arrive cependant parfois que les résultats expérimentaux et numériques soient significativement différents. Dans ce contexte se sont bien souvent les modèles numériques implémentés dans les simulations qui sont tenus pour responsables des divergences avec les résultats expérimentaux. Les résultats issus de l’expérience peuvent toutefois également être discutés et remis en cause. Selon les conditions opératoires, ou le type de capteur utilisé, les résultats mesurés peuvent être différents. Sans compter que l’intégration de capteurs pour surveiller des procédés de forgeage, n’est pas aisée puisque que les capteurs peuvent être exposés à des conditions extrêmes en termes de vitesses, d’efforts appliqués, de hautes températures, de rayonnement… Dans cette étude, les valeurs de déplacement de l’outil supérieur d’une machine de forgeage et de l’effort appliqué, sont mesurées par différents capteurs et sont comparées. Les avantages des différentes technologies de capteur sont discutés dans le cas de procédé de forgeage à chaud mis en œuvre avec des machines pilotées en énergie. institut Carnot

The increasing use of superalloys in the forging industry induces the development of new manufacturing processes. These new processes are set up thanks to Finite Element simulation. But regarding the prediction of the energy required to form a part in superalloys, significant differences are observed between numerical and experimental results. In our vision, this can be explained by the fact that forging machines models implemented in Finite Element software are not enough detailed. Thus, this study focuses on the particular case of a forging machine limited in energy: a screw press. This work is a first step toward a complete and detailed modelling of the screw press. To begin, a purely static elastic model of the press uprights has been developed, and this model was validated by comparison with a Finite Element model of the uprights. Then, this Finite Elements model has been made more complex by adding the cross-head of the press. This model has been validated thanks to experiences carried out with the help of a 3D tracking points system, allowing us to analyze the press behavior during blows. Région Grand Est Manoir Industrie Bouzonville

The increasing use of superalloys in the industry brings new issues to forging manufacturers concerning Finite Element analysis of the forming process. Once we consider high performing materials, significant differences can occur between numerical and experimental results. The lack of knowledge about materials and thermal exchanges explains a part of these differences but it has been shown that the machine behavior has a significant impact on the forging process. Press modelling is a way to quantify the energy dissipated in the machine structure and improve simulations. This study is a first step in the screw press modelling. Starting from an approximation of the press geometries, a purely static elastic (PSE) model is developed and a numerical simulation considering only uprights is performed. Uprights stiffness predictions from the PSE model and the FE simulation are compared and the PSE model is validated. Then, the press is approximated by a portal frame and FE simulation is realized to determined uprights stiffness by considering links effects and bending behaviors in the structure. Comparison with experimental results validates the approximation. région Grand Est Manoir Industrie Bouzonville

Colloque avec actes et comité de lecture. Internationale.; International audience; L'industrie de la forge utilise de plus en plus la simulation numérique, et notamment le logiciel Eléments Finis Forge®, et ce pour répondre à 3 objectifs principaux: prédire la casse des outillages, prédire la quantité d'énergie nécessaire pour arriver à la mise en forme souhaitée d'une pièce et prédire le chemin thermomécanique adéquat pour obtenir une microstructure finale optimale. Actuellement la simulation numérique permet de bonnes prédictions pour ce qui concerne la mise en forme de matériaux couramment utilisés comme les aciers. Mais pour rester compétitives les forges ne peuvent plus se permettre de forger uniquement des aciers et doivent innover notamment en mettant au point des procédés de forgeage pour des matériaux à haute valeur ajoutée. Or pour la mise en forme de ces nouveaux matériaux à hautes performances, des différences significatives sont observées entre les prédictions obtenues par simulation et les résultats de l'expérimentation. Notamment pour ce qui concerne la prédiction de l'énergie nécessaire à la mise en forme d'une pièce. Cette étude cherche donc à comprendre d'où vient cette disparité entre les résultats numériques et expérimentaux, dans le cas particulier des presses à vis. Pour cela, la première étape est d'abord de bien comprendre le fonctionnement des presses à vis, mais aussi de comprendre le modèle de presse à vis implémenté dans le logiciel Forge. Des résultats expérimentaux d'essais de refoulement dans 2 cas distincts sont ensuite comparés aux résultats obtenus par simulation numérique des mêmes essais. Des différences significatives apparaissent, et la nécessité de la définition de raideur de presse est mise en évidence. Deux méthodes ont été mise en ?uvre pour déterminer la raideur de presse, une théorique et une expérimentale. Pour la méthode expérimentale des outils d'acquisition extérieurs comme une caméra rapide et un système de suivi de points dans l'espace ont été utilisé pour capter le comportement de la presse lors des frappes. Les valeurs des raideurs obtenues sont finalement comparées.

Colloque avec actes et comité de lecture. Internationale.; International audience; Le traitement thermique est utilisé dans l'industrie automobile afin d'améliorer les propriétés mécaniques des pièces fabriquées. Ainsi appliqué après usinage, il augmente la dureté en surface des pièces mais a pour effet secondaire de conduire à des déformations géométriques. Dans le cas des dentures de boîtes de vitesses où les précisions géométriques exigées sont fortes, de telles déformations peuvent conduire à des non-conformités des pièces après traitement thermique. La littérature scientifique et les retours d'expérience industriels montrent que les paramètres du traitement thermique influent sur ces déformations, mais pas seulement. En effet, l'ensemble de la gamme de fabrication en amont du traitement thermique joue un rôle dans l’apparition des défauts. L'objectif des travaux engagés sur une ligne de fabrication industrielle Renault vise à déterminer expérimentalement l'influence de chaque étape de fabrication en amont du traitement thermique sur les déformations des dentures. Pour cela, une méthode est proposée sur les principes de neutralisation des contraintes résiduelles et de comparaison entre différents lots expérimentaux ayant une histoire mécanique différente. Les résultats permettent ainsi de relier chaque type de déformation sur les paramètres géométriques de la denture à une ou plusieurs étapes de fabrication en particulier. En conséquence, lorsqu'une dérive sur le procédé de fabrication est détectée sur un critère denture spécifique, la méthode ainsi développée permet de diagnostiquer l'origine d'un tel défaut au sein de la gamme de fabrication en amont. De cette façon, les actions curatives peuvent être mises en place plus rapidement et plus efficacement.

La démarche de " Prévention intégrée" consiste à appliquer au plus tôt des principes de conception sûre en termes de sécurité des opérateurs d'équipements de travail. Malgré les avancées en termes de connaissances et de méthodologies sur le processus et l'activité de conception, d' un dispositif normatif de plus en plus complet, on constate que la mise en pratique de cette démarche de prévention est encore très imparfaite. En effet, faute de moyens formels et d'outils, les concepteurs, qui ne sont pas des spécialistes de la "prévention ", ne savent pas définir ce qui est applicable et à quel moment sans pénaliser les coûts et délais de leurs projets. Afin de répondre à ces objectifs, un prototype logiciel (MOSTRA) utilisant un PLM du commerce a été développé par l'INRS. Les retours d'expérience de la mise en oeuvre de ce modèle ont permis d'en montrer les limites, notamment vis-à-vis de l'aspect dynamique du processus de conception. Afin de pallier à ces difficultés, il a été envisagé d'exploiter le modèle MOSTRA, via l'intermédiaire des outils usuellement utilisés dans les différentes phases du processus de conception et connus des bureaux d'études puis de proposer une démarche de conception intégrant ces outils. Il a été proposé à un groupe d'étudiants l'étude de conception d'un dispositif de protection pour une scie à ruban alimentaire afin de concrétiser l'analyse et de valider la démarche proposée en conception détaillée. Cet article présente le contexte et les principaux résultats obtenus.

International audience; We present a mathematical method for identifying, separating and quantifying the 3D significant distortions. Measurement of a gas quenched C-ring type sample is performed by a Coordinate Measuring Machine (CMM). Quenching simulation is done with the commercial software Forge 2008 TTT. After comparisons, we notice that the distortions and their tendencies are the same but not exactly the amplitudes. We only focus on distortions which have a physical origin, like the pincers opening, often observed in the literature. As a first explanation, we underline the role of phase transformations and volume dilatation of the steel during quenching.

Heat treatments could create local or global distortions on workpieces. Finishing operations, often costly, are then necessary to respect the required functional tolerances. In the long term, our objective is to optimize first, steel grade and heat treatment, then to adjust the numerical simulation models. In that way, the heat treatment distortions on C-ring test parts obtained for an ASCOMETAL steel grade, vertically gas quenched are qualified and quantified by a dimensional analysis. In this article, we focus on part measurement and data processing strategies. Then we present an approach to correlate the experimental results with simulations ones.

Certains traitements thermiques génèrent sur les pièces mécaniques des déformations, locales ou globales, plus ou moins importantes selon le traitement et la nuance d'acier utilisés. Des opérations de finition, souvent coûteuses, sont alors nécessaires pour respecter les tolérances fonctionnelles spécifiées. Afin d'optimiser la nuance et le traitement, et d’ajuster les modèles de simulation, les variations géométriques de pièces « test » traitées thermiquement sont qualifiées et quantifiées par une analyse dimensionnelle. Les travaux présentés se centrent sur les stratégies de mesure et de dépouillement. Nous évoquons aussi l’identification de déformations issues de trempe d’essais sur deux nuances d’aciers étudiées. ABSTRACT. Some heat treatment generates on workpieces, local or global distortions which are more or less significant according to the treatment and the steel grade. Finishing operations are then necessary to respect the required functional tolerances. This may increase the cost of the product. In the objective to optimize both the steel grade and the heat treatment and to adjust the numerical simulation models, the geometrical variations of heat treated “test” parts are qualified and quantified by a dimensional analysis. In this article, we focus on part measurement and data processing strategies. We also evoke the identification of the distortions resulting from testing quenching on two studied steel grades.

La problématique de mesure de pièces complexes, présentant des formes symétriques suivant un axe de rotation telles que les roues dentées par exemple, avec de faibles incertitudes de mesures est exposée. La création d’un étalon de très grande qualité métrologique, à partir d’une pièce physique issue de la production, est présentée avec la mise en oeuvre d’une technique d’élimination d’erreurs par multi–retournement sous Machine à Mesurer Tridimensionnelle. L’objet du présent article est de décrire le processus d’élimination d’erreurs et de moyennage qui permet d’obtenir certaines caractéristiques de la pièce avec un niveau d’incertitudes très faibles. Cette analyse est effectuée théoriquement et confirmée par simulation numérique. Les résultats expérimentaux de la qualification d’un pignon conique de différentiel automobile par cette technique confirment son statut d’étalon métrologique avec un très faible niveau d’incertitudes, en particulier pour l’erreur de pas. The issue of the measurement of elaborate parts displaying symmetrical shapes along a rotation axis with low measurement deviations such as gears is addressed. The creation of a very high metrological quality measurement standard made from a manufactured physical part is exposed with the implementation of an error elimination method of tooth by tooth rotation on a Coordinate Measuring Machine. The purpose of this article is to describe the error elimination and averaging process enabling the acquiring of some characteristics of the part with a very low deviation level. This analysis is realised theoretically and confirmed with numerical simulation. Experimental results of the qualification of an automobile differential bevel gear with this technique confirm its very low deviation level measurement standard status, particularly for pitch error.

During the recent years, the relationship between customers and suppliers turned to a partnership relation. That's why, the supplier had to change his skills in order to control all the manufacturing process of his products, i. e. from the conception to the realization. In this context, blacksmiths developed a new range of workpieces called “Net Shape”, i. e. their functional surfaces are achieved by forging, thus eliminating the following reworking machining operations. New needs appeared in the forging industry, like the precision monitoring. This control aims at certifying that the workpiece has the required geometrical measurements, but also to better understand every manufacturing process steps. In order to evaluate step by step the manufacturing process and the obtained workpiece functionality it is necessary to accurately choose the measurand without to question the workpiece tolerance and the manufacturing process. In this work, the choice of the measurand to check a forged “Net Shape” bevel pinion for automobile differential is dwelt framework of two goals. Firstly, the measured surface must be representative of a meshing. This implies the study of the pinion's normalized parameters and the way to evaluate them. Secondly, it has to allow a better understanding of the manufacturing process in order to improve it. The new methodology developed in this paper requires the use of a coordinate measuring machine. This method is more suitable to measure the functional surfaces. The results analysis is carried out thanks to a mathematical vector approach. Thus, it allows the dissociation of the influence- once it has been identified-of each physical or technological phenomenon which is representative of the workpiece functionality or the manufacturing process. The study of the pinion after each manufacturing process step enables to better understand the physical phenomena involved in order to develop the mathematical model describing their effects. Initially, just a qualitative study of some manufacturing process steps has been analyzed., Les relations donneurs d'ordres – fournisseurs évoluent de plus en plus vers des relations de partenariat. Le fournisseur voit ainsi son métier évoluer vers la maîtrise de la conception et de la réalisation de ses produits. Dans ce contexte, les forgerons ont développés les pièces « Net Shape », c'est-à-dire des pièces dont les surfaces fonctionnelles principales sont obtenues directement par formage, sans reprise d'usinage. De nouveaux besoins sont alors apparus dans le domaine de la forge, comme le contrôle dimensionnel et géométrique de précision. Ce contrôle a, non seulement, pour objectif de vérifier la conformité de la pièce en relation avec une fonctionnalité attendue, mais aussi de mieux comprendre chaque étape du processus de fabrication. Sans remettre en cause ni le tolérancement, ni le processus de fabrication, le choix du mesurande, pour évaluer à la fois chaque étape du processus de fabrication et la qualité fonctionnelle de la pièce obtenue, est déterminant. Dans ces travaux, le choix du mesurande pour contrôler un pignon conique forgé « Net Shape » pour différentiel automobile est discuté avec ce double objectif. Il doit être représentatif de l'engrènement, d'où une étude sur les paramètres normalisés de qualification d'un pignon et la façon de les estimer. Il doit également permettre de mieux appréhender le processus de fabrication afin de l'améliorer. Le nouveau mesurande utilisé, mieux représentatif des surfaces fonctionnelles, impose un contrôle avec une machine à mesurer à coordonnées. Le résultat de mesure est dépouillé avec une méthode mathématique vectorielle qui permet de dissocier l'influence de chaque phénomène physique ou technologique représentatif de la fonctionnalité ou du processus de fabrication dès lors qu'ils sont identifiés. L'étude du pignon dans plusieurs états au cours du processus de fabrication aide à mieux comprendre chaque phénomène physique afin d'aboutir à la description mathématique de leurs effets, difficulté de la méthode utilisée. Dans un premier temps, seule une étude qualitative de quelques états de la pièce au cours de son processus de fabrication a été réalisée.