Élastoformage 101

L'élastoformage, également connu sous le nom de formage de tampons en caoutchouc, est un processus de fabrication de tôles qui utilise un tampon élastomère pour un côté de l'outil de formage et une matrice ou un poinçon solide sur le côté opposé.

Qu'est-ce que l'élastoformage ?

L’élastoformage, également connu sous le nom de formage de tampons en caoutchouc, est un processus de fabrication de tôles qui utilise un tampon élastomère pour un côté de l’outil de formage et une matrice ou un poinçon solide sur le côté opposé. Le formage de tampons en caoutchouc a été développé à l’origine à la fin des années 1930 par Henry Guerin pour fabriquer des composants structuraux d’avions et est depuis devenu une condition préalable à de nombreuses applications aérospatiales. On estime que plus de 60% de toutes les pièces d’aviation en tôle sont façonnées à l’aide d’outils flexibles, utilisant généralement des élastomères de polyuréthane, pour produire des produits de qualité de finition supérieure avec moins de défauts liés au processus.

L’élastoformage est une méthode efficace pour minimiser les coûts d’outillage initiaux et simplifier le processus de formage en remplaçant les outils métalliques par des patins flexibles. Une grande variation de tailles de pièces et plusieurs configurations de pièces sont facilement réalisables. Des pièces de haute qualité peuvent être produites en un seul cycle de pressage qui ne nécessitent aucune finition ou polissage supplémentaire. La simplicité de la conception et de l’application du processus fait de l’élastoformage une excellente option à la fois pour le développement de prototypes et la production de volumes faibles à moyens. Les applications peuvent être trouvées dans les secteurs de l’aérospatiale, de l’automobile et des biens de consommation. La figure 1 ci-dessous est un exemple de presse hydraulique conçue pour l’élastoformage.

Macrodyne Elasto Forming Press
Figure. 1 : Une presse d'élastoformage multi-cadres de 7700 tonnes.

Considérations relatives aux matériaux

Toute tôle ductile peut être formée par élastoformage, cependant, en raison de la résistance limitée de l’élastomère, il existe des restrictions sur les épaisseurs de tôle pouvant être traitées. Certains matériaux courants et des épaisseurs maximales typiques sont présentés dans le tableau 1 ci-dessous.

Matériau en feuille Grade – Condition Épaisseur, max typique
Acier inoxydable austénitique 304-Recuit 1,3 mm / 0,05″
Acier inoxydable austénitique 316 – 1/4 dur 0,8 mm / 0,03″
Alliage d’aluminium 2024-O 4,7 mm / 0,19″
Alliage d’aluminium 7075-W 4,7 mm / 0,19″
Alliage d’aluminium 2024-T4 1,6 mm / 0,64″
Alliage de titane, chauffé Ti-6Al-4V 1,0 mm / 0,04″

Tableau 1 : Exemples de matériaux en tôle pour l’élastoformage.

L’utilisation d’élastomères dans les outils de formage peut être avantageuse en raison de; excellente résistance à l’abrasion, capacité de récupération rapide des déformations et pourcentage élevé d’allongement avant rupture. Le caoutchouc naturel (NR), le caoutchouc de silicone (SR) et le caoutchouc styrène-butadiène (SBR) sont des élastomères courants qui ont été traditionnellement utilisés dans le formage des tampons en caoutchouc, cependant, les processus d’élastoformage modernes utilisent le plus souvent des tampons en polyuréthane (PU) en raison de durabilité supérieure, résistance aux éraflures et capacité à résister à des pressions de formage plus élevées que les autres alternatives élastomères.

La dureté, ou valeur au duromètre, du polyuréthane et le facteur de forme ont un impact direct sur la charge de compression requise pour former une pièce. Facteur de forme[SF] est le rapport de la surface sous charge par rapport à la surface totale des surfaces non chargées. La figure 2 ci-dessous illustre un exemple de coussin en polyuréthane avec différents facteurs de forme liés à la relation contrainte-déformation du matériau élastomère pendant le chargement en compression.

Figure. 2: Relation contrainte-déformation de différents facteurs de forme de polyuréthane avec dureté shore A 70

Avantages de l'élastoformage

Certains des avantages de l’élastoformage par rapport aux procédés de formage conventionnels sont :

  1. Une seule moitié d’outil rigide est nécessaire pour former une pièce.
  2. Un tampon flexible remplace n’importe quelle forme de matrice.
  3. Les outils peuvent être fabriqués à partir de matériaux à faible coût et faciles à usiner en raison principalement des forces appliquées uniformément.
  4. Les rayons de formage diminuent progressivement au cours de la course, contrairement aux rayons fixes sur les matrices conventionnelles.
  5. L’amincissement du métal à usiner est considérablement réduit.
  6. Différents métaux et épaisseurs de matériaux peuvent être formés dans le même outil.
  7. Des pièces avec une excellente finition de surface peuvent être formées car aucune marque d’outil n’est créée.
  8. Le temps d’installation est considérablement plus court car aucun alignement d’outils n’est nécessaire.

Certaines limitations sont :

  1. Le tampon souple a une durée de vie limitée qui dépend de la sévérité du formage et du niveau de pression.
  2. Le manque de pression de formage suffisante peut entraîner des pièces moins tranchantes ou avec des plis, ce qui peut nécessiter un travail manuel ultérieur.
  3. Le taux de production est relativement lent, ce qui rend le processus plus adapté aux volumes de pièces inférieurs .
  4. Les températures de formage élevées sont limitées à la plage de températures de l’élastomère.

Quand utiliser l'élastoformage

Les presses hydrauliques d’élastoformage offrent la possibilité de fabriquer rapidement et à moindre coût des composants en tôle de haute précision pour les applications aérospatiales, automobiles et électroménagers. Le processus est parfaitement adapté aux volumes de production faibles à moyens.

Les pièces en alliage d’aluminium, en acier inoxydable et en alliage de titane sont les plus couramment formées par élastoformage. L’élastoformage est un processus de fabrication qui peut être utilisé lorsqu’une pièce complexe, qui peut avoir nécessité plusieurs étapes et processus de découpe, de pliage et de formation de joints, peut être façonnée en une seule pièce de tôle dans une seule presse.

L’industrie aérospatiale utilise largement l’élastoformage pour fabriquer des pièces car les réglementations techniques et les normes de sécurité ne permettent pas de former les pièces de tôlerie avec des outils métalliques classiques. L’amincissement, les rayures et les concentrations de contraintes peuvent être atténués grâce à l’utilisation d’outils en élastomère tout en maintenant la qualité et l’intégrité structurelle requises pour la sécurité de la cellule.

Considérations relatives au processus

Décider si l’élastoformage est le processus préféré pour la fabrication de pièces est un défi complexe. Il faut tenir compte des volumes de production, des taux de production, du coût des pièces, de la fonction des pièces et des tolérances de fabrication. En plus du formage du métal, le découpage et le perçage peuvent également être réalisés avec l’élastoformage, comme illustré par la figure 3 dans la colonne suivante.

Figure. 3 : Différentes opérations d'élastoformage

Processus alternatifs

Les processus capables d’atteindre des résultats similaires comprennent:

Estampage des métaux: peut être utilisé si le matériau formé est ductile à température ambiante et que la qualité de la pièce requise peut tolérer un processus de formage à matrice fermée. Des méthodes plus traditionnelles de conception de pièces et de matrices pour gérer le retour élastique sont généralement nécessaires pour produire des pièces précises.

Estampage à chaud: Généralement utilisé pour les alliages non ferreux difficiles à former à température ambiante. Un processus de refroidissement et de vieillissement contrôlé est souvent nécessaire après le formage pour restaurer les microstructures durcies en solution présentes avant que la feuille ne soit recuite par chauffage.

Hydroformage: Un processus avancé de formage de tôles et de tubes qui utilise la pression hydraulique au lieu d’un poinçon fixe pour produire des géométries non adaptées à l’estampage, y compris des formes en contre-dépouille ou bombées.

 

Processus d’élastoformage

Aperçu

La configuration de base pour l’élastoformage comprend généralement un tampon en caoutchouc, contenu dans un support de tampon, fixé au vérin supérieur d’une presse hydraulique, et un bloc de forme, contenu sur un plateau situé dans le lit de la presse. Un flan, qui peut être maintenu en place à l’aide d’épingles et/ou de nids, est placé sur le bloc de forme. Au fur et à mesure que le vérin descend, l’élastomère se déplace et prend forme autour du bloc de forme créant la pièce. Le dispositif de retenue du tampon est un cadre qui s’adapte étroitement autour du plateau pour enfermer l’élastomère et empêcher l’écoulement latéral lorsqu’une pression est appliquée.

Figure. 4 : Coupe de l'outillage et montage pour l'élastoformage.

Le tampon élastomère agit un peu comme un fluide et exerce une pression presque égale sur toutes les surfaces de la pièce lorsqu’il est pressé et s’écoule autour du bloc de forme. Le formage de tampons en caoutchouc est conçu pour être utilisé sur des pièces en retrait modérément peu profondes ayant des brides simples et des configurations relativement simples. La hauteur du bloc de forme est généralement inférieure à 100 mm, ou 4 pouces.

Facteurs de succès

Un examen complet de tous les paramètres qui affectent l’élastoformage dépasse le cadre de cet article. Au lieu de cela, nous examinerons quelques facteurs clés qui se traduisent bien pour une économie de processus acceptable: la complexité et la taille des pièces, les considérations d’outillage, les taux de production et la réduction des défauts.

Complexité et taille de la pièce:

Le procédé d’élastoformage est couramment utilisé pour réaliser des séries de petite à moyenne taille de pièces en métal léger. En raison de la nature peu compressible des élastomères, une pression suffisamment élevée ne peut généralement pas être atteinte pour empêcher le froissement des pièces embouties en profondeur. L’élastoformage est idéal pour former des pièces en retrait modérément peu profondes où l’uniformité de la pression à travers la pièce peut être obtenue. Dans la plupart des cas, l’élastoformage convient pour produire des pièces d’une épaisseur de tôle de 4 mm ou moins.

Considérations sur l’outillage:

Le faible coût d’outillage est l’un des principaux avantages du formage de tampons en caoutchouc et c’est pourquoi il est souvent le choix dans le prototypage et le développement. Étant donné que la matrice supérieure en élastomère peut être utilisée avec des blocs de forme métallique inférieurs séparés et différents, le procédé est plutôt peu coûteux et beaucoup plus flexible par rapport aux procédés de formage de métal conventionnels. La moitié métallique de l’outillage ne s’use pas aussi rapidement, cependant, les patins en élastomère de l’outil peuvent s’user plus rapidement que leurs homologues métalliques. La prolongation de la durée de vie des patins peut être obtenue en ayant des blocs de forme à profil plus bas et en permettant des rayons d’angle aussi généreux que possible. Ces techniques permettent l’écoulement de l’élastomère à des niveaux de contrainte inférieurs pendant le processus de formage.

Les coussinets en élastomère peuvent être construits soit à partir d’un moulage solide, soit en couches extrudées et stratifiées qui peuvent être liées entre elles. Les couches stratifiées sont avantageuses car la surface de travail peut être restaurée efficacement en remplaçant simplement la couche supérieure. En outre, différents niveaux de dureté peuvent être utilisés dans différentes couches, ce qui permet une flexibilité de production accrue. En général, plus le matériau élastomère est dur, plus sa capacité de charge est élevée.

Taux de production:

La production de pièces élastoformées est souvent plus lente par rapport à d’autres procédés de formage des métaux. Bien que les configurations initiales puissent être très rapides, flexibles et peu coûteuses, elles ne sont pas conçues pour durer de nombreuses courses sur de longues périodes de temps. Par conséquent, la quantité et la production de pièces doivent être considérées comme des facteurs déterminants lors de l’examen de l’utilisation de l’élastoformage.

Réduction des défauts:

L’utilisation de tampons en élastomère est une méthode efficace pour réduire les défauts par rapport aux procédés alternatifs. Parce que la pièce est prise en sandwich entre un élastomère et un bloc de forme métallique, la finition de surface est remarquablement améliorée, réduisant ainsi à la fois les défauts visibles et les coûts de polissage ultérieurs. Des pièces sans défaut et de haute qualité sont l’un des principaux avantages de l’utilisation d’un procédé d’élastoformage, car les surfaces polies et/ou affûtées restent inchangées. Ce processus permettra également d’utiliser des métaux prépeints et préfinis.

Une épaisseur uniforme dans les pièces formées de métal est souhaitable, et souvent nécessaire pour répondre aux normes de sécurité et réglementaires. La pression est répartie uniformément sur l’ébauche, ce qui réduit considérablement l’amincissement de la pièce par rapport aux autres procédés de formage.

L’utilisation d’équipements accessoires tels que des clips de traction, des plaques de couverture, des plaques d’essuyage, des anneaux et des barres de formage, des barrages et des blocs de coin peut être placé à des endroits spécifiques pendant le processus de formage pour ajuster la pression afin de faciliter la formation de formes et de caractéristiques plus complexes. Les accessoires peuvent également être utilisés pour aider à prévenir le froissement et la distorsion, cependant, une conception efficace des pièces et des outils est souvent la première ligne de défense pour limiter les défauts des pièces.

Conception de pièces et d’outils pour éviter les défauts

Les principaux paramètres de processus contrôlés pour le formage des patins en caoutchouc qui peuvent améliorer la conception des pièces et des outils sont la dureté et les propriétés des patins en élastomère, la hauteur et les rayons des blocs de forme et l’épaisseur de la pièce.

Les pièces élastoformées doivent être conçues avec des coins arrondis appropriés, car les coins à 90 degrés ne peuvent pas être entièrement atteints avec l’utilisation de patins en élastomère. La taille réelle du rayon naturel d’un élastomère lorsqu’il est déformé dépendra du matériau du tampon utilisé et doit être prise en compte dans la conception de la pièce finie. Permettre un rayon généreux sur les pièces permettra à l’élastomère de s’écouler de manière appropriée avec une bonne répartition de la pression sur toute la pièce pendant le formage. L’approche d’une répartition uniforme de la pression pendant le processus de formage permet d’obtenir des pièces avec de bons détails de matrice.

Figure. 5 : Exemple de pièce en tôle pour le processus d'élastoformage

L’un des défis de l’élastoformage est le froissement dans les pièces formées plus profondes, car il est difficile d’obtenir une pression suffisamment élevée dans l’élastomère en raison de sa faible résistance à la compression. Il est important de considérer la profondeur de la pièce formée car l’élastoformage est plus adapté pour produire des pièces peu profondes. Les travaux d’élastoformage typiques comprennent la formation de brides autour de pièces plates, de crêtes surélevées, l’ajout de rigidité à la tôle plate en formant des perles, en créant des gaufrages et en rognant.

Configuration de la presse

Paramètres de base

La configuration d’une presse pour produire des pièces élastoformées commence par les exigences du processus de fabrication des pièces. La configuration nécessite des informations concernant le type de matériau, les spécifications des pièces, le volume de production, la vitesse de production et le prix cible. Ces paramètres ont une influence directe sur les exigences de manipulation et de formage, qui à leur tour influencent les spécifications de l’installation et de l’outillage. Le temps d’installation est souvent inférieur avec l’élastoformage par rapport au formage conventionnel des métaux. Seule la moitié de l’outil est en métal, donc l’alignement des outils est beaucoup moins critique et donne toujours des pièces de haute qualité.

Taille du lit

Le lit d’une presse doit pouvoir accueillir l’empreinte du plus grand ensemble d’outils attendu. Pour les formes vierges rectangulaires ou complexes, l’orientation de la pièce à l’intérieur du lit déterminera les dimensions globales du lit. Une estimation de la taille du lit peut être calculée sur la base de la (des) taille(s) vide(s). De plus, la taille du lit doit être capable de contenir les limites extérieures du support de tampon qui s’adapte autour du bloc de forme sur le lit de la presse. Le support de coussin doit être suffisamment solide pour contenir la pression de l’élastomère et est généralement de 20 à 30 mm plus profond que le coussin lui-même.

Tonnages et vitesses

L’élastoformage moderne est exécuté à l’aide d’une presse hydraulique programmable pour contrôler de manière répétée le tonnage de formage et pour optimiser les temps de cycle. Toute taille de presse jusqu’à 20 000 tonnes peut être configurée.

Les calculs de tonnage peuvent être assez complexes car la presse, la matrice, le matériau, les rayons, la taille et la géométrie des pièces sont tous des facteurs contributifs. Avec des géométries simples, il est possible de calculer le tonnage de formage requis à l’aide de tables et de formules. Pour un hémisphère formé, l’équation suivante peut être utilisée comme ligne directrice simple:

Où;

d = diamètre de la pièce finie

t = épaisseur du matériau

TS = résistance à la traction du matériau

Par exemple, un hémisphère de 8″ de diamètre en acier inoxydable 304 de 0,040″ d’épaisseur (TS = 73 200 psi) nécessiterait;

73 588 livres (36,8 tonnes) sont nécessaires pour former la pièce. Dans cet exemple, une presse de 50 tonnes pourrait être recommandée.

Avec des pièces plus complexes, des outils de calcul de tonnage sophistiqués et des logiciels d’analyse, combinés à des presses hydrauliques programmables, sont devenus plus largement utilisés pour assurer un processus de formage réussi.

AVC et lumière du jour

Une lumière du jour suffisante doit être disponible entre le tampon élastomère entièrement rétracté et le bloc de forme pour permettre le retrait de la pièce finie de la presse. En pratique, cela se traduit par une lumière du jour qui équivaut approximativement au coup de presse. Si une presse est utilisée pour produire plus d’une pièce, la course et la lumière du jour doivent s’adapter au plus grand outillage attendu.

Les profondeurs d’emboutissage maximales peuvent être augmentées en utilisant des tampons plus épais et des presses plus puissantes, cependant la quantité d’usure sur l’élastomère et l’impact de l’utilisation de presses plus puissantes sont des facteurs qui doivent être pris en considération.

Macrodyne Elastoforming Press
Figure. 6: Une presse à élastoformer Macrodyne 4000 tonnes

Capacités avancées

Certaines capacités avancées d’élastoformage incluent:

  1. Conception d’outils progressifs pour la production en continu de pièces métalliques en feuillard à géométries complexes. Le découpage, le formage et le perçage peuvent tous être combinés en un seul processus de tampon.
  2. L’utilisation d’élastomères, dans le microformage, un processus de création de pièces miniatures avec des détails complexes, peut aider à contrôler la micro-échelle de la déformation du matériau pendant le processus de formage en raison de la petite taille des pièces. Des facteurs tels que la minimisation des défauts, la précision dimensionnelle des pièces formées et la finition de surface sont encore plus importants dans la production de pièces de cette taille.
  3. La mise en forme de tubes circulaires en colonnes à section transversale triangulaire d’angles différents peut être réalisée à l’aide de procédés d’élastoformage.

Références d’images:

  1. Figure. 1 : HPP-F1 : Une presse d’élastoformage multi-cadres de 7700 Tonnes, Macrodyne
  2. Figure. 2: HPP-F2, M. Ramezani et ZM Ripin, «Processus de formation de tampons en caoutchouc, technologie et applications» pp. 52 (Woodhead Publishing Limited, 2012}
  3. Figure. 3: EL101-F3, M. Ramezani et ZM Ripin, «Processus de formation de tampons en caoutchouc, Technologie et applications» pp. 20 (Woodhead Publishing Limited, 2012}
  4. Figure. 4 : HPP-F4 : Coupe de l’outillage et réglage pour l’élastoformage, Macrodyne
  5. Figure. 5 : HPP-F5 : Exemple de pièce en tôle pour procédé d’élastoformage, Macrodyne
  6. Figure. 6: HPP-F6: Une presse d’élastoformage de 4000 tonnes, Macrodyne