Créé le : 03/08/2009
Les conférences "Hydroformage" organisée par l'IFU permettent de mesurer l'état du développement de cette technologie et sa diffusion industrielle, notamment en Allemagne. Par rapport à l'édition de 1999 centrée sur le coeur de la technologie, cette édition a accordé une large place aux opérations amont et aval de l'hydroformage.
1 Vue d'ensemble de la manifestation
La deuxième édition de cette conférence s'est tenue à Fellbach près de Stuttgart les 6 et 7 novembre 2001. Cette manifestation est organisée tous les deux ans par l'IFU (Institut für Umformtechnik) de Stuttgart, la première ayant eu lieu en 1999. Elle permet à l'Institut de présenter périodiquement les résultats de ses recherches réalisées en partenariat avec des industriels.
1.1 Présentation et activités de recherche de l'IFU
L'IFU a été créé en 1958. Il emploie actuellement environ 50 collaborateurs dont 35 scientifiques. Ses principaux domaines de recherche sont la mise en forme des tôles, la mise en forme de pièces massives sans enlèvement de matière, l'hydroformage et la mise en forme de matériaux métalliques assistée par ultrasons. La conférence dont ce compte rendu est l'objet était donc plus alimentée par les activités de mise en forme de produits minces que d'ébauches massives. L'IFU est cependant un centre de compétences qui regroupe l'ensemble des procédés de mise en forme et permet de comparer les points de vue [15].
1.2 Données chiffrées
Cette conférence a réuni 410 participants appartenant à 207 sociétés, dont 34 conférenciers. L'IFU était particulièrement représenté avec 51 participants dont 3 conférenciers. Les autres participants étaient des industriels ou des universitaires. La répartition par pays est donnée par le tableau 1. Près de 80% des participants venaient d'Allemagne, trois autres pays étaient fortement représentés mais avec chacun moins de 4% : France, Canada et Suède. La forte participation allemande était due bien sûr à la localisation de manifestation mais aussi à la forte implication de plusieurs constructeurs automobiles allemands (DaimlerChrysler, BMW, Volkswagen, Audi) et à la présence sur l'exposition des principaux constructeurs de presses d'hydroformage (Schuler et SPS). La figure 1 donne la répartition des participants par sociétés pour celles qui avaient plusieurs représentants.
Allemagne 320 Pays-Bas 4 Etats-Unis 3
France 15 Royaume-Uni 4 Tchéquie 1
Canada 13 Belgique 3 Finlande 1
Suède 12 Espagne 3 Japon 1
Suisse 7 Mexique 3 Norvège 1
Autriche 6 Portugal 3 Roumanie 1
Italie 5 Chine 3 Slovaquie 1
Tableau 1 Nombre de participants par pays.
Figure 1 Participation par sociétés ou groupe.
1.3 Répartition des participants
Les conférenciers étaient essentiellement des industriels tandis que l'auditoire se partageait entre industriels et universitaires.
1.4 Principaux thèmes abordés au cours des conférences
Le thème principal des conférences étaient l'hydroformage de tubes bien que l'hydroformage de tôles ait été également traité. L'objet des exposés était majoritairement la présentation de retour d'expériences industrielles de fabrication des pièces par hydroformage. Plusieurs constructeurs ont présenté les dernières évolutions de leurs presses respectives ainsi que des équipements intervenant en amont et en aval du processus d'hydroformage (découpe, préformage, parachèvement par laser ou jet d'eau).
Les deux grandes familles de matériaux mis en uvre ont été traités avec une forte domination de l'acier par rapport à l'aluminium. on s'est intéressé notamment à la caractérisation de la formabilité des tôles pour hydroformage.
La simulation numérique du process était également un thème porteur de la conférence, ainsi que les problèmes de tribologie et de lubrification [10].
1.5 Problématiques des participants
Les motivations des participants se répartissaient en deux grandes catégories :
- Acteurs ayant déjà travaillés sur cette technologie au niveau R&D, production industrielle ou développement de logiciels
- Acteurs potentiellement intéressés par l'hydroformage et désireux de connaître sa faisabilité dans des domaines généralement autres que ceux où cette technique est déjà utilisée
1.6 Exposition
Une exposition regroupait une quinzaine de stands dont:
- AP&T (presses)
- Autoform (logiciels)
- Corus (aciers)
- ESI (logiciels)
- Flow Pressure Systems (presses très haute pression)
- Gestamp Automocion (hydroformage industriel)
- Institut für Umformtechnik Stuttgart (recherche industrielle)
- Schuler Hydroforming (presses)
- SPS Siempelkamp Pressen Systeme (presses)
- Thyssen Krupp Automotive (aciers)
- Thyssen Tailored Tubes (aciers)
- Tower Automotive (hydroformage industriel)
2 Evolution générale des techniques d'hydroformage
2.1 Historique
L'hydroformage est la mise en forme de produits minces sur presse en mettant en uvre un fluide intermédiaire pour assurer la déformation. Les premières applications industrielles sont relativement anciennes et concernaient essentiellement la mise en forme de tôles pour la construction aéronautique. La production de pièces de grandes dimensions en petites séries était possible pour un coût d'outillages réduit, un seul demi-outil étant nécessaire. La mise en forme des tubes s'est développé ultérieurement en appliquant le même principe, le liquide étant introduit à l'intérieur du tube pour permettre sa mise en forme par le double effet de la pression interne et des efforts externes.
Figure 2 - Variantes du procédé d'hydroformage de tubes (source: VDI Guideline 3146)
2.2 Facteurs clés du développement de la technologie d'hydroformage
Les facteurs clés du développement actuel de l'hydroformage sont principalement le raccourcissement du temps de cycle de mise forme (fig.3) et la réduction du capital investi. D'après Schuler Hydroforming (fig.2) [2], les deux premiers postes du coût d'une pièce hydroformée sont respectivement le coût matière (47%) et le coût machine (43%). De plus, une analyse de sensibilité a montré que, pour une pièce moyenne de type berceau moteur produite à 600.000 unités/an, à augmentation de coût identique, les influences les plus fortes sont celles du temps de cycle et du coût machine. En effet, la phase pendant la quelle la matière est mise forme, ou phase considérée comme directement productive, ne dure que 20% du cycle, le reste du temps étant occupé par l'amenage de l'ébauche, la fermeture de l'outillage, la mise sous pression, et les phases symétriques de ces dernières après hydroformage. Cependant les caractéristiques fondamentales de la technologies malgré les progrès réalisés en terme de vitesse de remplissage et de montée en pression sont telles que d'autre leviers d'évolution sont utilisés. En particulier la réalisation de plusieurs pièces identiques ou non en un même cycle permet d'augmenter la productivité [16]. De même la tendance à réaliser des sous-ensembles complexes de grandes dimensions, comme un châssis d'automobile, permet d'optimiser l'emploi de la technologie [8]. Il reste que les exploitants de l'hydroformage sont toujours à la recherche d'une réduction du capital investi. Celui-ci est élevé en raison de la complexité de l'installation qui intègre la production de très hautes pressions et de plus doit être dimensionnée pour résister à des efforts extrêmes.
Figure 3 - Répartition des coûts pour une pièce hydroformée (source : M. Treude)
Figure 4 Cycle de l'hydroformage de tube (source : M. Treude)
2.3 Le tube, élément de base de la conception
Le tube, par les développements de pièces hydroformées qu'il permet, notamment en construction automobile, est devenu un élément de base de la conception. Ceci explique la forte activité d'études et d'essais des fournisseurs de demi-produits métallurgiques et en particuliers des sidérurgiste et des tubistes. La forme tubulaire permet d'obtenir des caractéristiques de rigidité élevée pour un poids réduit. Une communication traitait de la production de tubes soudés spécifiquement destinés à l'hydroformage [4]. Cette mise en forme par profilage de bandes sur galets a fait l'objet de simulations numériques 2D et 3D. des progrès restent cependant à faire pour réduire les écarts de tolérances sur la cylindricité du produit final. Une autre difficulté étudiée est l'influence de l'opération de profilage sur les caractéristiques mécaniques du tube et donc sur les possibilité de mise en forme ultérieure dans la phase d'hydroformage.
2.4 Perspectives de développement
Le développement futur de l'hydroformage semble conditionné par l'intégration des techniques de simulation par ordinateur, comme cela a été et est encore le cas pour l'emboutissage classique et pour le forgeage. Le succès dépend de la prise en compte globale de toute la chaîne de processus tant en amont qu'en aval. L'hydroformage à chaud a été évoqué sans plus de détails.
3 Position concurrentielle de l'hydroformage par rapport aux autres technologies de réalisation de pièces par mise en forme
3.1 Découpage emboutissage
L'hydroformage concurrence directement la technologie de découpage emboutissage. L'immense majorité des exemples connus concernent le remplacement d'une pièces découpée et emboutie, éventuellement mécano soudée. Cependant la concurrence n'est établie que pour les pièces de structure porteuses (châssis et annexes). Pour les pièces de carrosserie tels que les montants, il ne semble pas que la solution hydroformée soit économiquement plus intéressante [14] si l'on considère les implications sur le process complet. Toutefois les meilleures performances obtenues en terme d'allégement et de rigidité accrue, associées à une optimisation du process, sont susceptibles de renforcer l'intérêt de l'hydroformage.
3.2 Travail du tube
Il ne semble pas que les pièces réalisées par la mise en forme de tubes par cintrage soit directement concernée par la solution hydroformée, essentiellement pour des raisons de taille de série, de coût, d'absence de besoin en ce qui concerne les critères de poids (construction fixe), de complexité de forme et de caractéristiques mécaniques.
3.3 Forge
Actuellement la concurrence de l'hydroformage vis à vis des solutions forgées semble limitée. Un équipementier tel que TOWER AUTOMOTIVE, bien avancé dans l'industrialisation de l'hydroformage, ne relève pas jusqu'à présent de substitution de pièce forgée [. On a toutefois noté la fabrication d'arbres à cames et d'ébauche de vilebrequins pour moteur automobile par hydroformage de tubes. D'autres pièces comme les arbres de transmissions peuvent être réalisés par hydroformage. Il faut noter que les pièces traditionnellement forgées n'ont été l'objet d'aucune nouvelle présentation. Il reste le potentiel de substitution des pièces forgées par une solution hydroformée reste fort dans la mesure ou cette technologie permet d'optimiser le rapport caractéristiques mécaniques/ poids et ou le trube remplace avantageusement les arbres pleins.
L'hydroformage reste cependant rattaché à la mise en forme des produits minces. D'après les constructeurs de presses, les épaisseurs de parois hydroformées ne dépassent pas 5 à 6 mm, ce qui est cohérent avec logique d'allégement.
4 Acteurs concernées à la fois par la forge et par l'hydroformage
4.1 Fabricants de presses
Les fabricants de presses sont les premier concernés par les deux technologies. Plusieurs d'entre eux conçoivent et réalisent des presses tant pour la forge que pour l'hydroformage (SPS, Schuler, Müller Weingarten). Ils ont en général une même clientèle finale (la construction automobile) et maîtrisent des savoir-faire analogues (machines de grandes dimensions, rigidité des bâtis, intégration dans un process industriel complexe).
4.2 Fabricants d'équipements annexes
Des fournisseurs d'équipements annexes aux presses d'hydroformage se sont développés. Il s'agit notamment de Trumpf qui récemment commercialisé sa machine de découpe de tubes par laser Lasertube. La découpe laser étant relativement limitée en épaisseur l'attention des forgerons devraient se porter vers la découpe par jet d'eau plus adaptée à des pièces épaisses (Flow International).
4.3 Découpeurs emboutisseurs
Les grandes entreprises de découpage emboutissage peuvent intégrer la technologie de l'hydroformage dans la mesure où l'investissement est à leur portée (de plusieurs centaines de k à 10 M). Un exemple cité compare un coût d'investissement machine d'hydroformage de 720.000 /an pour une production de 200.000 pièces/an, contre 495.000 /an pour la solution découpée emboutie et assemblée [14].
4.4 Equipementiers de l'industrie automobile
Les industriels fournisseurs de l'automobile constituent la catégorie d'acteurs ayant le plus investi et développé l'hydroformage de tubes (TowerAutomotive [12], Benteler, Hidroacero [7], etc.). Ils ont présentés plusieurs communications concernant divers type de pièces.
4.5 Fournisseurs de produits métallurgiques
La formabilité des nuances d'aciers, notamment à haute résistance, est à l'étude dans plusieurs groupes sidérurgiques. De même l'industrie de l'aluminium est active d'autant plus que la formabilité de ce métal est inférieure. Celui-ci est toutefois en première position en terme de construction allégée grâce à sa faible densité [9].
La technologie laser [1][2] est également utilisé en amont de l'hydroformage pour le soudage longitudinal de tubes. Cette technologie permet d'obtenir des tubes sur mesure de grand rapport diamètre/épaisseur avec une bonne précision. De plus l'utilisation de nuances et d'épaisseurs différentes est possible. Elle permet aux fournisseurs de tubes tels que Thyssen Tailored Tubes de produire des tubes soudés sur mesure dédiés à l'hydroformage.
5 Perspectives d'évolution
L'hydroformage est une technologie clé susceptible de diffuser en dehors du secteur automobile dans tout secteur d'application où seront requis la recherche de l'allègement et une conception élaborée des pièces. Une voie de développement intermédiaire entre l'hydroformage de tubes et l'hydroformage de tôles est la réalisation de flans doubles raboutés par laser [11]. Ce type de préforme creuse permet de réaliser des pièces formes complexes et pourra élargir le domaine d'application de l'hydroformage à de nouvelles pièces de structure.
Figure 4 - Double flan rabouté laser : application à de nouvelles pièces de structure
Une tendance lourde semble être l'intégration verticale de plus en plus poussée de cette technologie, des sidérurgistes qui développent des nuances adaptées aux concepteurs de produits finaux qui penseront "solutions hydroformées", en passant par les tubistes.
Communications issues du recueil de conférences Hydroforming 2001 : Hydroforming of tubes, extrusions and sheet metals vol.2, K. Siegert Ed. :
[1] LEIBINGER B., Trumpf GMbH, New technologies secure tomorrow's competitive lead pp.1-4
[2] TREUDE M., Schuler Hydroforming GmbH, Piece cost reduction of hydroformed parts in series production, pp.5-19
[3] RICHTER W., Trumpf Pulzer GmbH, Bent tubes for the hydroforming process, pp.35-40
[4] CARLEER B. D., Corus RD&T, FE process simulation for tube hydroforming, starting with the tube forming process, pp.85-106
[5] JOHANNISSON T. G., Flow Pressure Systems, Low volume production of sheet metal parts, pp.159-180
[6] HOFFMANN H., Technische Universität München, Technological characteristics of hydroformed parts, pp.235-246
[7] RUIZ A., Gestamp MB Hidroacero, Hydroforming of the carrier front suspension and cross member steering of the new Opel Corsa, pp.289-304
[8] MEYER W., Volkswagen AG, Audi A4 rear axle - A new concept for large scale hydroforming, pp.305-310
[9] YUAN S., Harbin Institute of Technology, China, Experiment and numerical simulation of aluminum tube hydroforming, pp.339-350
[10] PRIER M., Schuler Hydroforming GmbH, Tribological requirements of hydroforming and its realisation in practice, pp.421-430
[11] VERMEULEN M., OCAS, Sheet metal formability tests for hydroforming, p.455-476
Documents hors recueil(*) ou hors conférence (**) :
[12] Tower Automotive Bereich Hydroforming, Tower Automotive GmbH (*)
[13] BOEHM A., Siempelkamp Pressen Systeme, Two column press concept for hydroforming and other innovative presse systems for hydroforming
[14] Analyse économique de la technologie d'hydroformage sur l'exemple d'un montant de carrosserie automobile, rapport Salzgitter Flachstahl, partie 6, mars 1999 (**)
[15] Plaquette de présentation de l'IFU , juillet 1999 (**)
[16] ANDERSSON M., AP&T Lagan AB, Hydroform presses in modular design (*)
[17] NAUMANN L., Tower Automotive Hydroforming GmbH & Co. KG, communication orale