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Étude du procédé de mise en forme par application de lignes de chauffe effectuées sur plaques d'acier inoxydable 304L

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Provencher, David (2017). Étude du procédé de mise en forme par application de lignes de chauffe effectuées sur plaques d'acier inoxydable 304L. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Le procédé de mise en forme de plaque d'acier par pressage est répandu dans plusieurs industries, dont celle des fabricants d'aubes de turbines. Les aubes de turbines varient d'un modèle à l'autre, car leurs géométries sont adaptées aux conditions du site. Donc puisque la matrice de pressage et le poinçon sont uniques à chaque turbine, ce procédé s'avère couteux lors de la fabrication de la turbine.

Afin d'offrir une alternative au procédé de pressage pour produire des aubes de turbines, le procédé étudié dans ce mémoire sera celui du thermoformage par application de ligne de chauffe. Une ligne de chauffe consiste à faire passer une source de chaleur comme un laser à haute densité énergétique ou une flamme au-dessus d'une plaque d'acier. Le procédé de mise en forme par application de ligne de chauffe est un procédé qui a fait ses preuves dans le domaine des composantes de coques de bateau.

Dans le cadre de ce travail, une partie expérimentale a été effectuée dans un premier temps. L'objectif était de parvenir à tirer des lectures de température que produit le passage de la flamme dans l'épaisseur d'une plaque d'acier ainsi qu'à mesurer la déformation de la plaque après son refroidissement. Par la suite, l'expérience a été modélisée par la méthode des éléments finis (MEF). Bien que les résultats de la modélisation correspondent bien aux résultats expérimentaux avec une faible marge d'erreur, le temps de calcul s'avère long pour une simple ligne de chauffe. Puisqu'une ligne ne représente qu'une étape d'une mise en forme complète, le temps de modélisation par MEF du procédé entier devient donc extrêmement long. De plus, initialement nous ne savons pas où chauffer sur la plaque ni la puissance adéquate pour parvenir à obtenir une géométrie ciblée.

En alternative à la MEF, un algorithme de reconstruction par géométrie différentielle est proposé. Cet algorithme utilise les propriétés fondamentales d'une surface tridimensionnelle, soit les pentes et les courbures. Puisque les endroits où les courbures sont les plus prononcées correspondent aux endroits où il faut plier la plaque, l'algorithme permet non seulement de cibler ces endroits, mais également d'estimer le nombre de passes. Les résultats pour quelques lignes de chauffe sont très prometteurs, puisque l'écart entre les résultats en déplacement de la simulation par MEF et ceux obtenus par l'algorithme est de l'ordre de quelques %, et permettent de trouver en moins d'une minute une solution semblable à celle de la MEF qui prendrait plusieurs heures.

Titre traduit

Study of the shaping process by application of heating lines performed on 304L stainless steel plates

Résumé traduit

Hot forming steel plates is a common manufacturing process in several industries, including Francis turbine blades. Due to the differences in the working conditions, turbine blades can be different from one site to another. Therefore, the geometry of the forming dies are unique to each set of turbine blades. The forming dies are usually made of high strength steel rising the cost of the process for small batches.

In this thesis, thermal forming by line heating is presented as an alternative to the hot forming process. Line heating process consists of passing a heat source, such as a flame, over a steel plate in order to bend it. This forming methodology has proven to be efficient for ship hull builders.

An experimental study was carried out with an oxyacetylene torch. The temperature through the thickness of the steel plate have been recorded during the passage of the flame. The deformation of the plate after it returns to room temperature was also measured. Then, the experiment was modeled using the finite element method (FEM) in Ansys software. Although the finite element (FE) results matched the experimental results with a small margin of error, the simulation time, even for a single heating line, was quite long. Forming gradually a plate by line heating to a targeted geometry requires significant number of passes, making the modeling the line heating sequence by FEM a cumbersome approach.

As an alternative to the FEM, a differential geometry reconstruction algorithm is proposed. This algorithm uses the curvatures of a three-dimensional surface. By combining the fundamentals coefficients related to curvatures of each heating line and integrating the result of their sum, it is possible to estimate the final shape of the plate. The locations of the highest curvatures on the desired geometry point where the formed plate should be bent and consequently where the heating line would be efficiently applied. The developed algorithm allows to define the line heating trajectory and to estimate the number of passes required to obtain a certain shape by comparing the fundamental coefficients of the desired shape to the actual shape of the plate.

This approach was applied to a simple pattern of heating lines and the difference in displacement between the FEM solution and the algorithm is about 6%. With this developed methodology, the results were obtained in a minute compared to hours required to solve the thermal-structural FE model.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieures comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise avec mémoire en génie mécanique". Bibliographie : pages 195-197.
Mots-clés libres: Thermoformage. Acier inoxydable Traitement thermique. Acier inoxydable Traitement thermique Modèles mathématiques. Plaques de fer et d'acier. Méthode des éléments finis. Géométrie différentielle. 304L, chauffe, ligne, mécanisme de gradient thermique, mise en forme
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Champliaud, Henri
Codirecteur:
Codirecteur
Gholipour Baradari, Javad
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 07 nov. 2018 21:37
Dernière modification: 07 nov. 2018 21:37
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2136

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