Développer en toute sécurité des ressorts annulaires ondulés spécifiques pour chaque client avec la simulation FEM et le méta-modèle
Ressort - facile à calculer
En tant que pièce de machine, les ressorts sont généralement bien connus et leur comportement est relativement facile à calculer. Cependant, le ressort ondulé est considéré comme une exception en raison de sa géométrie plus complexe. Sa conception et sa production sont nettement plus exigeantes que celles des autres ressorts. C'est pourquoi l'entreprise BAUMANN, située en Suisse, emprunte désormais de nouvelles voies. Dans le cadre d'un projet subventionné (Innosuisse), elle développe, en collaboration avec l'école supérieure OST, un nouveau type de workflow basé sur le logiciel de simulation Ansys.
Le groupe BAUMANN est synonyme de précision et de qualité suisses, depuis plus de 135, avec une envergurel mondiale. Dans ce contexte, Les ressorts, les pièces embouties et autres pièces spéciales sont au cœur de la gamme de produits destinés à la construction automobile ainsi qu'à l'industrie et au secteur médical. L'objectif est de servir le client de manière optimale grâce à une approche axe solutions, qui va souvent bien au-delà des ressorts.
Idéalement adapté aux faibles hauteurs
Par exemple, les ressorts ondulésannulaires permettent de réduire la hauteur de montage jusqu'à 60 pour cent par rapport aux ressorts de compression conventionnels, pour une force identiques. Cela s'explique par la structure compacte des ressorts, basée sur une forme d'onde sinusoïdale en interaction avec des points de contact tangentiels.
Les ressorts à bague ondulée fabriqués en une seule pièce ont une courbe caractéristique plate, ce qui correspond à une transmission de force presque uniforme et constitue un avantage pour de nombreuses applications. Les ressorts ondulés fabriqués par BAUMANN sont adaptés aux espaces de montage d'un diamètre de 5 à 250 millimètres pour des applications statiques et légèrement dynamiques. Ils sont caractérisés aussi bien par leur diamètre et , le nombre de spires et d'ondulations, que par la largeur et l'épaisseur du fil et les caractéristiques du matériau. Tous ces facteurs influencent la caractéristique force/course spécifique à chaque ressort.
Les ressorts ondulés sont polyvalents
Les clients de BAUMANN ont le choix entre une multitude de types de ressorts à bague ondulée différents, par exemple pour les systèmes d'ouverture de porte dans les voitures, pour les vannes et les interrupteurs ainsi que pour l'administration de médicaments. "Nous soutenons nos clients dans leurs stratégies de produits grâce à notre expertise spécifique à l'application", dit Martin Oschwald, directeur de la recherche et du développement chez BAUMANN. "Nos solutions pour le client sont alors précisément adaptées au design et à l'objectif de chaque appareil. Ainsi, nos produits permettent par exemple la compression et la détente définies dans les systèmes de soupapes ou assurent le freinage dans les systèmes de hayon motorisé". Traditionnellement, les demandes des clients étaient définies par des dimensions géométriques spécifiques et, le plus souvent, un point de fonctionnement sur la courbe caractéristique force/course du ressort. Mais depuis peu, les exigences en matière de performance augmentent et les conceptions deviennent plus spécifiques. "Cela nous amène à relever des défis plus importants lors de la conception des ressorts et nous voulons bien sûr être prêts à répondre aux exigences futures", explique Martin Oschwald. "Nous voyons encore un grand potentiel sur le marché des ressorts ondulés. Mais jusqu'à présent, de nombreuses étapes sont encore nécessaires pour obtenir des offres solides. En outre, la pression sur les coûts est considérable, de sorte que nous voulons exploiter un potentiel d'optimisation supplémentaire grâce à la numérisation. Notre objectif est de réduire le temps de passage de la demande du client à l'offre ferme de plusieurs semaines à quelques jours".
Création élaborée de prototypes
Jusqu'à présent, la conception se faisait avec une approche de modèle simple, à partir de laquelle une première offre était établie avec des réserves techniques. Si le client commandait un prototype correspondant, les spécialistes des ressorts chez BAUMANN lançaient la fabrication des premiers prototypes. Leur conception reposait sur un environnement de conception basé sur Excel, dans lequel de nombreuses valeurs empiriques étaient enregistrées. Avec cette méthode de travail, une procédure itérative faisait partie de la pratique quotidienne. Ce n'était que lorsqu'une solution acceptable avait été ainsi trouvée que la production d'échantillons était lancée pour vérifier la faisabilité de la fabrication.
"Malgré les exigences croissantes, la complexité de la conception et de la fabrication des ressorts annulaires doit rester maîtrisable pour nous", explique Martin Oschwald. "C'est pourquoi nous avons lancé un projet en collaboration avec la Haute école spécialisée de Suisse orientale OST afin d'optimiser nos processus. Le projet a été soutenu par Innosuisse et a duré deux ans. L'objectif de ce projet était de rendre nos processus plus rapides, plus standardisés et plus numériques".
Projet commun avec la Haute école spécialisée de Suisse orientale
En collaboration avec l'Institut pour le développement de systèmes mécatroniques (EMS) à Buchs, le ressort ondulé ainsi que son processus de déformation ont été étudiés en production et représentés dans l'environnement de simulation d'Ansys. La simulation de systèmes mécaniques statiques et dynamiques fait partie des compétences clés de l'institut EMS. Grâce à de telles sujets de recherche proches de l'industrie, les technologies innovantes et les connaissances acquises sont transférées de la haute école spécialisée à l'industrie locale.
Les questions importantes posées au cours du projet étaient notamment les suivantes : Quels paramètres du ressort influence la conception ? Comment le ressort se comporte-t-il sur la machine d'usinage ? Comment comparer les processus numériques et réels afin d'obtenir des réglages reproductibles pour la fabrication ? Les nouveaux processus devraient être conçus fin que les collaborateurs puissent à l'avenir se concentrer sur les activités avec de la valeur ajoutée. En même temps, la valeur ajoutée pour le client devrait être augmentée.
Le modèle numérique du ressort ondulé
A la première étape du projet, un modèle paramétrique FEM (méthode des éléments finis) d’un ressort à anneaux ondulés a été généré à l’aide du logiciel de simulation Ansys, à partir de la géométrie CAO existante. Outre les caractéristiques du ressort - comme le diamètre, le nombre de spires et d'ondulations, la largeur et l'épaisseur du fil ainsi que les valeurs caractéristiques du matériau - la simulation a également pris en compte d'autres paramètres, par exemple la précontrainte et le comportement de tassement. La représentation du workflow a été réalisée dans une extension de l'environnement de simulation, conçue avec Ansys ACT (Application-Customization-Toolkit), de sorte que les ingénieurs de BAUMANN disposent d'une interface utilisateur spécifique à l'application et d'un processus de calcul entièrement automatisé pour la conception des ressorts ondulés.
Cela simplifie énormément le travail, car les simulations fournissent directement les données nécessaires sur les tensions qui apparaissent et pour la courbe caractéristique du ressort afin d'évaluer les points de fonctionnement. Un autre point positif est que le modèle FEM, entièrement paramétrique, qui permet de réaliser très facilement des études de paramètres de simulations. Il est ainsi possible de varier et de combiner à volonté les valeurs des caractéristiques pour en savoir plus sur le comportement des variantes de ressorts et trouver une solution optimale.
La vérification des modèles sur le banc d'essai
Un autre aspect important est la vérification des résultats de la simulation avec des essais et des mesures réels. C'est la base d'une comparaison solide entre les données réelles mesurées sur les ressorts et les résultats des ressorts construits et simulés virtuellement. "Afin de ne pas comparer des pommes avecet des poires, la géométrie réelle du ressort doit d'abord être saisie pour la simulation à l'aide d'un procédé approprié, en l'occurrence la projection de lumière rasante", souligne Martin Oschwald. "Se contenter de prendre en compte la géométrie théorique CAO n'est pas suffisant et pourrait conduire à des résultats de comparaison faussés".
De même, la comparaison tient compte des précontraintes axiales qui apparaissent lors de la fabrication. Il en va de même pour le comportement à la compression et au tassement, qui peut également être simulé. Dans l'ensemble, le directeur de la recherche et du développement chez BAUMANN est très satisfait de la comparaison des résultats des essais et de la simulation, car une bonne concordance correspondance a pu être constatéeétablie. Cela ouvre la voie à l'utilisation de la simulation FEM comme un standard pour la conception des ressorts à ondes.
L'optimiseur garde en vue différents objectifs
"L'un des plus grands défis pour nous est de trouver une solution optimale tenant compte des besoins du client sans perdre de vue nos intérêts, en tant que fabricant", explique Martin Oschwald. "Jusqu'à présent, nous avons suivi une approche manuelle et itérative, souvent longue, ne menant pas toujours directement à l'objectif souhaité. C'est pourquoi nous nous sommes penchés sur de nouvelles méthodes, notamment le Métamodèle de prévision optimale, qui est inclus dans Ansys optiSLang".
Ainsi, les études de variantes permettent d'améliorer le comportement du produit de manière ciblée, rapide et rentable. Des analyses de sensibilité permettent alors d'identifier les paramètres déterminants. Des surfaces de réponse permettent de déterminer et d'illustrer les relations entre les variations de conception et les caractéristiques variables du produit en quelques secondes au lieu de plusieurs jours. Il est également possible de prendre en compte simultanément différents objectifs d'optimisation, en utilisant des algorithmes évolutifs pour explorer la zone de résultats. Il est ainsi possible de trouver des solutions pour les ressorts ondulés qui atteignent les valeurs visées par BAUMANN, tant en termes de fonctionnalité que de coûts de fabrication. Jusqu'à présent, cette méthodologie n'a été utilisée par BAUMANN que dans certains domaines, avec un taux de réussite élevé. C'est pourquoi son utilisation sera étendue progressivement.
Modèles numériques pour les processus de production
"Les processus doivent également être améliorés pour la production - et plus particulièrement pour les déformations lors de la fabrication des ressorts - avec l'aide de la simulation. Ici, la question des paramètres d'entrée nécessaires pour les ressorts ondulés souhaités est au centre de l'intérêt. Ainsi, le diamètre du ressort à produire est calculé à l'aide de simulations, la position des outils de formage jouant un rôle décisif, de sorte que la tolérance de position doit être maintenue aussi faible que possible.
Les simulations sont également utilisées pour analyser l'onde souhaitée afin d’améliorer l'excitation par les paramètres de la machine. Les spécialistes des ressorts s'intéressent aux paramètres qui ont une influence sur l'expression de la géométrie de l'onde du ressort. Jusqu'à présent, ces simulations ont principalement été réalisées en 2D et permettent de mieux comprendre les processus de fabrication. Toutefois, l'objectif à long terme est de mieux comprendre quelles valeurs d'entrée spécifiques sont nécessaires pour obtenir les caractéristiques souhaitées du ressort ondulé concerné.
Développer un workflow continu
Les objectifs atteints jusqu'à présent dans le cadre du projet Innosuisse, que BAUMANN a entrepris en collaboration avec l'OST, sont très prometteurs. Le responsable de la recherche et du développement chez BAUMANN souligne tout d'abord les possibilités générales offertes par le projet : "Nous avons ainsi obtenu un accès plus large aux technologies les plus récentes et avons pu tester des méthodes qui nous étaient jusqu'alors inconnues. Les nouvelles approches issues de l'enseignement supérieur nous ont aidés à essayer des choses impossible à réaliser dans notre travail quotidien. Les conditions principales de réussite étaient, d'une part, le temps nécessaire pour s'intéresser de près au sujet. D'autre part, l'ouverture au changement et à l'innovation doit être présente à tous les niveaux afin de développer ensemble une vision propre à l'entreprise pour intégrer les nouvelles technologies".
Dans cette optique, les processus de fabrication des ressorts ondulés ont été analysés en profondeur et un potentiel de réorganisation a été mis en évidence. Pour ce faire, il a été nécessaire de développer, de construire et de mettre en œuvre des workflows inédits. Grâce à la standardisation, à l'optimisation et à la numérisation, les spécialistes des ressorts ont obtenu une plus grande sécurité des processus et ont pu accélérer les procédures. De plus, les capacités de collaboration avec des partenaires externes et des universités ont été améliorées. "Le plus important pour nous était bien sûr de développer des technologies qui ont le potentiel de raccourcir considérablement le processus d'offre, et nous y sommes parvenus", souligne Martin Oschwald. "Si nous partons seulement d'une économie d'un jour par offre, cela représente déjà un gain de temps de 100 jours pour 100 offres par an. En plus, grâce aux analyses de paramètres que nous effectuons avec Ansys optiSLang, nous sommes en outre en mesure de garder un œil direct sur les différents objectifs d'optimisation. Un autre facteur important du développement continu est que la méthodologie et les technologies que nous utilisons maintenant avec succès pour les ressorts ondulés peuvent être appliquées à d'autres types de ressorts. Ainsi, à l'avenir, nous pourrons de plus en plus souvent nous passer de processus de conception longs et inefficaces et atteindre nos objectifs de manière directe".
Martin Oschwald, directeur de la recherche et du développement chez BAUMANNGrâce aux simulations et aux analyses de paramètres supplémentaires avec Ansys optiSLang, nous sommes en mesure de créer rapidement et en toute sécurité des designs pour les ressorts ondulés souhaités, en gardant à l'esprit les différents objectifs d'optimisation.
BAUMANN Springs Ltd.
Martin Oschwald
Head of Research and Development
martin.oschwald@baumann-group.com
Auteurs: Gerhard Friederici
(CADFEM Germany GmbH)
Images: © BAUMANN Springs Ltd.
Publié: Mars, 2023
