Simulations comme préalable à l’application du procédé ‘durcissage intégré au laser’

laserharden

Le durcissage intégré au laser présente de multiples avantages dans la fabrication de composants d’outils, mais le paramétrage adéquat du laser, en fonction des nouveaux matériaux et des propriétés de surface, est souvent réalisé de manière empirique. Pour simplifier et accélérer cette étape préalable, la simulation est une bonne solution.

Le durcissage intégré au laser est une technologie qui apporte de multiples avantages dans la fabrication de composants d’outils, par exemple, les buses d’injection, matrices, outils d’estampage, roues dentées, lames de couteau et glissières. Ce procédé d’usinage permet de réduire fortement le temps de réalisation (le fraisage et durcissage localisé sont réalisés au cours d’une même étape), et il permet d’éviter les coûteux mouvements de logistique. Le durcissage au laser étant très localisé et la vitesse de refroidissement nettement plus rapide que le procédé conventionnel, les rectifications par enlèvement de matière sont superflues. Et il est possible de maximiser le degré de dureté, avec une incidence positive sur la tenue des outils. Le procédé permet également d’économiser 40 pour cent sur les coûts de production, en comparaison avec la méthode classique de durcissage et rectification par enlèvement de matière.

Toutefois le paramétrage adéquat du laser, en fonction des nouveaux matériaux et des propriétés de surface, est souvent réalisé de manière empirique. Il s’agit d’éviter à tout moment une fusion à la surface du matériau. Certes, les surfaces ayant été fondues se caractérisent par une dureté plus élevée, mais également par une plus grande rugosité, et des tensions de traction se sont formées dans le métal, tandis que pour sa part le procédé normal de durcissage au laser n’occasionne aucun changement de rugosité et introduit des tensions de compression élevées (> 500 MPa). Les zones fondues ont une durée de vie plus courte et nécessitent une rectification par meulage ou fraisage.

Simulation du durcissage

Pour simplifier et accélérer la détermination du paramétrage adéquat, Sirris a développé une méthode permettant de simuler le durcissage au laser. Sur la base d’un modèle 3D-CAO, ainsi que des propriétés thermiques du matériau et de l’état de surface (meulée, fraisée ou sablée), il est possible de déterminer la distribution de la température dans le matériau, en fonction de différents paramètres (vitesses, diamètres du spot et puissances du laser). Sur la base du diagramme de la phase du matériau, et donc de la température de fusion connue, on peut ensuite déterminer quels sont les paramètres à utiliser pour durcir le matériau de manière adéquate au laser. La méthode permet également de déterminer la profondeur du durcissage, ce qui est très utile lorsqu’il s’agit d’usiner une pièce unique : une analyse métallurgique n’est pas toujours souhaitée.

A titre d’illustration, nous avons modélisé un couteau évoqué avec le logiciel COMSOL.

Lire plus sur Techniline.

Tags: