Kennametal renouvelle son innovation en matière de matériau de coupe avec un outil imprimé en 3D pour le fournisseur automobile Voith
Tirant parti du succès de son outil primé d'alésage de stator imprimé en 3D pour l'usinage de véhicules électriques, Kennametal a développé un outil innovant de carter de transmission imprimé en 3D pour Voith qui réduit le poids d'environ 45 % et le temps machine d'environ 50 %.
Alors que les composants de transport deviennent de plus en plus sophistiqués et que les exigences sont plus strictes, les fabricants ont besoin de solutions d'outillage complexes pour usiner ces composants. Cependant le poids de cet outillage peut parfois s’avérer trop lourd pour un fonctionnement efficace sur les centres d’usinage, les changeurs d’outils et les magasins d’outils. Et il peut arriver que les opérateurs de machines aient des difficultés à gérer l’outil.
Une récente collaboration entre Kennametal, leader de la technologie industrielle, et Voith, fournisseur leader de technologies de transmission, montre comment l'impression 3D, ou fabrication additive, offre une voie vers de nouvelles solutions d'outillage plus légères qui surmontent ces défis tout en améliorant la productivité et l'efficacité.
Le défi : Des usinages multiples, avec une tolérance serrée et de grand diamètre en utilisant les centres d’usinage existants
Voith souhaitait une solution innovante pour optimiser davantage ses processus d’usinage pour les carters de transmission. La société avait besoin d’un outil à plusieurs étages capable d’usiner plusieurs alésages en une seule opération pour atteindre les tolérances requises. L’outil devait également avoir deux arêtes de coupe efficaces sur les principaux diamètres pour respecter le temps de cycle spécifié. Enfin, l’outil devait peser moins de 12 kg afin de répondre aux exigences de changement d’outil et de moment d’inclinaison sur la chaîne d’outils.
« Effectuer l'usinage finition d'un grand boîtier en aluminium avec plusieurs alésages jusqu'à 350 mm et le degré de tolérance IT7 est une application exigeante », a déclaré Werner Penkert, directeur de l'ingénierie produit. « Pour usiner ces gros alésages avec des tolérances aussi serrées, nous avons besoin d’outils très rigides, et cet outillage est généralement très lourd. Fabriquée selon les méthodes conventionnelles pour ce type d’application, une solution d’outillage typique peut peser jusqu’à 25 kg, ce qui est trop lourd pour les machines existantes ou pour un opérateur travaillant avec l’outil. »
Intriguée par la façon dont nous avons exploité l’impression 3D pour produire un outil d’alésage de stator plus léger pour l’usinage de véhicules électriques, l’équipe Voith s’est tournée vers Kennametal pour trouver une solution en collaboration avec le leader de la technologie industrielle.
« L’approche innovante avec laquelle Kennametal utilise l’impression 3D nous a inspirés et donné envie de nous joindre à eux pour explorer cette nouvelle voie », déclare Friedrich Oberländer, directeur de la technologie de production chez Voith.
La solution : L’expertise de Kennametal en conception générative et impression 3D
Comme pour l'outil d'alésage de stator, Kennametal a tiré parti de son expertise dans la fabrication d'additifs métalliques, ainsi que du concept de conception générative, pour répondre aux hautes exigences qu’imposait l'outil de transmission de Voith.
Avec la fabrication soustractive conventionnelle, le poids est réduit en éliminant l’excès de matériaux. Mais avec l’impression 3D, les fabricants peuvent commencer à partir de rien, utiliser les matériaux uniquement là où c’est nécessaire, et produire des géométries plus légères et plus complexes, impossibles à obtenir avec les processus de fabrication conventionnels.
Pour tirer pleinement parti de la liberté de conception de l’additif, Kennametal a utilisé la conception générative, un processus itératif qui optimise la conception des pièces imprimées en 3D pour répondre à un ensemble de contraintes spécifiques à l’application. Le processus de conception générative produit souvent des formes organiques complexes qui rappellent les structures présentes dans la nature.
Dans le cas de l'outil Voith, la conception générative a directement traité les forces d'usinage sur l'outil, permettant à Kennametal de concevoir une solution optimisée pour la stabilité, la rigidité, l'équilibrage et l'alimentation en lubrifiant, avec un poids de seulement 11,5 kg.
Kennametal a appliqué son expertise non seulement dans la fabrication additive, mais également dans l'usinage pour produire l'outil. Les logements d'outils subissent un usinage précis et sont conçus pour être utilisés en combinaison avec la technologie éprouvée de plaquettes RIQ de Kennametal.
« Additive est l’un des outils de notre boîte à outils, mais nous avons également mis en pratique notre expertise approfondie en usinage de précision pour développer une nouvelle solution qui répond efficacement aux défis de l’alésage de trous profonds en conjonction avec plusieurs grands diamètres », Penkert.
La conception de l'outil de carter de transmission imprimé en 3D de Kennametal imite les formes organiques présentes dans la nature, offrant un poids réduit et une réduction de 50 % du temps machine pour le client, Voith. Crédit image : Kennametal
Les résultats : réduction du temps machine de 50 %
En étroite collaboration avec Voith, Kennametal a fabriqué un prototype d'outil et l'a mis à l'épreuve dans son centre de démonstration de Fürth, en Allemagne, qui fait partie d'un réseau mondial de centres de test et de démonstration où la société travaille avec ses clients pour concevoir, itérer et valider des solutions d'usinage.
Cette solution a été particulièrement difficile à résaliser pour répondre aux exigences de fabrication et de qualité des pièces. La simulation de conception, la fabrication additive et les tests pratiques dans le centre de démonstration ont permis à l’équipe de valider les résultats d’usinage. Voith a ensuite effectué les premiers tests sur site, suivis des tests à plus long terme dans la production en série. D’autres exigences des clients ont été mises en œuvre, et l’outil a été perfectionné et finalisé conjointement.
« L'outil Kennametal a fourni une qualité et des performances exceptionnelles dès la première utilisation, avec une réduction de 50 % du temps machine, tout en répondant aux exigences d’exactitude et d’état de surface. De plus, le poids réduit limite la charge sur le magasin, le changeur d’outils et la broche, réduisant ainsi efficacement les coûts de maintenance », a déclaré M. Oberländer. « Notre collaboration avec Kennametal montre clairement l'énorme potentiel d'innovation de la fabrication additive lorsqu'elle est appliquée dans un tel partenariat coopératif. »
