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FORGE® NxT - Présentation

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L’outil de simulation de pointe pour l’industrie du forgeage

FORGE® NxT est la solution logicielle idéale pour la simulation des procédés de mise en forme à chaud et à froid. Depuis près de 30 ans, ce produit phare de TRANSVALOR est utilisé par des clients du monde entier. FORGE® NxT satisfait les exigences des fabricants de pièces forgées pour différents secteurs industriels tels que l’automobile, l’aéronautique, la défense, l’énergie, le bâtiment, le médical, etc.

 

 

FORGE® NxT permet de simuler un grand nombre de procédés de forgeage à chaud tels que le matriçage, le forgeage libre, le laminage, le laminage retour, le laminage de forme, le laminage transversalle laminage circulaire, le forgeage rotatif, le forgeage orbital , le soudage par friction, le fluotournage, la fixation, l'hydroformage, le forgeage incrémental, le formage de verre, l’extrusion, le roulage de filets, le formage superplastique, le tréfilage, l’emboutissage, le cisaillage, le perçage, les procédés de découpage, l’ébavurage et certains autres procédés de fabrication non conventionnels. FORGE® NxT offre la possibilité de simuler les traitements thermiques tels que le chauffage par induction, la trempe, la cémentation et le revenu. FORGE® NxT permet également de simuler des opérations de formage à froid, décrites dans la rubrique COLDFORM® et incluses dans le logiciel FORGE® NxT.

S’appuyant sur des technologies innovantes, un large éventail de fonctionnalités ainsi que des performances inégalées conjuguées à une interface graphique intuitive et conviviale, FORGE® NxT est l’outil de simulation idéal pour répondre aux appels d’offres de nouveaux composants forgés. FORGE® NxT permet de valider la gamme de forgeage, de résoudre les problèmes rencontrés en atelier, d’améliorer la productivité et de développer des produits forgés innovants.
 

"J’utilise FORGE® depuis 2008 pour la simulation de nombreuses séquences de forgeage. Je recommande vivement ce logiciel pour son exactitude et sa fiabilité. L’équipe Transvalor fait un excellent travail pour apporter plus de succès à ce programme de simulation. Continuez !"

Mohamad Cherri
Conception et Ingénierie
Schaeffler Technologies GmbH & Co. KG

Herzogenaurach Allemagne

Caractéristiques générales et avantages

FORGE® NxT est un investissement approprié pour :

  • réduire le temps de conception,
  • réduire les couts d’essais et de matériaux,
  • répondre à des appels d'offres
  • concevoir des composants complexes qui n’auraient pas pu être fabriqués avant,
  • réduire le « time-to-market »,
  • optimiser les gammes de forgeage existantes,
  • prolonger la durée de vie des outils,
  • pérenniser le savoir-faire et la compétence au sein de la société.

FORGE® NxT permet d'analyser rapidement et de manière précise le forgeage de vos composants forgés. Ainsi, il est possible de concevoir et de valider les gammes de forgeage par la prédiction précise des informations suivantes :

Pour la pièce forgée:
La géométrie finale et les dimensions finales, en incluant le retour élastique (point particulièrement important pour les pièces forgées proches des cotes finales), les sous remplissage, la matière excédentaire, les replis, le fibrage et la déformation généralisée, l’endommagement, les contraintes résiduelles, la microstructure et bien d’autres (température, vitesse de la déformation, déformation équivalente, usure et toute autre variable complémentaire, spécifique à l’utilisateur).

Analyse des plis/replis : la prédiction exacte d’apparition de plis/replis sur un composant en acier destiné à l’exploitation minière. La zone des replis est représentée en rouge dans le cadre


Pour l’outil:
L’usure par abrasion, l’endommagement, les contraintes et les risques de rupture, la température durant tout le procédé.

Pour l’équipement:
Le choix du bon équipement grâce à la prédiction exacte de la force de forgeage, de la déflection de l’équipement.

Force de forgeage durant l’opération de finition d’un villebrequin pour moteur 6 cylindres (presse mécanique)

 

 

Une interface graphique intuitive

La nouvelle interface graphique offre une prise en main intuitive et rapide ainsi qu’une navigation facilitée. Les outils de pré et post traitement sont réunis dans une plateforme unique, les mises en données se font de manière conviviale grâce à des gammes de forgeage prédéfinies. Plus qu’une interface graphique, cette plateforme, en offrant la possibilité d'enregistrer les processus standards de l'entreprise, permet d’être le référentiel du savoir-faire de l’entreprise en matière de forgeage.

 

 

Fonctionnalités avancées de suivi

Lors de la conception de nouvelles pièces forgées ou de l’analyse de problèmes d’atelier, la prédiction des défauts est déterminante. C’est pour cette raison que des fonctionnalités avancées de suivi et de marquage sont intégrées dans le logiciel FORGE® NxT. Faciles à utiliser, elles offrent des avantages importants à la conception des gammes de forgeage.

  • Les replis peuvent très facilement être détectés et visualisés.
  • Le fibrage peut être prédit et analysé durant toute la gamme, ce qui permet de détecter d’éventuels replis internes. La grille utilisée pour suivre le fibrage est automatiquement remaillée de manière à augmenter la précision du suivi.
  • La détection des défauts d’aspiration (replis internes) est possible grâce à une méthode de suivi inédite. Un maillage interne de sous-peau est créé puis automatiquement suivi durant toute la simulation. Comme pour le fibrage, ce maillage est automatiquement remaillé quand cela est nécessaire, de façon à offrir la plus haute précision.
  • Le suivi de la surface de découpe : la surface de découpe du lopin de départ peut être suivie à travers toutes les opérations de la gamme de forgeage et localisée dans la géométrie finale. Cette fonctionnalité s’appuie sur la même méthode que précédemment.
  • Le suivi inverse de la bavure : il est possible d’effectuer un suivi inverse de la bavure de la pièce finale. Cela permet de la localiser dans le lopin de départ, de façon à éventuellement économiser de la matière.
                  Analyse du fibrage durant l’opération de finition d’une pièce automobile

 

Analyse dans les outils

La prédiction de la durée de vie des outils et l’extension de cette durée de vie sont des défis majeurs de l’industrie du forgeage. Il est important de pouvoir prédire et de comprendre le niveau de contrainte dans l’outillage durant la mise en forme et après de multiples cycles. À cette fin, FORGE® NxT offre une fonctionnalité de calcul dans les outils déformables, avec 2 méthodes disponibles :

  • Le calcul découplé : un calcul thermomécanique est effectué séparément pour l’outil et la pièce. Cette méthode permet une analyse rapide par une résolution en deux étapes. La première étape consiste à simuler le forgeage avec des outils rigides ; les forces exercées sur les outils rigides sont alors appliquées dans une deuxième étape sur les outils considérés cette fois comme déformables. Cette approche permet de prédire la distribution de contraintes et l’usure dans l’outillage à tout instant du procédé et non pas uniquement sur la configuration finale. Cette méthode est parfaitement adaptée à une première prédiction du niveau de contrainte.
  • Le calcul couplé : la simulation se fait dans ce cas en une seule étape où les outils sont considérés comme déformables et où un calcul thermomécanique entre la pièce et des outils est réalisé. Cette méthode s’appuie sur une procédure de contact spécifique entre les corps déformables. Cette approche permet de prédire les contraintes mais aussi les déformations, les cartes de température, l’endommagement, etc. Elle permet une analyse plus fine du calcul dans les outils. Elle est particulièrement recommandée pour les pièces forgées proches des cotes finales.

Les outils précontraints sont faciles à simuler grâce une méthode numérique avancée d’ajustement par serrage, permettant de réduire dans le calcul le nombre d’outils déformables.

Analyse thermo-mécanique couplée entre la pièce et les 6 outils. La contrainte équivalente de Von Mises est représentée dans les outils.

 

Chauffage par induction

TRANSVALOR propose un outil de simulation innovant pour la résolution des problèmes électromagnétiques intervenant durant le chauffage par induction. Le chauffage de tout le lopin de départ avant mise en forme est également possible. Le traitement thermique par induction : chauffage local suivi de trempe, peut aussi être simulé. Le bénéfice majeur est une grande précision de la distribution locale de la température nécessaire à une bonne prédiction de la métallurgie après trempe.

Le chauffage par induction résulte de la dissipation de chaleur par effet Joule provoquée par des courants de Foucault. Ces courants de Foucault sont induits par un champ magnétique dû à des courants alternatifs circulant dans l’inducteur. Pour simuler le chauffage par induction FORGE® NxT s’appuie sur un couplage entre le calcul électromagnétique et le calcul thermique:

  • La simulation de l’électromagnétisme s’effectue sur la base d’un maillage global prenant en compte la pièce, un ou plusieurs inducteurs, des objets additionnels tels que tôles de cuivre et l’air. Cela est possible grâce à une technique de maillage facile à mettre en œuvre et puissante. Le calcul permet d’obtenir la répartition de chaleur dans la pièce.
  • La simulation de la chauffe est la résolution d’un problème thermique classique de façon à calculer la distribution de température dans la pièce à partir de la quantité de chaleur calculée à l’étape précédente.

Les deux résolutions peuvent être couplées facilement afin de prendre en compte la dépendance à la température des paramètres électromagnétiques. Une base de données de paramètres électromagnétiques est fournie dans la version commerciale. En exploitant la distribution thermique exacte, la résolution du chauffage par induction peut être suivie d’une simulation de la trempe, en s’appuyant ainsi sur une carte précise du champ de température.
 

Temperature La croissance des grains pendant le chauffage
Chauffage par induction d'un alliage base nickel.


Un composant d'alliage à base de nickel est partiellement chauffé par induction. Les étapes ultérieures de formage sont réalisées sur la matière chauffée seulement. La pièce est placée dans une bobine de spire hélicoïdale. La distribution résultante de la température tout en n'étant pas symétrique est calculée avec précision, ce qui est illustré dans la vidéo de gauche ci-dessus.
Dans cet exemple, un modèle de croissance de taille de grain a été utilisé en complément du calcul thermique (vidéo à droite). Les simulations de mise en forme correspondant à la suite du process de fabrication bénéficieront ainsi  d'une distribution initiale précise de température et de taille de grain.

 

Traitements thermiques et métallurgie

Avec la tendance actuelle de pouvoir prédire les propriétés d’usage, les procédés de traitement thermique ainsi que la métallurgie doivent, en plus des procédés de mise en forme, pouvoir être simulés. Aussi, de manière à répondre à cette demande coissante, FORGE® NxT offre un éventail élargi de solutions pour la simulation des traitements thermiques et permet de simuler des chaines complètes de traitement thermique :

  • La cémentation : ce traitement s’effectue sur un acier austénitique en vue d’obtenir, après refroidissement, une phase martensitique riche en carbone et ainsi un durcissement superficiel du matériau. Ce durcissement local du à l’augmentation du taux de carbone est simulé en s’appuyant sur l’équation de diffusion d’élément chimique. Le résultat de ce calcul permet d’obtenir une répartition précise du carbone dans la pièce qui sera ensuite utilisé dans l’opération suivante.
  • La trempe : la trempe à cœur ainsi que la trempe superficielle peuvent être simulées en prenant en compte des conditions de refroidissement diverses et des conditions aux limites non uniformes. Un des principaux avantages concerne la validation des conditions opératoires, grâce à la prédiction des contraintes résiduelles, de la dureté, de la déformation et distorsion, des phases métallurgiques dans la pièce. Le modèle utilisé s’appuie sur le couplage entre les cinétiques de transformation, le comportement mécanique et les évolutions thermiques. Le modèle de transformation cinétique est basé sur la formulation de Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK). Chaque phase métallurgique a son propre comportement thermomécanique et une loi de mélange est appliquée en fonction de la teneur en éléments dans les phases.
  • Le revenu : le revenu constitue un élément important dans la chaine de traitement thermique. Il permet de réduire les contraintes résiduelles et de trouver un compromis entre dureté et ductilité. Avec FORGE® NxT, il est possible de prédire la dureté dans la pièce à la fin de la chaine de traitement thermique : trempe suivie de revenu.
  • Les changements métallurgiques durant la mise en forme : pour le forgeage à mi-chaud ou pour les procédés avec des refroidissements locaux, des changements de phases peuvent subvenir. Ces changements peuvent être pris en compte grâce au modèle de changement de phases des aciers.

Les diagrammes TTT ainsi que les diagrammes TRC sont supportés. Une interface graphique dédiée permet de visualiser et de modifier les courbes TTT et/ou CRT.

Pour les pièces de haute technologie, FORGE® NxT permet de prédire la microstructure (taille des grains et taux de recristallisation) lors de la chauffe et de la mise en forme. Les lois de recristallisation utilisées sont basées sur des modèles macroscopiques qui prédisent :

  • la recristallisation dynamique,
  • la recristallisation statique / post-dynamique,
  • la croissance de grains.

Des données de recristallisation sont disponibles pour un large éventail de matériaux (aciers bas carbone, aciers inoxydables, aciers microalliés, alliages de nickel spéciaux).

"FORGE® est un logiciel très puissant de simulation de formage des métaux. Il nous permet depuis de nombreuses années de développer de nouveaux procédés de formage avec un haut niveau de confiance et de fiabilité. L’amélioration continue dans des domaines tels que le traitement thermique, la métallurgie ou les données de matériaux, nous donne la possibilité d’étudier en profondeur les paramètres des procédés qui influencent les propriétés de la pièce finale. L’utilisation de FORGE® est incontournable dans notre travail quotidien car il joue un rôle clé lors de la conception des procédés de forgeage."

Iñaki Perez Bilbao
Recherche & Innovation
TECNALIA
Derio, Espagne

 
Prédiction de la dureté à la fin du traitement thermique.

 

Optimisation automatique

TRANSVALOR est leader dans le domaine de l’optimisation depuis 5 ans, proposant régulièrement de nouvelles fonctionnalités innovantes. Ainsi, FORGE® NxT constitue la meilleure solution disponible sur le marché pour améliorer les rendements de forgeage. L’optimisation peut être utilisée pour 2 objectifs : l’optimisation de la conception des pièces forgées et l’identification de paramètres.

  • L'optimisation entièrement automatique de la conception des pièces forgées permet de réduire les coûts matière en diminuant la masse du lopin de départ, de réduire les dépenses d’énergie avec la diminution de la force de forgeage, d’allonger la durée de vie des outils en minimisant le niveau de contrainte dans les outils, …

Grâce à cette fonctionnalité avancée, l’utilisateur final n’est plus obligé de définir des points de plan d’expérience. Chaque valeur de paramètre est automatiquement définie sans nécessité de saisir des données, et ce jusqu’à ce que la solution optimale soit trouvée. En outre, on peut sélectionner les paramètres d’optimisation parmi un ensemble de valeurs discrètes spécifiques permettant d’adapter la solution aux dimensions du fournisseur de matériel. Grâce à la stabilité et à la robustesse du solveur de FORGE® NxT, il est possible de réduire le poids initial du lopin pour des gammes de forgeage comprenant plusieurs opérations, tout en satisfaisant les exigences de qualité du produit final – le tout de façon entièrement automatique. Il est par ailleurs possible de réaliser le design automatique de géométries complexes et avec des paramètres d’optimisation complexes grâce au couplage avec les applications CAO usuelles. Les CAO actuellement supportées sont ProE wildfire à partir de la version 5.0 et Creo et SolidWorks, à partir de la version 2012.

Paramétrage automatique dans le système de CAO.        Avant optimisation (en rouge) et après optimisation (en bleu).


Grâce à l'optimisation liée à un système CAO, le poids initial du lopin a été réduit à 5.1 Kg en économisant 10% de matière.

  • Identification de paramètres par analyse inverse

FORGE® NxT permet d’identifier des paramètres procédé difficiles à mesurer tels que le coefficient de frottement ou les paramètres d’une loi matériau. Les paramètres optimaux sont calculés de manière automatique à partir de courbes expérimentales de référence. L’avantage en est l’accroissement de la fiabilité et de la précision de la simulation grâce à l’utilisation de valeurs correctes pour ces paramètres.

 

Réduction des temps CPU

TRANSVALOR est leader en matière de solutions numériques innovantes pour réduire les temps de calcul. TRANSVALOR est le seul éditeur de logiciel en simulation du forgeage qui dispose de solutions parallèles depuis plus de 10 ans. La version parallèle de FORGE® s’appuie sur la décomposition de domaines sur lesquels la résolution thermo-mécanique, le remaillage et le transport sont traités entièrement en parallèle. Le calcul parallèle est disponible pour l’ensemble des procédés traités par FORGE® NxT et est compatible avec toutes les options, y compris l’analyse couplée dans les outils et l’optimisation automatique.

Avec la baisse du coût des ordinateurs multi-cores, le calcul parallèle devient accessible à toute taille d’entreprise. La version parallèle de FORGE® NxT permet d’obtenir les meilleures performances et les meilleurs gains en temps de calcul.

Temps de calcul par rapport au nombre de coeurs pour toutes les opérations de forgeage (5) pour un arbre de direction. L'efficacité du calcul parrallèle de cette simulation est de 80%.


Pour les procédés de forgeage libre et de forgeage incrémental, FORGE® NxT dispose d’une technique numérique originale permettant :

  • une réduction significative du temps de calcul,
  • une précision accrue. Des maillages plus fins peuvent être utilisés avec des temps CPU équivalents voire plus faibles.

Cette méthode dite de bi-maillage est basée sur la décomposition automatique en deux maillages : un maillage fin pour le calcul thermique et le stockage des variables historiques et un second maillage automatiquement adapté au calcul mécanique afin de capturer les déformations localisées.

La mise en données correspondant à cette nouvelle technique est facile puisqu’il suffit de définir le maillage fin, maillage à partir duquel le maillage mécanique adapté est déduit automatiquement. Cette technique est pleinement compatible avec le calcul parallèle.

La technique de bi-maillage de FORGE® NxT permet d'accélerer les calculs pour la simulation de procédés characterisé par des déformations tels que le bigornage, l'étirage de barre ou le forgeage incrémental.

 

Technologies de maillage innovantes

De nombreuses techniques de maillage performantes ont été intégrées dans FORGE® NxT de façon à générer des maillages de qualité pour des résultats précis.

Pour les procédés tels que le laminage multi-couches, la coextrusion ou d’autres procédés mettant en jeu plusieurs matériaux, FORGE® propose une technique de maillage adaptée aux procédés multi-matériaux. La pièce est représentée par un seul maillage, ce maillage étant composé de plusieurs matériaux. Le maillage multimatériaux se distingue de l’approche multicorps pour laquelle chaque matériau a son propre maillage.

FORGE® NxT permet aussi de répondre aux besoins de simulation pour la mise en forme de produits fins. Cela concerne des procédés tels que l'hydroformage, l'emboutissage de tôles, …. Avec une technique de remaillage spécifique, le maillage de la pièce est optimisé de façon à :

  • assurer un nombre définis de nœuds dans l’épaisseur avec un nombre de nœuds du maillage EF global qui soit acceptable,
  • obtenir un maillage adapté aux gradients de température, à la déformation équivalente et la vitesse,
  • adapter le maillage à la courbure locale.

Cette nouvelle technique conduit à la création de maillages adaptés et anisotropes, qui garantissent un maillage fin dans les zones où cela est nécessaire, tout en conservant un temps de calcul acceptable.

Forrmage superplastique d'une colonne de direction d'un vélo en titane (contrainte équivalente).

 

Modèles et bases de données

Pour décrire le comportement de la pièce, FORGE® NxT dispose de multiples modèles :

  • lois de comportement viscoplastique,
  • lois de comportement élasto-viscoplastique,
  • lois de comportement élasto-plastique. Il s’agit de vrais modèles élasto-plastiques, qui permettent de traiter les simulations en mise en forme à froid de façon à prédire avec précision les côtes finales, les contraintes résiduelles et le retour élastique.

En plus de ces lois, des modèles sont disponibles pour les matériaux anisotropes. Enfin, les écrouissages complexes tel que l’écrouissage cinématique sont également disponibles.

Une large gamme de données matériaux, couvrant plus de 1000 matériaux, est disponible pour la mise en forme à chaud et à froid. Il est également possible d’intégrer des données tabulées ou de les importer du logiciel JMatPro de SenteSoftware. Parmi les données matériaux mises à disposition figurent également les données de recristallisation et les données électromagnétiques.

FORGE® NxT offre une large gamme de cinématiques de presses et des équipements usuels couvrant les presses hydrauliques, les pilons à contre-frappe, les presses à genouillère, les presses mécaniques, les presses hydrauliques à plusieurs vitesses, les presses à vis, les presses pour forgeage orbital, les machines à forger, les laminoirs pour laminage circulaire, en incluant des pilotages tels que le contrôle d’accroissement de diamètre et les galets centreurs.

Différents modèles de frottement sont disponibles, Coulomb, Tresca, Viscoplastique ainsi que des coefficients de frottement non uniformes.

De même, plusieurs modèles d’endommagement peuvent être utilisés : Latham&Cockroft, Lemaître, Oyane, Shark skin, Rice Tracey…

Enfin, FORGE® Nxt est un code ouvert qui permet aux clients de définir leurs propres modèles via l’utilisation de routines utilisateurs.

 

Convivialité et souplesse

FORGE® NxT assure une souplesse accrue grâce à

  • l’importation de fichiers de CAO dans des formats neutres tels que STEP, STL, UNV, NASTRAN/PATRAN, Parasolid ;
  • l’exportation de fichiers en 2D et au format STL, DXF, UNV, 3D Ansys ;
  • le chaînage automatique des opérations ;
  • la génération automatique de rapports de calcul ;
  • un solveur jusqu’à 64 cœurs en parallèle ;
  • l’accès illimité à l’interface graphique pour le pré- et post-traitement.

 

 

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