PLAQUES FROIDES POUR L’E-MOBILITÉ

Intrants techniques et stratégiques pour décider d’investir dans une machine FSW

Le soudage par friction-malaxage d’une plaque froide moulée sous pression offre de grands avantages dans l’industrie automobile. De plus en plus d’entreprises investissent chaque jour dans cette technologie, et elles ont de nombreuses raisons de le faire. Dans cet article, nous examinerons de plus près les aspects techniques et commerciaux du soudage par friction-malaxage dans le cas de l’application des plaques froides moulées sous pression pour l’industrie automobile. Sur le plan technique, nous parlerons des exigences de conception pour un bon soudage par friction-malaxage de la pièce, de la conception de l’outillage de bridage et des paramètres et du contrôle qualité. Ensuite, sur le plan commercial et stratégique, nous en apprendrons davantage sur le marché des plaques froides à eau soudables par FSW et sur l’importance de la taille des séries de pièces pour calculer et optimiser le coût de ces plaques froides.

Mais d’abord, parlons des plaques froides :

Une plaque froide est un composant utilisé pour abaisser la température des appareils électroniques. À l’intérieur, il y a un canal d’écoulement ou boîtier dans lequel circule de l’eau froide. Les composants électroniques à refroidir sont placés dans sa partie arrière. Cette opération est basée sur la loi zéro de la thermodynamique, qui consiste à transférer la chaleur de la partie chaude des composants électroniques pour la dissiper dans l’eau. Ce processus est favorisé par la circulation de l’eau froide, ce qui permet d’éliminer plus rapidement l’excès de chaleur.

L’arrière de la plaque froide, où seront placés les composants électroniques.

Le boîtier doit être parfaitement étanche. Un couvercle est placé sur le canal, et soudé à la plaque froide par FSW. Auparavant, cette action était effectuée par vissage et placement d’un joint d’étanchéité, mais il est beaucoup moins coûteux d’utiliser la soudure par friction-malaxage.  Ceci, combiné à sa haute résistance et à sa parfaite étanchéité, fait des plaques froides moulées sous pression et soudées par FSW un grand avantage concurrentiel pour toute entreprise.

En parlant spécifiquement de l’industrie de l’e-mobilité…

Les plaques froides dans le secteur de la mobilité électrique permettent aux équipements électroniques des voitures électriques de fonctionner correctement en assurant des températures stables aux composants à haute densité (quelles que soient les conditions environnementales). La raison est que la température de la charge thermique est contrôlée électroniquement.

En particulier, les plaques froides en aluminium moulées sous pression sont spécialement conçues pour fonctionner parfaitement dans le secteur de la mobilité électrique en extrayant la chaleur des composants des appareils électroniques. En outre, leur conception permet un usinage moins important que celui d’autres instruments tels que les dissipateurs thermiques extrudés ou usinés, puisque les trous de fixation, les caractéristiques de montage et l’ailette de refroidissement peuvent être fabriqués simultanément.

Chez Stirweld, nous sommes conscients de l’importance des plaques froides à refroidissement par eau soudées par FSW pour l’industrie automobile et, par conséquent, de leur bonne fabrication. Nous insistons sur le fait qu’une conception correcte de la pièce, son serrage et le contrôle qualité sont essentiels.

FSW DES PLAQUES FROIDE POUR L’INDUSTRIE AUTOMOBILE :

CONCEPTION DE LA PIÈCE

La conception de la plaque froide moulée sous pression peut être réalisée conjointement par l’entreprise cliente et nos experts en FSW. Dans ce travail de collaboration, le client fournit le calcul mécanique par éléments finis et nous fournissons les calculs analytiques de résistance des matériaux. Nous sommes ensuite en mesure de faire des recommandations sur (en tenant toujours compte des spécifications du client) :

• L’outil FSW

Lors de l’exécution du procédé de soudage par friction-malaxage pour fermer le canal d’écoulement où circule l’eau froide, l’outil FSW appuie sur la plaque et le couvercle. C’est pourquoi, pour éviter tout type de défaut, une parfaite conception de l’épaisseur du couvercle est essentielle, tout comme la pénétration de la soudure.

En outre, différentes modifications de conception peuvent être effectuées. Voici deux exemples qui sont généralement mis en œuvre :

Marche sous le capot

Pour que le soudage FSW puisse être effectué correctement et qu’aucune fuite ne puisse se produire, il doit y avoir une marche sous le capot qui permette de le positionner parfaitement. La bonne conception de la taille de cette marche est alors cruciale.

Il est également important de prendre en compte les points de départ et d’arrivée du soudage FSW, car l’outil laisse un trou lorsqu’il s’arrête. Pour éviter que ce trou ne devienne un problème, une zone spécifique est créée pour démarrer et arrêter le soudage FSW. Nous pouvons voir un exemple sur les images suivantes :

LE SOUDAGE DES PLAQUES FROIDES MOULÉES SOUS PRESSION PAR FSW :

CONCEPTION DE L’OUTILLAGE

Il n’est pas possible de réaliser correctement la fabrication de plaques froides moulées sous pression pour l’industrie automobile sans concevoir au préalable un système de bridage approprié. Pour ce faire, deux éléments doivent être pris en compte :

FORCE VERTICALE

Pour contrôler la force verticale, on utilise un backing sous le boîtier. Le backing est une pièce créée comme un support, dans lequel la plaque froide est insérée. Par conséquent, il doit avoir la même forme et la même taille que le boîtier utilisé pour faire circuler l’eau dans la plaque froide, ce qui signifie qu’il sera différent pour chaque modèle de plaque froide à souder.

La fonction du backing est de soutenir la force exercée lors du soudage par friction-malaxage des plaques froides (charge verticale de 5-6kN), et d’empêcher les pièces de se déformer.

MOUVEMENTS PLATS

Pour éviter que la plaque froide moulée sous pression ne se déplace latéralement, ce qui serait fatal à la soudure, nous utilisons un outillage qui la maintient fermement en place.

Si nous regardons l’image ci-dessus, nous pouvons voir, représenté par les flèches jaunes, le bridage selon les axes X et Y pour éviter l’ouverture et l’entrainement de la pièce. En outre, les flèches orange représentent le bridage en Z pour éviter le soulèvement de la pièce, en d’autres termes, pour s’assurer que le couvercle de la plaque froide ne bouge pas pendant le processus de soudage.

Il s’agit d’un outillage automatisé, qui permet de relever tour à tour les pistons lorsque le soudage FSW doit être effectué dans la zone correspondante.

FSW D’UNE PLAQUE FROIDE POUR L’INDUSTRIE AUTOMOBILE :

PARAMÈTRES ET CONTRÔLE DE LA QUALITÉ

En plus du gabarit de soudage, 4 autres paramètres principaux doivent être pris en considération pour effectuer le soudage par friction-malaxage sur des plaques froides moulées sous pression pour l’industrie automobile :

• Vitesse de rotation adaptée (rpm)

Afin de s’assurer que tous ces paramètres sont corrects et donc que le soudage sera de bonne qualité, plusieurs tests sont effectués, qui sont sélectionnés en fonction des spécifications du client et de la norme ISO 25239.

Il existe deux types de tests :

Mais d’abord, savez-vous quels types de défauts peuvent être rencontrés en FSW ?

Il existe deux types de défauts possibles : les imperfections de surface et les défauts internes. Dans les tableaux suivants, vous pouvez voir les différents types de défauts dans ces catégories, ainsi que le type de test à effectuer pour les détecter.

Il est essentiel de réaliser ces tests autant de fois que nécessaire pour s’assurer que les soudures effectuées sur les plaques froides à refroidissement par eau pour l’industrie automobile sont de qualité parfaite.

Ce document garantit que tous les paramètres de soudage FSW ont été conçus spécifiquement et qu’il n’y aura pas de problèmes de qualité lors du soudage FSW de plaques froides moulées sous pression pour l’industrie automobile.

Il est également intéressant de connaître l’état du marché de l’automobile en ce qui concerne le soudage FSW des plaques froides moulées sous pression, ainsi que les coûts associés.

MARCHÉ DES PLAQUES FROIDES SOUDÉES PAR FSW

Tout d’abord, il faut se pencher sur le règlement européen sur les émissions de CO2. Selon celui-ci, les émissions de CO2 en Europe devraient être limitées à 95 g/km en 2021, 81 g/km en 2025 et 59 g/km en 2030.

Voyons encore plus clairement dans le tableau suivant ce qui va se passer :

Il ne fait aucun doute que ce règlement européen a un grand impact sur le secteur de l’e-mobilité, avec une évolution que nous continuerons à voir de manière encore plus marquée à l’avenir. L’exemple le plus frappant est la différence entre la fabrication de véhicules hybrides et électriques qui a eu lieu en 2018, et celle prévue pour les deux types de véhicules en 2030. Dans le cas du véhicule hybride, elle passera de 6 % en 2018 à 55 % en 2030, suivant une croissance exponentielle. Nous verrons également cette croissance en termes de véhicules électriques, qui passeront de 1% du marché en 2018 à 22% en 2030.

Le principal avantage des véhicules hybrides et électriques est leur empreinte écologique plus faible et, bien que l’on pensait auparavant que leurs performances étaient moindres, la tendance est maintenant d’améliorer leurs vitesse et autonomie. À cela s’ajoutent la demande de vitesses de charge plus rapides, l’augmentation de la densité de puissance (plus d’électronique) et l’ambition de les rendre abordables pour le public.

Bien sûr, les plus grands groupes automobiles européens parient sur ce type de véhicule, créant ainsi une flotte de véhicules électriques et hybrides sur le continent. Nous parlons de groupes comme  :

À cet égard, 17 nouveaux modèles devraient sortir de l’usine d’ici à la fin de 2020. Suivant cette tendance, d’ici 2021, on estime que l’offre des constructeurs européens en matière de véhicules électriques et hybrides devrait représenter environ 150 modèles sur le marché. Cette tendance devrait se poursuivre, pour atteindre 33 millions de véhicules électriques et hybrides vendus en Europe d’ici 2040.

Parallèlement à cette augmentation du nombre de véhicules de mobilité électrique, nous assisterons à une augmentation du nombre de pièces FSW par plateforme, qui passera de 1 en 2020 à 3 en 2030. Cela signifie que le soudage par friction-malaxage de pièces en aluminium pour l’automobile sera de plus en plus demandé.

COÛT DES PLAQUES FROIDES SOUDÉES PAR FSW

La taille des séries de pièces pour l’e-mobilité est essentielle pour choisir le meilleur équipement FSW pour votre entreprise. La plupart du temps, les équipementiers automobiles lancent des appels d’offres pour des quantités allant jusqu’à 600 000 pièces. Cependant, lorsque la taille réelle du lot annuel à produire est finalement communiquée, il est fréquent que le lot ne soit pas aussi important que prévu. Notre analyse montre qu’il faut attendre des lots d’environ 35 000 à 50 000 pièces pour les deux premières années de production de pièces moulées sous pression pour le secteur automobile.

Compte tenu de ce retour d’expérience, il semble que le coût d’une machine à portique spécialisée ait un impact énorme sur le prix des pièces individuelles. La meilleure façon de remporter un appel d’offres est d’avoir le coût de traitement le plus bas pour le FSW.

Chez Stirweld, nous avons comparé les coûts d’une machine spéciale dédiée FSW au coût d’une tête FSW montée sur une machine CNC dans le cas d’un lot de production de 35.000 pièces par an pendant 5 ans :

Il en résulte une économie de 400 000 euros si vous achetez une nouvelle machine CNC à cet effet et de 490 000 euros si vous utilisez une machine CNC existante, à laquelle s’ajoute une tête FSW.

Et lorsque la machine n’effectue pas de soudage par friction-malaxage, elle peut alors être utilisée pour l’usinage (10 minutes nécessaires pour monter ou démonter la tête FSW). En outre, dans le cas probable d’autres attributions de lots, comprenant du soudage par friction-malaxage, une nouvelle tête FSW peut être livrée en deux semaines, ce qui permet une grande flexibilité de production, que les volumes augmentent ou diminuent. 

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