Louvain, Belgique, le 2 juin 2014

Les équipes d’ingénieurs de TE Connectivity (TE) au Japon (précédement Tyco Electronics) conçoivent les fût de sertissage de cosse de type B afin d’améliorer l’étanchéité au gaz du joint sans soudure entre le tube de sertissage et le conducteur électrique serti dans fût de la cosse. Les caractéristiques électriques et mécaniques de la connexion font l’objet de tests physiques et de simulations afin de modéliser avec précision la conception du fût. A l’aide du progiciel Optimus de Noesis Solutions, les ingénieurs de TE capturent et automatisent la séquence de simulation permettant l’étude de la qualité du sertissage du fût conducteur et sa robustesse au test d’arrachage du fil. Le chaînage et l’exécution des modèles paramétrés ANSYS et LS-Dyna permet à Optimus d’évalué automatiquement differentes variantes de conception à l’aide plans d’expériences et de stratégies d’optimisation. La configuration optimum du joint étanche au gaz calculée par Optimus guaranti une conception à la fois robuste et fiable du sertissage tout en concervant un excellente conductivité électrique. La capture et l’optimisation automatique réduit également de manière considérable le cycle de développement de la cosse. Dans une phase ultérieure, les ingénieur incorporeront les analyses thermiques et vibratoires  à la chaîne de simulation d’Optimus afin d’affiner la conception du fût de sertissage.

Mise en place d’un processus automatisé d’optimisation de conception de tubes de sertissage

Résistance électrique de contact vs résistance à la l’arrachage

TE Connectivity conçoit au Japon un grand éventail de cosses de raccordement  serties utilisées dans le monde entier. La cosse tubulaire, composée d’un manchon de sertissage ouvert de type B, est une forme courante de sertissage. Cette dernière  offre des temps de cycles rapides, une grande flexibilité et un faible coût de production. Lors du sertissage des languettes du manchon du fût autour du conducteur,  les brins du câble effectuent des mouvement symétrique dans le tube de sertissage.. La hauteur du sertissage ainsi que la largeur de la languettes ne sont que deux paramètres pris en compte par les ingénieurs de TE pour réalisé des essais physiques ainsi que des simulations virtuelles afin d’évaluer et d’améliorer la qualité de la cosse. « L’analyse des coupes transversales du joint fournies par la simulation descrit précisément la répartition des efforts de compression dans zone de sertissage ainsi que la répartition des contraintes locales sur le fût et les brins du conducteur », explique Kazushige Sakamaki de Tyco Electronics Japan G.K., une filiale de TE Connectivity. « Un test d’arrachement destructif permet de déterminer si la connexion présente une résistance  satisfaisante à l’arrachage. L’objectif finale est de concevoir un fût de sertissage avec des caractéristiques de hautes résistances à l’arrachage et de faible résistivité électrique au contact entre le fût et des brins du fil. Cet objectif n’est possible que si la contrainte de sertissage est répartie de manière uniforme sur toute la géométrie du manchon.»

Légende de l’illustration ci-contre :

• Serration : intérieur du fût cranté
• Bellmouth : manchon de serrage et arrêt de fil
• Wire : brin dénudé du fil conducteur
• Crimp height : hauteur de sertissage du manchon à languette
• Insulation barrel : fût isolant
• Tensile analysis : loi d’élactissité lors de l’arrachage du fil

Construction d’un processus multi-physique de conception du tube de sertissage

Afin de contrôler l’intéraction entre les differents paramètres de conception du fût de sertissage, l’équipe d’ingénieurs de TE a formalisé le processus de conception paramétrisé sous la forme d’une chaine de simulation automatisée dans Optimus. Kazushige Sakamaki souligne que les fonctionnalités, mise à disposition dans Optimus, permettent d’intégrer les differentes étapes de simulations multi-physiques afin de coordonner l’exécution de la chaîne complète de simulation et valider et corréler les résultats simulés avec les mesures obtenues lors de tests physiques. Les différentes étapes de simulation, les plages de variation des paramètres de conception de chaque modèle, l’objectif de qualité ainsi que les contraintes de conception sont capturés par l’intermédiaire d’éléments glisser-déplacer dans l’interface graphique d’Optimus. Les interfaces directes disponibles dans Optimus permettent de paramétriser les modèles ANSYS et LS-Dyna et d’automatiser leurs mises à jour afin d’évaluer différents jeux de paramètres de conception.

Diagnostic du modèle en avance de phase

Le sertissage est un processus transitoire, dynamique et non-linéaire. Les caractéristiques de la connexion par sertissage obtenues dépendent essentiellement de la force de sertissage appliquée par l’outil de pressage, des caractéristiques du fût (forme, matériau et épaisseur des languettes) ainsi que des conditions limites, telles que le contact entre l’outillage utilisé et le fût qui varie avec le temps. La présence de dentelure crantée du fût et le retour élastique des languettes du manchon sont autant de paramètres à considérer afin d’augmenter la fidéliter du modèle de cosse à concevoir. « Afin de poser un diagnostic en avance de phase sur l’espace de conception inexploré des tubes de sertissage, nous avons procédé à une échantillonnage efficace et économe de cet espace à l’aide de plans d’experiences (DOE) », ajoute M. Sakamaki. « La modélisation par  surface de réponse de surface (RSM) a permis de synthétiser les résultats du plan d’expériences (DOE) en un de modèle de substitution. Le profiles de la surface de réponse nous ont permis de définir la plage de variation de la hauteur de sertissage, qui influence directement  la force de sertissage  appliquée par l’outil  sur le fût, afin de trouver le meilleur compromis entre une résistance élevée à l’arrachage et une faible résistivité électrique de contact. »

Optimisation robuste de performances des tubes de sertissage

Points de conception optimals du fût

Une fois la séquence de simulation automatisée disponible, Optimus a procédé à la recherche automatisée d’un point de conception optimum et des jeux de paramètres de conception correspondants à ce dernier. Un algorithme d’optimisation polynomiale du second ordre a été mis en œuvre afin de trouvé l’échantillon correspondant le  mieux aux objectifs de performances et de qualité tout en respectant les contraintes de conception.. Parmi les réglages pouvants influencer les indicateurs de performance à optimiser, on peut citer la plage de variation de la force de sertissage, les dimensions du tube ainsi que les valeurs maximales des contraintes locales. M. Sakamaki affirme que les ingénieurs de TE ont sélectionné les échantillons les plus proche de l’optimum afin de procéder à une évaluation plus détaillée des tubes générés. « L’optimisation des tubes a généré des résultats encourageants mais a également révélé que certains échantillons de la conception s’avéraient sensibles aux variations lors la fabrication des cosse et lors de leur mise en œuvre lors du sertissage. » Il apparaît que le contrôle des variations et des intéractions liées à la fabrication des cosses est très onéreux. Il est dès lors indispensable de rendre le point de conception optimum insensible à ces variations plutôt que de les prendre en compte dans la séquence de simulation. Grâce à la méthologie de Taguchi disponible dans Optimus, TE peut assurer une qualité systématique du point de conception optimum, ce dernier restant insensible aux variations et aux incertitudes inhérantes au processus de fabrication et de sertissage.

Optimisation robuste des tubes de sertissage grâce l’application de la méthodologie de Taguchi

L’équipe de conception de TE a mis en place la table orthogonal de conception L81 issue de la méthologie de Taguchi afin de calculer les rapport signal/bruit (SN) de chaque variable du point de conception. Les valeurs sont ensuite publiées dans un graphique à colonnes dans Optimus afin de rendre l’interprétation plus aisée. « Par le biais de ce graphique, nous avons identifié le jeux de paramètres de conception offrant la robustesse des tube la plus élévée », explique M. Sakamaki. « Ce point de conception correspond aux niveaux pour lesquels le rapport signal/bruit est le plus élevé pour chaque variable de conception. Cette sélection est en  adéquation avec l’objectif de performance de la connexion par sertissage et reste insensible au incertitudes liées aux paramètres de conception. Les paramètres pris en compte sont notamment la contrainte, la pression de contact, la surface de contact, la force de contact, l’extension, l’indice de surface et la résistance à l’arrachage. » Par le biais de la méthodogie de Taguchi disponible dans Optimus, le chemin empreinté menant à la découverte d’un point de conception optimum robuste est automatisé et le cycle complet de conception est accéléré.

Le processus d’optimisation de tubes entièrement exécuté dans Optimus

Les ingénieurs de TE ont exécuté l’entièreté de l’étude dans Optimus. La séquence automatisée d’optimisation de conception de fût inclus tous les algorithmes requis, en ce compris la méthodologie de Taguchi, et la capture et la paramétrisation des logiciels de modélisation et de simulations paramétriques. M. Sakamaki conclu que le processus robuste d’optimisation de conception réalisé grâce à Optimus est adapté à la conception de tubes sertissages complexes. « Optimus offre toutes les fonctions nécessaires à l’exécution automatique de la méthodologie de Taguchi, ce qui permet de réduire de manière considérable les coûts et le temps d’ingénierie. Dans une phase ultérieure, TE incorporera l’analyses thermique et vibratoire au processus de conception du fût de sertissage dans la séquence d’Optimus. TE projette d’étudier l’influence de la forme des différents manchons de tube, des caractéristiques de denture intérieur du manchon ainsi que la section des brins du conducteur serti. »

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