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La fabrication additive dans le paysage automobile

La fabrication additive dans le paysage automobile

by Gaëtan Lefèvre19 avril 2017
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Considéré comme l’une des plus importantes industries au monde, le secteur automobile est leader dans l’utilisation de la fabrication additive. Les grands constructeurs investissent dans cette technologie et innovent. Immersion dans l’industrie de l’automobile.

Par Giorgio Magistrelli, expert en fabrication additive, gestionnaire d’entreprises et de projets.

 

À l’heure actuelle, la fabrication additive impacte particulièrement plusieurs secteurs : l’aéronautique, la défense, le médical et l’automobile. Dans des numéros précédents, A3DM Magazine a déjà analysé la place de la fabrication additive au sein de l’aéronautique et du médical (vous pouvez retrouver ces articles sur le site : www.a3dm-magazine.fr). Nous nous intéressons, dans ce numéro, au secteur de l’automobile. Et ce n’est pas rien, car celui-ci a été leader dans l’utilisation de la fabrication additive depuis les origines de cette technologie.

Le secteur de l’automobile est l’une des plus importantes industries au monde, avec un taux de croissance rapide. Son application de la technologie de fabrication additive représente environ 16 % de l’ensemble du secteur. Selon le rapport Wohlers de 2016, il est le troisième plus grand secteur industriel utilisateur de l’impression 3D. Il a été l’un des plus anciens pionniers de l’industrie en matière d’utilisation de cette technologie de conception couche par couche, mais aussi du prototypage rapide. En utilisant la fabrication additive pour créer des prototypes bien avant la production finale, les constructeurs automobiles sont en position de tester la qualité avant la production industrielle. Compte tenu de la souplesse de conception que propose cette technologie, les entreprises peuvent construire et tester une grande variété de prototypes. General Motors, par exemple, utilise la technologie de frittage sélectif par laser (SLS) et de stéréolithographie (SLA) dans ses processus de préproduction et de conception, au sein de son département de prototypage rapide, produisant ainsi plus de 20 000 composants et modèles. Un autre exemple est Dana, fournisseur de technologies de transmission, de scellage et de gestion thermique pour les équipementiers. Cette entreprise utilise une combinaison de prototypage rapide et de simulation pour tester rapidement la forme et l’ajustement des prototypes1.

Les grands constructeurs automobiles ont investi dans les imprimantes 3D peu de temps après la commercialisation des premiers systèmes en 1988. L’utilisation de l’impression 3D pour le prototypage rapide a considérablement accru le cycle de développement du produit, et le prototypage joue maintenant un rôle clé au sein de l’industrie automobile. Selon un sondage récent publié par Ernest & Young, un tiers des entreprises actives dans le secteur utilise la fabrication additive pour imprimer leurs propres composants ou produits finaux. Le secteur de l’automobile est généralement axé sur la fabrication à grande échelle et sur les étapes traditionnelles de la chaîne d’approvisionnement associées aux principaux produits tels que les voitures pour les particuliers, les camions et les autobus, ainsi que les véhicules utilitaires légers. Les véhicules spéciaux comme les tracteurs, les grues mobiles et les autres véhicules similaires sont souvent des catégories à part. Les principaux avantages de la fabrication additive, que nous citons (encore une fois) sont : la personnalisation en masse, la réduction des déchets, la réduction des coûts de transport, l’amélioration de l’innovation et de la créativité, la fabrication à la demande. Des atouts pour ces industriels ! À l’inverse, les inconvénients – comme en témoignent les acteurs du secteur de l’automobile – sont : leur faible applicabilité à la production de masse en raison d’un coût plus élevé et d’une vitesse de production inférieure par rapport à la fabrication traditionnelle, les exigences de finition de surface, les ressources, les matériaux limités (par rapport à la fabrication traditionnelle) ainsi que les coûts élevés des matériaux utilisables. En ce qui concerne spécifiquement les matériaux, la fabrication traditionnelle, « soustractive », utilise actuellement une grande variété de métaux, d’alliages et de composites. Mais le développement des matériaux en fabrication additive est toujours en cours grâce, notamment, au soutien du projet européen H2020 « Factories of the Future ».

L’Union européenne finance ainsi de nombreux projets de développement pour la fabrication additive. Le projet Nanomaster, sur une nouvelle génération de matériaux à base de graphène et de graphites spécialisés, devrait être appliqué rapidement dans les secteurs de l’électronique pour le grand public et de l’automobile. Le projet en cours Borealis ambitionne la réalisation d’une machine hybride, économe en énergie, et qui produit des pièces métalliques à moindre coût que ses homologues traditionnels. Les premiers résultats de la recherche financée par EU-Pearls ont montré que le caoutchouc naturel provenant de pissenlits et de guayules cultivés à la maison pourrait être utilisé pour les pneus. Ce projet est suivi par des chercheurs et des partenaires industriels travaillant ensemble pour étendre leur production, leur dépendance aux importations de caoutchouc et stimuler la compétitivité.

L’importance des polymères renforcés de fibres de carbone (Carbon Fiber Reinforced Polymers – CFRP) est l’objet du projet HierTough. Les CFPR sont une classe de matériaux en forte croissance car ils possèdent une rigidité et une excellente combinaison avec une faible densité, essentielle pour atteindre les objectifs de réduction des émissions de gaz à effet de serre. Cependant, leur développement est entravé par leur faible tolérance aux dommages, dont le renforcement est l’objectif principal du projet.

Profiter au maximum de la fabrication additive

Les volumes de production des pièces finales au sein de l’industrie automobile sont trop élevés pour utiliser commodément et économiquement la fabrication additive. Cependant, les exigences accrues pour des productions personnalisées, en particulier sur le marché haut de gamme, ont renforcé l’intérêt pour cette technologie, notamment pour la production finale de pièces. La fabrication additive a la capacité de produire des prototypes sans créer d’outils, accélérant ainsi les cycles de conception et abaissant ses coûts. Aujourd’hui, les OEM (Original Equipment Manufacturer – fabricant d’équipement d’origine) et les fournisseurs utilisent cette technologie pour améliorer les opérations existantes : soutenir la prise de décision au stade de la conception du produit, établir la qualité au stade de la pré production et développer des outils personnalisés. Elle permet également un temps de mise sur le marché plus court, notamment pour les nouveaux modèles de voitures.

La demande de voitures plus respectueuses de l’environnement est un nouvel enjeu de conception des voitures et des composants. Ceux-ci doivent être plus légers et donc plus économes en énergie, une demande très appropriée à l’impression 3D et à l’optimisation topologique.

Au vu des avantages de cette technologie, ce sont les voitures de course, ayant une production de pointe limitée, qui représentent le segment du secteur de l’automobile le plus propice à la fabrication additive. Dick Elsy, directeur général de Catapulte, projet à haute valeur manufacturière au Royaume-Uni, a déclaré à ce sujet que « la prochaine étape logique pour la fabrication additive était le secteur de l’automobile de première qualité », parce que « les gens sont prêts à payer pour la personnalisation. Je vois des personnes prêtes à payer une prime de £ 30 000 à £ 50 000 pour ce genre de personnalisation ».

Récemment, nous avons assisté à l’impression 3D de plusieurs « voitures concept ». La technologie permet ici la visualisation de nouvelles idées. Ces prototypes sont utilisés pour tester l’utilisation de pièces et de voitures entières, mais aussi pour valider la fonctionnalité d’une pièce spécifique, comme sa résistance de l’air2.

Voitures de course et concept-cars

Depuis les premières lignes de production automatisées de Ford, l’industrie automobile a toujours été un précurseur dans l’utilisation de nouvelles technologies pour augmenter sa productivité. La fabrication automobile nécessite diverses étapes d’assemblage. Les outils d’assemblage imprimés en 3D permettent, aujourd’hui, d’augmenter la productivité. La fabrication additive répond aussi aux besoins de gabarits et d’outils, par exemple dans la construction et la peinture de carrosserie. Les gabarits de formes complexes, les outils et les inserts d’outils peuvent être fabriqués économiquement, sans moule. Les voitures de course sont des bancs d’essai réels pour les pièces imprimées en 3D. Renault F1, Ferrari et McLaren ne sont que quelques-uns des principaux exemples d’entreprises ayant pris le virage de la fabrication additive. Les écuries de Formule 1 utilisent depuis quelque temps déjà cette technologie pour leurs voitures de course ainsi que les applications incluant les boîtiers électriques, les montures de caméras et autres pièces aérodynamiques. Au sein de l’équipe de Formule 1 de Renault par exemple, les constructeurs impriment plus de 900 pièces chaque saison. Les équipes d’Indy et de NASCAR utilisent également des pièces conçues par fabrication additive sur leurs voitures3. Vous pouvez retrouver de nombreux exemples de cas sur www.a3dm-magazine.com.

1 – Areion race car

Les exigences et les attentes dans les secteurs des courses automobiles sont énormes. La fabrication additive s’intègre parfaitement à cette production très pointue et très personnalisée. Boîtier de filtre, godets de jauge, passages de roues, etc. De nombreux composants automobiles sont fabriqués ainsi. Une voiture de course entière a même été imprimée en 3D. Appelée Areion, elle a été développée par le Groupe T, en partenariat avec Materialise, en utilisant la technologie stéréolithographique (figure 1). En plus de la carrosserie, la fabrication additive est également utilisée dans Areion pour optimiser les canaux de refroidissement avec l’impression de différentes buses et de certaines parties des systèmes de refroidissement. En 2007, Hyundai a utilisé l’impression 3D par frittage sélectif par laser (SLS) pour fabriquer des composants de plancher pour leur conceptcar QarmaQ, avec l’aide de Freedom of Creation. Bentley, travaillant avec Stratasys, utilise le même procédé pour produire des pièces personnalisées recouvertes de cuir ou de bois. BWM utilise la technologie par dépôt de matière fondue (FDM) pour concevoir des appareils et des outillages pour son assemblage automobile.

2 – Véhicule Strati présenté à l’IMTS en 2014

Une autre entreprise très active dans le secteur : Local Motors. Ce constructeur américain, basé en Arizona, qui « crowdsources » la conception de véhicules, c’est-à-dire fait appel à l’externalisation ouverte, a présenté son véhicule Strati à l’International Manufacturing Technology Show 2014 (figure 2). La carrosserie de cette voiture ainsi que le châssis et certaines fonctionnalités externes et internes ont été imprimés en plastique ABS renforcé avec de la fibre de carbone. Certains composants mécaniques comme les moteurs et la batterie ne sont pas imprimés. Local Motors a également conçu un autobus électrique, imprimé en 3D, partiellement recyclable : Olli (figure 3). En plus de sa conception par fabrication additive, cet autobus étonne car, grâce aux capacités de calcul cognitif avancé d’IBM Watson Internet of Things. Il n’a pas besoin d’un pilote physique. Olli est déjà opérationnel à Washington, aux États-Unis.

3 – Autobus électrique Olli imprimé en 3D par Local Motors

Applications actuelles et futures

Bien que seules les parties visibles soient les plus susceptibles d’être soumises à une personnalisation accrue, la fabrication additive est utilisée pour des pièces intérieures. La voiture est aujourd’hui un produit symbole de la réussite de la technologie de fabrication additive et elle le sera sûrement plus dans le futur. De nombreuses applications sont et seront à développer.

Les pièces de rechange et les composants automobiles représentent une autre opportunité, notamment en ce qui concerne la possibilité d’installer des imprimantes 3D chez les concessionnaires. Il faudra toutefois que les brevets soient protégés et que les pièces de rechange fabriquées couche par couche soient dûment certifiées. Une telle évolution entraînerait un changement dans la chaîne de valeur grâce à la suppression des entrepôts dédiés au stockage des pièces de rechange.

Les composants intérieurs en plastique, comme les pièces de tableaux de bord, et ceux extérieurs, comme les rétroviseurs et autres composants non-structurels, représentent également une opportunité de développement où la personnalisation et un design attrayant pourraient améliorer la pénétration du marché. Ces pièces sont importantes en raison de leur attractivité et du confort associé. Elles sont soumises à des questions telles que le choix des matériaux, des couleurs, de la coupe, de la couture et de l’assemblage. Certaines de ces pièces de voiture, comme les protections de haut-parleurs, sont directement personnalisées, imaginées et fabriquées par la communauté des makers.

De nombreux éléments personnalisables

Les éléments extérieurs des voitures (figure 4) que l’on pourrait personnaliser grâce à la fabrication additive sont des pièces telles que les protections de lampes, les parasols, les lunettes ou encore les visières.

4 – Corps et extérieur d’un véhicule typique : pare-chocs, panneaux de carrosserie et garnitures – Source : Szeteiová (2010) – IDEA Consult

Les intérieurs de voitures (figure 5) se réfèrent généralement à l’habitacle ou à la cabine. Ils comprennent des éléments tels que les tapis intérieurs, les tapis, les kits de plancher, les tissus d’ameublement des sièges, y compris les coussins et les chaises, ou encore les revêtements de sol. Le nombre de pièces dans un poste de pilotage (tableau de bord) peut évidemment varier, mais il compte environ 250 pièces avec seulement 25 « grandes » pièces, dont certaines sont conçues séparément afin de permettre des essais pertinents. Parmi ces pièces, environ 90 sont directement visibles par le client.

5 – Intérieur typique d’un véhicule – Source : Szeteiová (2010) – IDEA Consult

En outre, les voitures peuvent inclure des composants optionnels comme pour le vinyle intérieur, les tissus, le cuir, le grain de bois, l’ameublement en cuir de chrome ou d’imitation… Pour l’extérieur, un certain nombre de pièces peuvent être énumérées, y compris des types spécifiques de peinture (perlée par exemple), des modules complémentaires (en protection ou en décoration), des pare-chocs en plastique et rayures.

Selon une recherche récente d’Idea Project, les produits dominants à l’intérieur des voitures qui sont en cours d’impression en 3D ou qui seront très probablement touchés par la fabrication additive dans un avenir proche sont les composants à base de plastique. Ils sont centraux alors que d’autres composants, tels que les tapis, les parties textiles des sièges, etc., semblent marginaux. Ces derniers ne sont donc pas soumis à des essais par fabrication additive.

Pour conclure, le plastique est le matériau le plus utilisé dans la fabrication automobile. « Une voiture de taille moyenne comprend environ 150 kg de matières plastiques et composites plastiques contre 1 163 kg de fer et d’acier. Actuellement, ce matériau compose autour de 10 à 15 % du poids total de la voiture. […] Même si jusqu’à 13 différents polymères peuvent être utilisés dans un modèle de voitures uniques, seuls trois types de plastiques représentent environ 66 % du total des plastiques utilisés dans une voiture : polypropylène (32 %), polyuréthane (17 %) et PVC (16 %)4». Il existe quelques exceptions comme les pièces du volant, grâce à la fabrication additive en titane. Néanmoins, elles restent marginales en production.

Le succès des futures applications en fabrication additive dans l’industrie automobile dépendra en grande partie de la découverte et de la gestion de nouveaux matériaux. Les prochaines années devraient nous livrer un nouveau regard sur l’industrie automobile.


Peugeot & Materialise – Le project fractal

Selon Jérôme Micheron, directeur de la stratégie chez Peugeot, « le i-Cockpit® Peugeot a récolté un réel succès parmi les clients en offrant une amélioration tangible du plaisir de conduire ». Celui-ci est issu du projet Peugeot Fractal, qui explore de nouvelles possibilités en améliorant l’expérience du cockpit grâce à l’utilisation du son pour enrichir l’information et améliorer le plaisir de conduire.

Peugeot Fractal – Courtesy of Peugeot

La « Peugeot Fractal » est un concept-car qui a été conçu comme un véhicule électrique urbain en collaboration avec Materialise. Plus de 80 % des composants intérieurs ont été conçus par fabrication additive, comme les châssis de fenêtre, le plancher de la voiture, les pièces sous le tableau de bord, etc., mais aussi certains éléments extérieurs. Toutes ces pièces sont principalement liées à l’acoustique du véhicule. Elles comprennent également des composants entre la roue et la cabine, conçus pour amortir les sons provenant de la route. Ici, des composants anéchoïques blancs ont été imprimés avec du polymère. Le volant a aussi été imprimé en 3D avec de la poudre d’aluminium afin d’obtenir une roue plus légère, avec une forme spécifique, vide à l’intérieur. Ce volant a uniquement pu être réalisé grâce à la fabrication additive. L’utilisation de pièces en plastique produites par fabrication additive était particulièrement pertinente pour la complexité du i-Cockpit® étant donné son ergonomie qui a même donné son nom, « Fractal ». La conception fine et efficace, mais aussi plus légère, a été obtenue grâce à l’impression 3D du poste de pilotage qui exigeait des formes particulières.

Strakka Racing & Stratasys – Comment la fabrication additive améliore-t-elle la conception et la fabrication additive ?

Devant le besoin urgent de tester certains composants de sa voiture S103, l’équipe de course anglaise Strakka Racing s’est tournée vers la fabrication additive et la société Stratasys. L’équipe a utilisé avec succès la technologie d’impression 3D FDM tout au long du processus de conception et de fabrication, du prototypage aux outils de production, testant plusieurs composants en quelques semaines.

Les thermoplastiques FDM apportent non seulement des gains en matière d’efficacité et de coût, mais permettent également le développement de pièces en 3D durables, peu encombrantes, personnalisables et performantes pour de nombreuses applications automobiles. Tous les secteurs de l’industrie sont concernés : des prototypes d’essai entièrement fonctionnels à la production d’outils de fabrication.

Strakka Racing participe régulièrement au Championnat du monde d’endurance FIA (WEC), y compris aux mythiques 24 Heures du Mans. La technologie de fabrication additive a joué un rôle clé dans le développement de la silhouette élégante de la S103, depuis l’installation d’une imprimante Stratasys uPrint SE en 2014. Parmi les pièces fabriquées, on trouve le tableau de bord, la lunette arrière, l’enveloppe de l’appareil photo et de l’antenne, les supports, les évents et les conduits de refroidissement. Strakka utilise également l’impression 3D de Stratasys pour l’ensemble de son processus de production et pour les essais de composants aérodynamiques en soufflerie et sur piste pour des prototypes entièrement fonctionnels tels que des lignes de freinage et des outillages. En 2014, Stratasys a été nommée « Motorsport Technology of the Year » par le magazine Professionnal MotorSport World lors des Professional MotorSport World Expo Awards à Cologne, en Allemagne.

Renault F1 Team & 3D Systems – L’expertise en fabrication additive depuis 1998

Lors d’un webinaire récemment organisé par 3D Systems, Patrick Dunne, VP Développement avancé d’applications chez 3D Systems, et Pat Warner, ADM Manager de l’équipe Renault Sport Formule 1, ont présenté la stéréolithographie (SLA) comme « la technologie d’impression 3D la plus largement utilisée et la plus fiable au monde ». Dans le secteur de l’automobile, elle est passée de l’utilisation en prototype et outillage à un procédé qui touche presque toutes les étapes du processus de développement et de fabrication de produits. Plus précisément, l’équipe de Formule 1 de Renault Sport qui s’était équipée d’une imprimante 3D en 1998 possède, vingt ans après, un centre de production numérique avancée de plusieurs unités.

Selon 3D Systems, la SLA « est l’étalon-or de la fabrication additive avec une qualité qui rivalise avec la fabrication moulée par injection et dont la large flexibilité d’application et la grande sélection de matériaux pour les prototypes et les pièces d’usure aux modèles de coulée présentent les principaux avantages de la technique ». En outre, ce procédé permet de gagner du temps sur des pièces très précises, notamment en termes de prototypes fonctionnels, de coulée, de pièces optiquement nettes, de gabarits de soudage et de fixations, mais aussi « pour des pièces de bas à moyen volume normalement usinées en polypropylène ou en ABS, qui ne nécessite pas de réorganisation lente et coûteuse pour la personnalisation, ou dans le cas où un changement d’outillage est nécessaire. De plus, la SLA permet de réduire les coûts des matériaux, car la résine inutilisée reste dans la cuve pour des projets futurs ».

L’équipe Renault Sport Formule 1 basée à Enstone en Oxfordshire, en Angleterre (ancienne équipe de Formule 1 Benetton et précédemment Tolman Motorsport), a acquis en 1998 sa première imprimante 3D SLA 5 000. En 2002, Renault a renommé l’équipe « Renault F1 Team » et a commencé à utiliser Renault comme nom du constructeur, remportant les championnats de pilotes et de constructeurs en 2005 et 2006. L’évolution de l’utilisation de la SLA a été constante tout au long des années. Le centre possède maintenant deux machines, SLA et SLS. Les applications de la fabrication additive sont diverses et incluent des prototypes de fonction et d’ajustement, l’outillage, les gabarits et le luminaire, le moulage, les composants d’essai de soufflerie (jusqu’à 600 morceaux par semaine) et les composants de voiture.

Ferrari et la fabrication additive sont prêts pour la nouvelle saison F1

Pour cette nouvelle saison de Formule 1, la fabrication additive continue de se développer au sein des écuries. Plus spécifiquement, selon la presse spécialisée italienne, le nouveau modèle 668 de Ferrari devrait utiliser des pièces de moteur imprimées en 3D. L’utilisation de cette technologie a pour but d’améliorer la robustesse et la fiabilité des pistons. Accompagnée dans ce projet de Magneti Marelli, une autre société du groupe FCA, Ferrari « souhaite fabriquer des pistons à partir d’un alliage plus robuste que l’aluminium mais qui pèse moins que l’acier. L’impression 3D permet aux ingénieurs de réduire la quantité de matériaux utilisée ». Ferrari s’est classé troisième, l’année dernière, au championnat des constructeurs. Cette saison pourrait débuter sous de meilleurs auspices, grâce aussi à la fabrication additive.

Notes

1 – Analyse de Deloitte – DUPress.com ; pour plus de détails sur l’utilisation de GM des technologies AM, voir 3D Systems, « Le prototypage rapide 3D accélère les gains d’efficacité de carburant de GM » https://www.3dsystems.com/learning-center/case-studies/3d-rapid-prototyping-fast-tracks-gm-fuel-efficiency-gains, consulté le 28 février 2017.

2 – « Identifying current and future application areas, existing industrial value chains and missing competences in the EU, in the area of additive manufacturing (3D-printing) », IDEA Project pour EC EASME (auquel l’auteur de cet article a participé comme expert).

3 – Ian Gibson, David Rosen, Brent Stucker, Additive Manufacturing Technologies, Springer, 2010, p. 382 .

4 – Katarína Szeteiová, ibidem.

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Gaëtan Lefèvre

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