Magazine Mardi 17 juillet 2018 - 18:41

La fabrication additive pour le secteur automobile

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L’automobile est avec l’aéronautique et le médical l’un des trois principaux secteurs utilisateurs des technologies de fabrication additive. Les grands constructeurs se sont équipés d’imprimantes 3D. Les modèles uniques de voitures et les concept-cars utilisant la fabrication additive sont de plus en plus nombreux. Surtout, la production en série est dans les bacs.

Selon le dernier rapport de PWC, l’industrie mondiale automobile est « contestée, plus que ne le pensent beaucoup de gens ». La performance de ce secteur est très forte. En 2016, les ventes mondiales ont atteint un record de 88 millions d’automobiles, soit une hausse de 4,8 % par rapport à l’année précédente. Les marges bénéficiaires pour les fournisseurs et les fabricants d’automobiles (également connus sous le nom de fabricants d’équipement d’origine, OEM) sont au même niveau depuis 10 ans. Cependant, deux problèmes sérieux se posent. Tout d’abord, le rendement total des actionnaires : au cours des cinq dernières années, les taux de rendement annuels obtenus par les S&P 500 et Dow Jones Industrial Average pour les investisseurs, y compris les dividendes, ont été respectivement de 14,8 % et 10,1 %. Au cours de cette période, la moyenne des constructeurs automobiles TSR n’était que de 5,5 %. Le deuxième problème porte sur le retour sur investissement : en 2016, les dix premiers fabricants d’équipement n'ont eu un rendement que de 4 %, soit environ la moitié du coût de capital de l'industrie. Les cent principaux fournisseurs ont fait un peu mieux grâce à la réduction de leurs coûts de capital et profitent d'un petit rendement positif, après de nombreuses années de rendement nets négatifs.

Ces chiffres dépassent les résultats des ventes et des bénéfices. Ils scénarisent peu de gagnants dans l’industrie automobile au cours des cinq prochaines années et au-delà. Les entreprises qui se distingueront seront celles qui exploiteront de manière créative leurs ressources et qui investiront dans la recherche en utilisant les technologies les plus avancées comme la fabrication additive.

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Marges opérationnelles de l'automobile au plus haut niveau depuis 10 ans

Du prototypage à l’outillage, vers une production en série

Le secteur automobile a été leader dans l’utilisation des nouvelles technologies et notamment dans la fabrication additive depuis ses origines. Ces applications représentent environ 15 % de l’ensemble du secteur de la fabrication additive. C'est le troisième plus grande domaine industriel bénéficiant de l’impression 3D, en commençant par les applications fondamentales et primordiales liées au prototypage rapide.

En utilisant la fabrication additive pour créer des prototypes bien en amont de la production finale, les constructeurs automobiles ont rapidement été en position de tester la qualité avant même les programmes réels. Compte tenu de la souplesse de conception de la fabrication additive, les entreprises peuvent construire et tester une grande variété de prototypes. General Motors (GM), par exemple, utilise les technologies de frittage sélectif par laser (SLS) et de stéréolithographie (SLA) dans ses processus de pré-production et de construction tout au long de la supply-chain (conception, ingénierie et fabrication). Son département de prototypage rapide produit plus de 20 000 composants pour des modèles de tests. Selon Susan M. Smyth, directrice scientifique chez GM Global Manufacturing, GM a mis en réseau toutes les installations qui avaient des systèmes de prototypage rapide, de Harrison Radiator à Saginaw Gray Iron, afin de maximiser l’utilisation des machines et d’établir une communauté interne de « super-utilisateurs ». GM a investi dans des projets en collaboration de machines avec des fournisseurs d’équipements tels que DTM, Stratasys et 3D Systems.

Autre exemple : le fournisseur de technologies de transmission, de scellage et de gestion thermique pour les équipementiers Dana utilise une combinaison de prototypage rapide et de simulation pour créer des prototypes pouvant être testés par rapport la forme et l’ajustement.

Les grands constructeurs automobiles ont investi dans les machines d’impression 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 joue toujours un rôle clé dans l’industrie automobile. Selon un sondage récent publié par Ernest & Young, un tiers des entreprises actives dans le secteur utilisent les technologies de fabrication additive pour imprimer leurs propres composants ou produits finaux. L’automobile est généralement axé sur la fabrication à grande échelle, avec les étapes traditionnelles de la chaîne d’approvisionnement inhérentes à des produits tels que les voitures particulières, les camions et les autobus, ou encore les véhicules utilitaires légers. Les véhicules spéciaux comme les tracteurs, les grues mobiles ou autres véhicules similaires sont souvent des catégories à part. Parmi les principaux avantages généralement reconnus de la fabrication additive, citons : la personnalisation de 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 et la livraison dans les temps. Les inconvénients pourraient être les suivants : la faible applicabilité à la production de masse du fait d’un coût plus élevé et d’une vitesse inférieure à la fabrication traditionnelle, les exigences relatives à la finition de surface, des ressources et des matériaux limités (par rapport à la fabrication traditionnelle) ainsi que les coûts élevés des matériaux utilisables. En ce qui concerne spécifiquement la limitation des matériaux, alors que la fabrication soustractive classique utilise actuellement une grande variété de métaux, d’alliages et de composites, le progrès des matériaux pour la fabrication additive est toujours en cours, notamment grâce au soutien du projet EC H2020 « Factory of the Future ».

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Rapport mondial sur l’impression

Environ un tiers des secteurs du plastique, de l'automobile, de l'aéronautique et de l'aérospatiale, ainsi que des industries pharmaceutiques et médicales utilisent l'impression 3D pour imprimer leurs propres composants ou produits finaux (%).

Voici quelques exemples parlants. Le projet « Nanomaster » sur de nouveaux composites polymères à base de graphène et de graphites spécialisés devrait être rapidement appliqué dans les industries de l’électronique et de l’automobile. Le projet en cours « Borealis » prévoit la réalisation d’une machine hybride soustractive et additive, permettant une fabrication métallique à moindre coût que ses homologues traditionnels. Citons également la recherche financée par « EU-Pearls », dont les premiers résultats ont montré que le caoutchouc naturel provenant de pissenlits et de guayules pourrait être utilisé pour les pneus. Ces recherches sont suivies de près par des partenaires industriels travaillant ensemble pour étendre la production et ouvrir la voie à l'Europe afin de réduire sa dépendance vis-à-vis des importations de caoutchouc et de stimuler la compétitivité.

Concernant les matériaux composites dans la fabrication additive, il faut également souligner l’importance clé des polymères renforcés de fibres de carbone (Carbon Fibre-Reinforced Polymers – CFRP), objet du projet « HierTough », terminé en 2016. Les CFPR sont une classe de matériaux à forte croissance possédant une rigidité et une solidité excellentes associées à une faible densité, essentielle pour atteindre les objectifs de l’UE concernant la réduction des émissions de gaz à effet de serre. Ces matériaux restent très appréciés dans l’aéronautique et l’automobile, mais leur introduction est entravée par leur faible tolérance aux dommages, dont le renforcement a été l’objectif principal du projet.

Quels avantages pour le secteur automobile ?

Les volumes de production, dans l’industrie automobile, restent trop élevés pour utiliser avantageusement, à faible coût, la fabrication additive. Cependant, les exigences accrues en termes de pièces personnalisées, en particulier sur le marché haut de gamme, ont renforcé l’intérêt porté à cette technologie, qui permet par exemple de produire des prototypes sans créer d’outils, accélérant ainsi les cycles de conception et diminuant les coûts. À l’heure actuelle, les fabricants d’équipement d’origine (OEM) et les fournisseurs utilisent la fabrication additive pour améliorer les opérations existantes. Celle-ci permet de soutenir la prise de décision au stade de la conception du produit, d’établir la qualité au stade de la pré-production et de développer des outils personnalisés. Un autre avantage de la fabrication additive est la rapidité et le caractère local du travail, ce qui permet une mise sur le marché plus rapide, notamment pour le lancement de nouveaux modèles de voitures. Enfin, l’approche environnementale et la lutte contre la pollution sont d’autres combats qui orientent les fabricants vers l’utilisation de l’impression 3D. Celle-ci, associée à l’optimisation topologique, permet de produire des pièces plus légères, d’utiliser moins de matière première et donc de concevoir des voitures plus écologiques.

La personnalisation de masse et les progrès techniques croissants des systèmes de fabrication additive métalliques et polymères ouvrent de nouvelles voies. Les voitures de course profitent davantage de cette technologie. Dick Elsy, directeur général de Catapulte (projet à haute valeur manufacturière au Royaume-Uni), a déclaré que « la prochaine étape logique pour la fabrication additive serait le secteur de l’automobile haut de gamme [parce que] les gens sont prêts à payer pour la personnalisation. Je rencontre des personnes prête à payer un supplément pour ce genre de personnalisation dans la gamme de £ 30,000 à £ 50,000 d'ici deux ou trois ans ». Plusieurs concept-cars, imprimés en 3D, sont utilisés pour tester des pièces et des voitures entières, mais aussi pour expérimenter la fonctionnalité d’une pièce spécifique, comme la résistance à l’air dans les pièces de carrosserie, le débit d’huile dans les systèmes de transmission ou les tests ergonomiques.

Les voitures de course, cible idéale pour la fabrication additive

Depuis les premières lignes de production automatisées de Ford, l’industrie automobile a toujours été un précurseur dans l’utilisation de nouvelles technologies. Au cours de la fabrication, diverses étapes d’assemblage existent durant lesquelles des outils imprimés en 3D peuvent augmenter la productivité. La fabrication additive permet également la conception de gabarits de formes complexes, plus économiques, ainsi que des outils et des inserts d’outil 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-unes des principales entreprises utilisant les avantages de la fabrication additive. Les équipes de Formule 1 utilisent depuis longtemps ces technologies sur leurs voitures de course. Des pièces imprimées en 3D sont inclues dans les boîtiers électriques, les montures de caméras et autres structures aérodynamiques. L’équipe de Formule 1 de Renault utilise plus de 900 pièces sur ses voitures de course chaque saison. Les équipes d’Indy et de NASCAR utilisent également des pièces conçues par fabrication additive sur leurs voitures.

Les fabricants automobiles utilisent également cette technologie pour leurs concept-cars. En 2007, Hyundai a utilisé, avec l’aide de Freedom of Creation, des systèmes de frittage sélectif par laser (Selective Laser Sintering – SLS) pour fabriquer des composants du plancher pour son concept-car QarmaQ. Bentley utilise la technologie de Stratasys pour produire des pièces personnalisées pour sa gamme de luxe. BWM utilise la technologie FDM pour concevoir des appareils et des outillages pour l’assemblage automobile.

Les voitures de course étant fabriquées en faible volume, et considérant l'importance des attentes relatives à leurs performances, l'impression 3D est parfaitement adaptée à leur production. Il existe de nombreux exemples de composants automobiles fabriqués de manière additive. La voiture de course Areion (figure 1) a entièrement été imprimée en 3D, par le Groupe T avec l’aide de Materialise, en utilisant la technologie stéréolithographique (SLA). La fabrication additive a notamment été utilisée sur Areion pour optimiser les canaux de refroidissement. 

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1 - Areion race car

Le constructeur automobile Local Motors, basé en Arizona, a réalisé la conception du véhicule Strati (figure 2) dont la carrosserie, le châssis et certaines fonctionnalités ont été imprimés en plastique ABS renforcé de fibres de carbone. 

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2 - Véhicule Strati présenté à l'IMTS, en 2014

Local Motors a également conçu un autobus électrique par fabrication additive, partiellement recyclable, appelé Olli (figure 3). Ce véhicule électrique est déjà opérationnel dans les rues de Washington DC.

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

Le poids des véhicules est un problème essentiel pour les constructeurs, notamment concernant les véhicules utilitaires. L’utilisation de la fabrication additive et de l’optimisation topologique est une solution à ce problème.

Applications présentes et futures

Actuellement, la fabrication additive est utilisée pour concevoir des pompes, des vannes, des systèmes de refroidissement, des pare-chocs, des brise-vent, des composants du moteur, des panneaux de carrosserie et même des carrosseries entières. Bien que seules les parties visibles soient les plus susceptibles d’être soumises à une personnalisation accrue, la fabrication additive est utilisée pour les pièces intérieures visibles et non visibles (voir le dossier « Fabrication additive et automobile » dans A3DM Magazine n° 8 ou sur le site www.a3dmmagazine.fr).

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 cependant que les brevets nécessaires soient protégés et que les pièces de rechange fabriquées soient dûment certifiées. Cette évolution entraînerait un changement dans la chaîne de valeur grâce à la suppression des entrepôts dédiés au stockage des pièces, dans la mesure celles-ci pourraient être imprimées à la demande.

Les composants en plastique intérieurs, comme les tableaux de bord, et extérieurs, comme les rétroviseurs, représentent également une opportunité de développement : la personnalisation et le design pourraient améliorer la pénétration du marché et pousser à une plus large adoption de la fabrication additive. Ces pièces intérieures et extérieures sont importantes en raison de leur possible personnalisation, de leur attractivité et du confort associé. Elles sont généralement conçues dans des matériaux tels que du plastique, des textiles, et plus rarement du métal. Concernant les pièces extérieures, il est possible de personnaliser certains éléments tels que les protections de lampes, les parasols, les lunettes, les visières, etc. Les pièces intérieures concernent l’habitacle et la cabine, telles que les tapis, les kits de plancher, les tissus d’ameublement, les revêtements de sol, le tableau de bord, etc. Le nombre de pièces dans un poste de pilotage, environ 250 pièces, varie, et certaines de ces pièces sont conçues séparément afin de permettre des essais pertinents. Parmi ces pièces, environ 90 sont directement visibles par les clients, qui peuvent choisir les matériaux, les couleurs, la coupe, la couture et l’assemblage. Une voiture peut ainsi varier d’un modèle à l’autre : un concept qui a actuellement son importance, dans la communauté des makers.

Selon une récente étude d’IDEA Projects, les principaux produits qui sont actuellement imprimés en 3D ou qui le seront certainement à partir de la fabrication additive dans un futur proche sont les composants à base de plastique présents à l’intérieur des voitures. À l’inverse, certains autres types de composants ne semblent pas adaptés à la fabrication additive, tels que les composants non-plastiques (comme les tapis, les parties textiles des sièges, etc.) et métalliques : ceux-ci ne sont pas soumis aux expérimentations ou tests de fabrication additive et leur fabrication par le biais de cette technologie est très limitée. Malgré quelques exceptions, comme l'utilisation du titane pour des pièces intérieures de voiture, et en particulier pour le volant, le plastique est de plus en plus utilisé dans le secteur automobile. « Le véhicule moyen utilise environ 150 kg de matières plastiques et de composites plastiques contre 1163 kg de fer et d’acier. Il représente, actuellement, autour de 10-15 % du poids total de la voiture. [...] Les véhicules commerciaux comprennent environ 50 % de composants intérieurs avec du plastique, y compris dans les sous-systèmes de sécurité, les ensembles de portes et de sièges. [...] Jusqu’à treize différents polymères peuvent être utilisés dans un modèle de voiture, même si trois types de plastiques représentent environ 66 % des plastiques utilisés dans une voiture : polypropylène (32 %), polyuréthane (17 %) et PVC (16 %) », explique Katarína Szeteiová, de l’Institut des technologies de production, des machines et des matériaux à Trnava, Université technique slovaque de Bratislava.

Le succès de la fabrication additive dans l’industrie automobile dépendra en grande partie des nouveaux matériaux, du développement de nouveaux systèmes et de l’évolution de nouvelles applications.

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