Magazine Mardi 25 février 2020 - 21:29

La fabrication additive sur de bons rails

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Parmi l’ensemble des industries ayant des applications en fabrication additive, celle des chemins de fer n’est certainement pas l’une des plus courantes. Pourtant, son profil industriel et les récents développements du secteur ont amené ses acteurs à s’intéresser aux technologies additives et à explorer leurs possibilités. La fabrication additive de pièces détachées est une opportunité de repenser le stockage et la chaîne d’approvisionnement.

Au cœur du débat politique, médiatique et social, les questions environnementales sont de plus en plus nombreuses. Les émissions de CO2 tiennent une place importante. Avec son fort impact environnemental, l’industrie du transport de marchandises et de personnes est constamment sous les feux des projecteurs. Souvent décriés par les protecteurs de l’environnement, les transports jouent, cependant, un rôle vital dans la société et l’économie. Notre qualité de vie dépend également d’un système de transports efficace et accessible. Le secteur est donc particulièrement engagé dans les défis environnementaux et, en conséquence, les évolutions technologiques.

Le rail sur de nouvelles voies pour le XXIe siècle ?

Transports et problèmes environnementaux 

Dans l’Union européenne (UE), le secteur des transports utilise un tiers de l’énergie, la majorité provenant du pétrole. Il est responsable d’une grande partie des émissions de gaz à effet de serre et constitue un contributeur majeur du changement climatique. Alors que la plupart des autres secteurs économiques, tels que la production d’électricité et l’industrie, ont réduit leurs émissions depuis 1990, celles des transports ont augmenté. Ces émissions représentent désormais plus du quart des émissions totales de gaz à effet de serre de l’UE. Le secteur des transports est devenu un obstacle majeur à la réalisation des objectifs de l’UE en matière de protection du climat. Parmi ceux-ci, les voitures, les camionnettes, les camions et les bus produisent plus de 70 % des émissions globales de gaz à effet de serre provenant des transports. Le reste provient principalement du transport maritime et de l’aviation. Et, malheureusement, le changement ne semble pas pour maintenant.

Au cœur du débat politique, médiatique et social, les questions environnementales sont de plus en plus nombreuses. Les émissions de CO2 tiennent une place importante. Avec son fort impact environnemental, l’industrie du transport de marchandises et de personnes est constamment sous les feux des projecteurs. Souvent décriés par les protecteurs de l’environnement, les transports jouent, cependant, un rôle vital dans la société et l’économie. Notre qualité de vie dépend également d’un système de transports efficace et accessible. Le secteur est donc particulièrement engagé dans les défis environnementaux et, en conséquence, les évolutions technologiques.

Le secteur des transports est également une source importante de pollution atmosphérique, en particulier dans les villes. Ces polluants, tels que les particules (PM) et le dioxyde d’azote (NO2), nuisent à la santé humaine et à l’environnement. Bien que la pollution de l’air due aux transports ait diminué au cours de la dernière décennie – notamment en raison de l’introduction de normes de qualité des carburants, des normes européennes sur les émissions des véhicules et de l’utilisation de technologies plus propres –, les concentrations de polluants atmosphériques sont encore trop élevées.

La pollution sonore est un autre problème majeur de santé environnementale lié aux transports. Le trafic routier est la source de bruit la plus répandue, avec plus de 100 millions de personnes affectées par des niveaux nocifs dans les pays membres de l’Espace économique européen (EEE). Le trafic aérien et les chemins de fer sont également d’importantes sources de bruit.

Enfin, les infrastructures de transport ont un impact sérieux sur le paysage car elles divisent les zones naturelles en petites parcelles, avec notamment, de graves conséquences pour les animaux et les plantes.

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Les avantages des chemins de fer

Parallèlement aux problèmes environnementaux décrits, la demande mondiale de transports croît rapidement. Sur la base des tendances actuelles, nous pouvons estimer que l’activité des passagers et du fret va plus que doubler d’ici 2050. Parmi les solutions proposées par de nombreux acteurs, les chemins de fer sont sur de bons rails. Le train à grande vitesse peut servir d’alternative au transport aérien à courte distance. Il est adapté au déplacement urbain et au fret, il peut compléter d’autres modes de transport pour assurer une mobilité efficace. Le rail est l’un des modes de transport les plus éco énergétiques, que ce soit pour le fret ou les passagers. Pourtant, le secteur ferroviaire transporte seulement 8 % des passagers dans le monde et 7 % des marchandises au niveau mondial. Il ne représente que 2 % de la demande totale d’énergie de transport.

Le secteur ferroviaire est actuellement le seul mode de transport largement électrifié. Entre les années 2000 et aujourd’hui, l’activité de transport ferroviaire de voyageurs sur des trains électriques est passée de 60 à 75 %. Il est le mode de transport le plus diversifié sur le plan énergétique. Les bons élèves dans ce domaine sont l’Europe, le Japon et la Russie, tandis que l’Amérique du Nord et du Sud dépend encore fortement du diesel. Les trains de fret ne sont cependant pas aussi modernes.

La répartition géographique des chemins de fer

Aujourd’hui, la majorité des réseaux ferroviaires conventionnels sont situés en Amérique du Nord, en Europe, en Chine, en Russie, en Inde et au Japon. Ces régions représentent environ 90 % des mouvements mondiaux de passagers sur le rail conventionnel : l’Inde est en tête avec 39 %, suivie par la Chine avec 27 %, le Japon avec 11 % et l’Union européenne avec 9 %. À la différence des investissements réalisés dans les trains à grande vitesse et les métros, le rail conventionnel a peu évolué au cours des dernières décennies. L’activité ferroviaire de fret a régulièrement augmenté au cours des vingt dernières années. Les mouvements de fret ferroviaire se concentrent en Chine et aux États-Unis. Ces pays représentent environ un quart de l’activité mondiale de fret ferroviaire, auquel nous pouvons ajouter la Russie qui en représente un cinquième. Les minéraux, le charbon et les produits agricoles concentrent l’essentiel de l’activité ferroviaire de fret.

La mise en route de la fabrication additive

L’industrie de l’approvisionnement ferroviaire

L’industrie ferroviaire (Rail Supply Industry, RSI) est un élément essentiel de la croissance industrielle, de l’emploi et de l’innovation en Europe. L'industrie ferroviaire européenne représente 46 % du marché mondial du RSI. Elle comprend la fabrication de locomotives et de matériels roulant, de voies ferrées, d’équipements d’électrification, de signalisation et de télécommunications, de pièces et de services. Elle investit 2,7 % de son chiffre d’affaires annuel en R&D et emploie environ 400 000 personnes en Europe.

L’industrie ferroviaire est un secteur industriel important pour l’Europe, avec un chiffre d’affaires de 49,2 milliards d’euros et une valeur ajoutée de 15,2 milliards d’euros en 2017. En valeur de production, la fabrication de matériel roulant et de locomotives est le segment le plus important avec 31,2 milliards d’euros, suivi du segment des infrastructures ferroviaires avec 10,2 milliards d’euros. Le segment de la signalisation et de l’électrification se place à distance en troisième position, avec 1,4 milliard d’euros. Entre 2011 et 2017, la valeur de la production a augmenté d’environ 11 %, dont une grande part peut être attribuée à la fabrication de locomotives et de matériel roulant.

En 2018, 334 entreprises du secteur étaient actives en Europe dont 21 % de PME. La société chinoise CRRC, avec un chiffre d’affaires de 30 milliards d’euros, est le leader mondial. Viennent ensuite les sociétés européennes Siemens (8 milliards d’euros) et Alstom (7 milliards d’euros). L’Union européenne reste le plus grand exportateur net depuis 2000, avec une exception en 2005, où le Japon a présenté une valeur plus élevée des exportations nettes.

Impact de la fabrication additive sur la gestion de la chaîne d’approvisionnement

En tant que technologie de fabrication assistée par ordinateur (FAO), la fabrication additive peut être une solution – ou un début de réponse – face aux défis environnementaux de l’industrie des transports, mais aussi aux enjeux économiques du secteur ferroviaire. Ses avantages pour l’industrie des chemins de fer sont nombreux (voir l’encadré ci-dessous). Elle améliore et accélère la conception, raccourcit les phases de fabrication et les délais de mise sur le marché, réduit la quantité de matière première utilisée et la production... La fabrication additive offre également une meilleure gestion des stocks en dématérialisant les pièces et accélère le remplacement des pièces endommagées. Elle permet ainsi de limiter l’immobilisation des trains. « Pour assurer la disponibilité des trains, la SNCF doit pouvoir changer un composant défectueux le jour même. Or, les trains étant constitués d’un nombre important de pièces, nous devons gérer un stock conséquent. Avec la fabrication additive, nous pourrions le réduire en créant les pièces au besoin », a expliqué Bruno Langlois, directeur du matériel SNCF.

Les cas d’applications de la fabrication additive (à découvrir ci-dessous) nous montrent que l’impression de pièces détachées est une opportunité de repenser le stockage et la chaîne d’approvisionnement. La dématérialisation des fichiers supprime la nécessité de grands locaux pour le stockage. Le délai de livraison de ces pièces peut également être considérablement réduit en relocalisant la production de celles-ci. Par exemple, la Deutsche Bahn (DB), l’entreprise ferroviaire publique allemande issue de la fusion entre la Deutsche Bundesbahn et la Deutsche Reichsbahn en 1994, a déjà imprimé plus de 6 000 pièces couvrant 110 applications différentes pour sa gamme de trains à grande vitesse. Stefanie Brickwede, responsable de la fabrication additive à la Deutsche Bahn et directrice générale et fondatrice de Mobility Goes Additive (MGA), souhaite « d'élargir l'espace d'application de la fabrication additive dans le secteur de la mobilité et l'établir industriellement. Plus de 100 sociétés membres internationales de tous les secteurs de l'industrie travaillent donc dans divers groupes de travail pour développer des solutions appropriées ». Fondé en 2016, le réseau Mobility Goes Additive agit ainsi comme une plateforme centrale pour le développement de la technologie pour le secteur de la mobilité, « en regroupant les compétences des membres dans le cadre de projets communs ».

Le secteur ferroviaire a également la particularité de posséder des pièces obsolètes qui ne sont plus disponibles, comme d’anciens composants pour les infrastructures ou de vieilles pièces pour les trains – dont les moules n’existent plus ou sont trop abîmés pour être utilisés. Grâce à des techniques de rétro-ingénierie, la fabrication additive peut aider à remplacer ces pièces, en fonction de leur criticité.

Contenu Encadré

Applications courantes de la fabrication additive dans l’industrie ferroviaire

  • Éléments de cabine (accoudoirs, poignées de maintien, tablettes rabattables).

  • Outils de fabrication.

  • Conduits d’aération/systèmes de ventilation, petits composants en acier, boîtes d’essieu, supports pour les freins.

  • Remplacement de pièces usées, défectueuses ou obsolètes.

Valider la normalisation

Le règlement de conception et d’exploitation des véhicules ferroviaires est soumis aux mêmes contraintes que le secteur des transports de manière générale. Face à cela, le secteur de la fabrication additive doit – pour s’implanter – passer par des phases de normalisation. Cet enjeu fait partie des grands défis à venir, mais le secteur avance rapidement. En décembre 2019, le réseau Mobility Goes Additive a validé, par son groupe de travail « Approbation » (« Approval ») dirigé par Siemens Mobility GmbH et avec la participation de la Deutsche Bahn AG et du Fraunhofer, la première pièce de sécurité critique du secteur ferroviaire imprimée en 3D (figure 1). Il s’agit d’un bras de liaison de frein en métal, installé avec succès sur un métro de l’entreprise allemande Hamburger Hochbahn AG. Le composant est une pièce métallique en matériau 1.4404, c’est-à-dire une pièce en acier inoxydable fabriquée par fusion laser sur lit de poudre (Powder Bed Fusion).

Les procédures d’assurance qualité nécessaires, les tests approfondis et les documentations correspondantes ont été réalisés et approuvés par TÜV Süd Rail. Sur la base de cette certification, une norme devrait voir le jour afin d’augmenter les possibilités d’application des composants et pièces de rechange conçus par fabrication additive dans le secteur ferroviaire.

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De plus en plus d’applications dans le secteur ferroviaire

La Deutsche Bahn imprime ses pièces de rechange

La compagnie ferroviaire allemande Deutsche Bahn est l’une des premières sociétés du secteur à utiliser la fabrication additive pour imprimer ses pièces de rechange. Après avoir utilisé la technologie pour fabriquer des pièces obsolètes pour des locomotives plus anciennes, elle s’est lancée dans la création d’un « entrepôt » de pièces de rechange numérisées à l’aide du logiciel 3YOURMIND. L’entreprise allemande utilise notamment une imprimante 3D à cinq axes, Gefertec Arc 405, appropriée pour la production rentable de pièces plus grandes en acier, à base de nickel, en titane ou en aluminium (figure 2).

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Une autre partie de la Deutsche Bahn, DB ESG, basée à Derby, au Royaume-Uni, aide les opérateurs ferroviaires et les propriétaires de matériel roulant à réaliser la maintenance des trains en service à travers l’ingénierie inversée de composants obsolètes. « La fabrication additive nous permet de produire efficacement des pièces destinées aux espaces pour les passagers impossibles à distinguer des pièces existantes », a déclaré Martin Stevens, directeur de l’ingénierie mécanique chez DB ESG. « La gamme de matériaux de Stratasys conformes à la norme EN45545-2 nous permet de réaliser des pièces d’ingénierie inversée, notamment des poignées de maintien intérieures avec des courbes complexes (figure 3), sans outil coûteux tout en réduisant les délais de livraison. Avec une solution de fabrication traditionnelle, ces pièces auraient dû être fabriquées par coulée ou moulage par injection. Le logiciel GrabCAD Print de Stratasys nous permet de définir précisément les paramètres d’impression, puis de verrouiller le fichier d’impression pour assurer une production de pièces uniforme dans plusieurs bureaux. »

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Une production plus efficace chez Bombardier

Bombardier Transportation a également amélioré et accéléré sa production de composants intérieurs et extérieurs grâce aux technologies de fabrication additive, notamment dans son usine de Hennigsdorf, en Allemagne. L’entreprise imprime ainsi certaines pièces de rechange personnalisées à la demande, via un inventaire numérique. « L’installation d’une imprimante 3D Stratasys F900 de qualité Industrielle a été fondamentale pour la production de pièces personnalis.es, tout en garantissant la fonctionnalité, la sécurité et la répétabilité », a expliqué André Bialoscek, chef de l’intégration physique des véhicules chez Bombardier.

Bombardier Transportation a présenté un système d’aération complexe et personnalisé pour un prototype de train alimenté par batterie (figure 4). Cette pièce de grande taille a été imprimée dans une résine ULTEM 9085, réduisant ainsi le poids de la pièce tout en répondant aux directives de certification ferroviaire EN45545-2 pour la fumée, la toxicité et le feu. Le délai de production est passé de quatre mois à environ quatre semaines, soit un gain de temps de 77 %. Anticipant le futur, Bombardier a créé également son inventaire numérique, évitant ainsi le stockage et garantissant que les besoins en pièces de rechange pourront être satisfaits à la demande.

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Alstom et l’importance de la fabrication additive

Depuis 2015, Alstom investit dans la fabrication additive. Grâce à d’importants efforts de R&D, la réalisation de prototypes et d’outillage rapides est une évidence. Le spécialiste des transports arrive ainsi à résorber ses difficultés d’approvisionnement ou manquants et à réduire le cycle de fabrication ainsi que le lead time de livraison. Mais, l’objectif est évidemment plus lointain. Fort d’une expérience d’impression 3D de plus de 16 000 pièces, réparties sur plus de 15 sites, avec un réseau de plus de 20 experts qualifiés, l’industriel utilise la technologie pour concevoir certaines pièces complexes, par exemple, pour améliorer les performances d’un conduit aéraulique ou diminuer le nombre de pièces en les remplaçant par une pièce unique imprimée. Il mène aussi des travaux dans un programme digital global de l’« industrie 4.0 », nommé « Smart Operations » qui comprend l'impression 3D, le RFID, les lunettes connectées, le big data, l'intelligence artificielle ou encore la réalité augmentée.

Alstom travaille avec le chimiste français Armor sur le développement d’un filament 3D dédié au secteur ferroviaire qui répond à la norme feu / fumée EN45-545. Formulé et caractérisé dans le laboratoire Kimya Lab (société d’Armor), ce matériau – exclusif et personalisable au niveau de la couleur – est produit sur mesure pour Alstom, dans le but de lutter contre l’obsolescence des composants, de réduire les coûts de production et d’allonger la durée de vie des pièces. Armor devrait probablement imprimer des pièces en série pour Alstom, sur le projet TGV 20-20, dans sa nouvelle Kimya Factory dont la nouvelle usine devrait voir le jour en 2020 à Nantes, en France. Une partie de la collaboration Alstom / Armor sera dévoilée, le 10 mars prochain, lors de la convention d’affaires APS Meetings qui se déroule à Lyon.

Les perspectives de l’impression 3D pour le secteur ferroviaire sont prometteuses. En France, comme dans de nombreuses régions du monde, la fabrication additive vous accompagnera surement dans vos prochains voyages en train.

Contenu Encadré

De nombreux avantages pour l’industrie ferroviaire

  • Accélérer et améliorer les étapes de conception.
  • Allègement du poids des pièces.
  • Taux de défauts inférieur et cohérence de qualité supérieure.
  • Temps de mise sur le marché réduit.
  • Processus de fabrication rationalisé.
  • Réduction des assemblages.
  • Haut degré de personnalisation.
  • Réduction de l’outillage.
  • Cycle de développement de nouveaux produits accéléré.
  • Réduction de la matière première utilisée.
  • Diminution de la production de déchets dans les étapes de production.
  • Diminution des coûts de montage.
  • Relocalisation de la production.
  • Meilleure gestion des stocks.
  • Optimiser la maintenance des appareils.
  • Limiter l’immobilisation des trains.

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