Etude : l’impression 3D métallique est-elle un avantage dans l’automobile ?

les avantages de l'impression 3D métal dans l'automobile

Secteur le plus impacté par la fabrication additive avec l’aéronautique et le médical, l’automobile est le troisième utilisateur de cette technologie avec environ 16 % des applications. Fut un temps restreint au prototypage, l’impression 3D est aujourd’hui présente dans les ateliers des plus grands constructeurs automobiles (Mercedes, BMW…) pour la fabrication de pièces finies, d’outillage personnalisé ou encore de gabarits de montage… Selon une étude du cabinet SmarTech, l’impression 3D dans l’industrie automobile pourrait ainsi atteindre les 1,1 milliard de dollars d’ici 2019.

C’est dans ce contexte que Ampower, une société allemande spécialisée dans le conseil en fabrication additive industrielle, a publié un rapport sur l’application de l’impression 3D métal par fusion sur lit de poudre (Powder Bed Fusion (PBF) ) dans l’automobile. L’étude s’est intéressée à deux procédés en particulier : la fusion par faisceau laser (LBM :Laser Beam Melting ) incarnés par les 5 principaux fabricants que sont Concept Laser, EOS, Trumpf, Renishaw et SLM Solutions, ainsi que la fusion par faisceau d’électrons (EBM : Electron Beam Melting) commercialisée par Arcam.

S’appuyant sur ces deux procédés utilisés pour faire de prototypage et de la production en série, Ampower a imaginé un test comparatif visant à fabriquer un tuyau d’échappement de Porsche GT2 RS dans un alliage de titane Ti-6Al-4V. Il s’agit d’une pièce particulièrement pertinente, car habituellement réalisée en joignant deux feuilles de métal par soudure. Le principal point faible du tuyau d’échappement réside donc dans cette jonction qui peut nécessiter de nombreuses itérations avant d’arriver à une conception finale.

A l’inverse des techniques traditionnelles de fabrication, l’impression 3D permet de créer un tuyau d’échappement en une seule pièce. En la combinant à l’optimisation topologique, les ingénieurs peuvent également concevoir une structure plus légère en utilisant moins de matière, tout en préservant sa résistance. L’autre avantage de l’impression 3D réside aussi bien sûr dans sa capacité de personnalisation, offrant la possibilité aux clients de customiser leur pièce. La limite de l’impression 3D dans l’automobile réside en fait principalement dans sa capacité à produire des pièces finies à grande échelle.

Pour la phase de prototypage, le choix de Manpower s’est porté sur deux machines : la Concept Laser M2 représentant le procédé LBM et  pour l’EBM. Cette dernière a également été utilisée avec la SLM500HL de SLM Solutions dans sa configuration 4 lasers pour la production en série.

« les avantages du taux élevé de construction des machines EBM ne peuvent pas être appliquées »

L’étude menée par Ampower, conclue que globalement le système EBM est le plus rentable pour le prototypage. A l’inverse pour la production en série le procédé LBM à 4 lasers se révèle plus efficace que l’EBM nettement plus coûteux pour se genre d’application. « La raison réside en fait dans le faible volume de la pièce due à sa structure de paroi très mince.» Souligne le rapport. « Ici, les avantages du taux élevé de construction des machines EBM ne peuvent pas être appliquées

En terme de rentabilité, Ampower précise qu’en produisant plus de 20 pièces par an par fabrication additive, les fabricants pourrait économiser environ 50% sur le coût de production habituel d’un tuyau d’échappement. Cette réduction serait le plus souvent due aux économies d’échelle de post-traitement. Les processus de post-traitement externes, tels que le polissage isostatique à chaud, contribuent en effet à des délais plus longs.

nombre d'imprimantes 3D nombre de machines LBM et EBM vendues entre 2005 et 2017

Graphique montrant le nombre de machines LBM et EBM achetées aux leaders du marché entre 2005 et 2017. Crédit Ampower.

« la fabrication additive offre un grand potentiel pour réduire les délais »

Si en terme de finition les deux technologies montrent une rugosité de surface élevée, la technologie EBM présente des défauts de surface macroscopiques supplémentaires dus aux perturbations du champ électromagnétique. Le procédé LBM a donc des avantages évidents dans la qualité de surface par rapport à EBM. Selon le rapport cet écart de qualité subsiste encore après le polissage. Synonyme de production sans outils, l’impression 3D se traduit également dans le cas présent par un délai de production inférieur à 25 jours contre habituellement plusieurs mois avec les techniques classiques.

Confirmant la supériorité de la technologie LBM sur l’EBM pour ce genre d’application, le rapport souligne également : « La fabrication de pièces automobiles est encore à ses débuts. Les procédés classiques de fusion de lit de poudre limitent les applications possibles aux voitures puissantes sur des petits lots. Cependant, cette étude montre que la fabrication de pièces avec des exigences élevées sur les propriétés mécaniques et la finition est faisable. Pour ces applications, la fabrication additive offre un grand potentiel pour réduire les délais et permettre de nouvelles conceptions… » Retrouvez l’étude complète de Ampower ici.