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Comment réduire les coûts d’une pièce automobile imprimée en 3D de 50 % et son poids de 30 % ?

Charnière de porte de voiture optimisée par l'Institut allemand Fraunhofer grâce à la fabrication additive

Charnière de porte de voiture optimisée par l’Institut allemand Fraunhofer de manière additive (crédits photo : Institut allemand Fraunhofer)

Si du fait de sa lenteur de fabrication par apport aux techniques traditionnelles, l’impression 3D ne permet pas encore de répondre aux cadences industrielles, sa liberté de formes et sa faculté à réduire significativement le nombre d’éléments à assembler, sont des atouts encore largement sous-exploités par certaines industries. C’est le cas de l’automobile, un secteur où comme tant d’autres encore, le manque de formations et de connaissances de ses ingénieurs pour redessiner et optimiser les pièces pour la fabrication additive, constitue un frein tout aussi important que les performances de cette technologie.

Employée principalement comme support de production pour fabriquer plus rapidement et plus efficacement de l’outillage ou des prototypes de pièces, la fabrication additive reste encore très sous représentée dans les 30 000 pièces qui composent une voiture. L’intégration de l’impression 3D pour les pièces d’utilisation finale, répond pour l’heure davantage aux attentes de l’automobile de luxe et du sport, des secteurs synonymes de production de petites séries à forte valeur ajoutée.

Mettant en lumière cet aspect, l’Institut allemand Fraunhofer pour les technologies de production additive (IAPT), vient de révéler des résultats très intéressants concernant la fabrication d’une charnière de porte de manière additive. Une pièce destinée une voiture de sport de luxe, et dont la conception a permis de mettre en évidence les facteurs qui influent les coûts des pièces imprimées en 3D.

Pour concevoir la dite pièce, les ingénieurs de Fraunhofer expliquent avoir recouru à un logiciel de sélection de pièces développé par l’une de ses spin-off appelée 3D Spark. Un outil qui permet d’évaluer automatiquement la fabricabilité, la rentabilité et la durabilité de composants pour l’impression 3D.

La deuxième étape pour les experts a consisté à déterminer l’orientation optimale en termes de coûts du composant. C’est par cette méthode qu’il a été possible de réduire le nombre de structures de support nécessaires tout en maximisant le nombre de pièces pouvant tenir sur une plateforme de construction. Depuis peu, un certain nombre de logiciels dédiés comme 3D BUILD ou Sintratec Nesting permettant d’exploiter au maximum le volume de fabrication disponible en imbriquant les impressions, ont commencé à faire leur apparition sur le marché.

Dans le cas présent, l’orientation du composant a permis de réaliser une économie de 15 % par rapport à un processus de fabrication additive sans cette optimisation. Quant à la réduction du nombre de structures de support, dont l’enlèvement est on le sait une opération manuelle très chronophage, celle-ci a eu pour effet de réduire de nouveau les coûts de 10 %. Démontrant que des économies peuvent être réalisées à tous les niveaux, les mêmes ont été observées grâce à la sélection de la poudre métallique.

« la fabrication additive peut déjà être utilisée de manière rentable dans de plus grandes séries allant jusqu’à 5 000 unités »

Logiciel 3DSpark permettant permet d'évaluer automatiquement la fabricabilité, la rentabilité et la durabilité de composants pour l'impression 3D

Logiciel 3DSpark permettant permet d’évaluer automatiquement la fabricabilité, la rentabilité et la durabilité de composants pour l’impression 3D (crédits : 3DSpark)

Consacrée à l’optimisation topologique de la pièce, l’étape suivante de la conception visait donc à supprimer la matière là où les efforts ne transitent pas à l’aide d’un logiciel dédié. Le tout bien sûr en répondant aux contraintes des charges mécaniques et de design. Les ingénieurs sont ainsi parvenus à réduire le poids total de la charnière de 35 %. Un allègement qui s’est par la même occasion répercuté sur la quantité matériau moins élevée et le temps d’impression plus court, en faisant réaliser des économies supplémentaires de 20 %.

Côté paramétrage enfin, en procédant à un ajustement de plusieurs facteurs comme l’épaisseur de couche plus élevée lors de l’impression, l’optimisation des paramètres de processus et de la réduction du profil du faisceau laser, les ingénieurs ont considérablement réduit aussi le temps de construction. Ils expliquent que malgré une légère perte de qualité des pièces (tout en restant supérieure à celle des pièces moulées), cela a permis de réduire encore les coûts d’impression de 15 %.

« Fraunhofer IAPT a pu montrer qu’une réduction des coûts de la fabrication additive par un facteur cinq est réalisable. En parallèle, a apporté une augmentation des performances techniques du véhicule grâce à un poids plus faible et une optique améliorée. » se félicite l’institut allemand avec de conclure. « Mais le point le plus important est que cela a permis de réduire de 50 % le coût de fabrication d’une petite série d’une charnière pour porte de voiture de sport par rapport à un fraisage classique. La fabrication additive est donc non seulement supérieure au fraisage en termes de performances techniques, mais aussi nettement plus rentable. Les résultats de cette étude sur la réduction systématique des coûts des composants AM peuvent être appliqués à une large gamme de composants automobiles. Ils démontrent que la fabrication additive peut déjà être utilisée de manière rentable dans de plus grandes séries allant jusqu’à 5 000 unités. »

Alexandre Moussion