Réduction du poids des composants pour les applications automobiles
Processus de fabrication et considérations de matières pour l'allègement
Brouillards de pollution, hausses des prix des carburants, inquiétudes environnementales sur la fracturation et les forages en mer - il y a de nombreuses raisons pour améliorer le rendement énergétique aussi bien pour le transport des personnes que des marchandises. L’une des meilleures approches consiste à réduire le poids des véhicules. Des voitures plus légères impliquent une consommation réduite de carburant, et donc un air moins pollué et une dépendance réduite aux combustibles fossiles non renouvelables. En quelques mots : il est judicieux d’alléger les véhicules.
Les fabricants automobiles et leurs fournisseurs travaillent constamment pour concevoir et produire des composants automobiles plus légers et plus efficients. Des initiatives de conception européennes et mondiales, pilotées par le marché engendrent une véritable tempête d’activité de développement de produits pour les fournisseurs automobiles. Même dans le secteur commercial, d’innombrables possibilités de simplification de la conception, de réduction du poids et de réduction des quantités de matières existent, au grand bénéfice des consommateurs et de la planète.
Un passage à des produits et composants plus légers commence souvent avec le prototypage, là où le choix de la bonne matière et du bon processus de fabrication est essentiel.
Un passage au magnésium
Une chose dont il faut se rappeler avant de se lancer dans tout projet d’allègement est de le considérer comme une accumulation de petites interventions. Sauf si vous travaillez sur la nouvelle conception de la boîte de vitesse d’un énorme poids lourd, il vous sera difficile de réduire notoirement le poids d’une pièce isolée. Par contre, une petite réduction de poids sur chaque composant d’un véhicule sera une solution logique pour l’alléger dans son ensemble. Aujourd’hui, des rétroviseurs peuvent être composés d’un cadre en magnésium et d’une coque plastique tout en conservant la résistance et les fonctionnalités de leurs encombrants prédécesseurs. L’astuce consiste à développer des produits qui répondent aux exigences de prix et de fonctions, mais qui utilisent des matières alternatives et une conception intelligente pour réduire le poids.
Heureusement, pour les concepteurs et ingénieurs, la gamme actuelle des matières de prototypage et les technologies avancées de fabrication offrent un grand potentiel d’innovation pour des tests itératifs, voire même parallèles. Par exemple, si vous cherchez une matière adaptée à une coque légère de phare, le magnésium peut être une piste intéressante à suivre.
Avec une densité de 1740 kg/m3, le magnésium est la plus légère de toutes les matières structurelles et il a le rapport résistance/poids le plus élevé. Il a déjà fait ses preuves dans l’automobile, l’aérospatiale, le médical et l’industrie électronique, et il est utilisé dans de nombreux objets, allant du réservoir d’essence aux boîtes de vitesse. Et le magnésium étant l’un des minéraux les plus abondants dans le corps humain, il n’est pas seulement biocompatible, mais aussi biodégradable et devient ainsi un choix logique pour des vis, broches et autres implants auto dissolvants qui demandent une résistance supérieure à celle que peuvent offrir les polymères biodégradables. Le magnésium est fraisé pour créer une grande variété de prototypes. Comparé à l’aluminium, son dauphin en termes de légèreté, il est plus onéreux au kilo, mais ce différentiel de prix est relativement compensé par le poids de 33 % inférieur du magnésium pour une résistance comparable. Il s’usine également facilement, à condition de contrôler les copeaux ou particules de métal, car ils peuvent être inflammables dans un environnement riche en oxygène.
Pour ceux qui s’inquiéteraient du comportement du magnésium en cas d’incendie, ils peuvent se rassurer, le magnésium est présent partout. La Coccinelle de Volkswagen a arboré un bloc moteur en magnésium pendant des décennies, et BMW a commencé à utiliser le magnésium pour le carter et le couvercle de culasses de son six-cylindres N52 en 2005. Les qualités AZ31 et AZ91 de l’alliage de magnésium utilisées chez Protolabs sont même soudables, avec une température de fonte d’environ 482 °C. Sauf si vous travaillez sur un revêtement léger de fourneau, le magnésium est un excellent choix pour de nombreux composants. Dans le monde entier, les constructeurs automobiles passent au magnésium en raison de sa résistance, de sa légèreté et de son abondance - il peut être extrait de l’eau de mer.
Alternatives plastiques
Le magnésium et l’aluminium sont des alternatives excellentes à l’acier pour l’allègement, mais les matières thermoplastiques et thermodurcissables présentent également des possibilités robustes. Un large choix de polymères chargés fibres de verre, de métal ou de céramiques, ainsi que le silicone liquide (LSR) peuvent également être utilisés pour remplacer des pièces métalliques, en réduisant le coût et le poids du produit tout en améliorant sa durée de vie.
• Le polyéthylène est disponible en haute densité (HDPE) et basse densité (LDPE). Le HDPE présente des applications et propriétés mécaniques proches de celles du polypropylène, mais il est plus rigide et offre une plus grande résistance au gauchissement. En raison de son faible coût et de sa résistance relativement élevée, il est souvent utilisé pour les conduites souterraines, les réservoirs d’eau et les récipients pour produits chimiques. Le cousin du HDPE, le LDPE de densité plus faible, plus flexible, est utilisé dans des bouteilles compressibles, des films plastiques et des toboggans pour enfants. Les deux matières sont adaptées quand la résistance et la légèreté sont importantes, par exemple pour une boîte à gants ou pour une prise d’air frais.
• L’ABS est un autre thermoplastique avec une résistance aux chocs et une dureté exceptionnelles. C’est une alternative légère au métal dans les garnitures de tableau de bord, les boîtiers électroniques, les enjoliveurs et autres applications automobiles du même type. L’ABS moulé par injection est également disponible dans des qualités retardateur de flamme ou antistatique, dans toute une gamme de couleurs, ouvrant la porte à un nombre stupéfiant de produits légers pour le grand public, le secteur médical et l’électronique. Les enjoliveurs en ABS chromé utilisés sur un grand nombre de véhicules particuliers réduisent leur poids, de même que les grilles et élargisseurs d’ailes dans la même matière. Et pour finir, le châssis de la première automobile imprimée en 3D du monde — la STRATI — produite sur site pendant l’International Manufacturing Technology Show de 2014, a été fait d’ABS renforcé fibre de carbone. Son poids est juste de 499 kg.
• Le polycarbonate (PC) est très thermoformable, et il est fréquemment moulé pour former des panneaux architecturaux transparents, des lentilles de lunettes, des écrans d’ordinateurs industriels et autres produits pour lesquels le verre n’est pas adapté en raison de son poids ou risque de bris. Il est 250 fois plus résistant aux chocs, avec uniquement la moitié du poids du verre courant, et c’est pourquoi le « verre pare-balles » et les hublots des avions sont aujourd’hui en polycarbonate, ou en acrylique, son cousin un peu plus flexible. Dans le secteur de fabrication additive, on retrouve le plastique Accura 60 de 3D Systems, avec une charge de 10 % fibre de verre pour simuler le polycarbonate, adapté à des prototypes fonctionnels avec des propriétés similaires au PC de qualité commerciale, et Accura 55300 ou le DSM Somos NanoTool à charge céramique pour les applications haute température en aérospatiale et automobile. Des qualités équivalentes de PC sont disponibles pour l’usinage et le moulage par injection.
• Le PA (aussi appelé Nylon) est aussi souvent chargé en fibres minérales ou fibres de verre pour améliorer son rapport rigidité/poids, ainsi que ses propriétés mécaniques. Cela en fait l’une des matières plastiques les plus résistantes disponibles chez Protolabs. Stable thermiquement, et très résistant à l’usure, c’est un excellent candidat pour les pignons, pales de ventilateurs, réducteurs, verrous, distributeurs et surfaces de paliers. Il est également très léger, avec 15 % du poids de l’acier et 40 % de celui de l’aluminium. Protolabs offre le frittage laser sélectif (SLS) de plusieurs qualités de nylon pouvant être utilisées pour le test fonctionnel des prototypes avant de lancer l’usinage ou le moulage par injection. L’un d’entre eux est le PA 11, une matière bien adaptée aux charnières intégrées utilisées dans les raccords de tuyaux ou de câbles, les bouchons de lave-glace et autres composants automobiles.
• L’acétal, plus souvent appelé par sa dénomination commerciale Delrin, est une matière régulièrement choisie pour les prototypes usinés. Il est résistant et rigide, sans avoir besoin de renforcement fibre de verre comme le PA (même si ce dernier est parfois utilisé pour améliorer sa rigidité et sa résistance au fluage) et il est régulièrement sollicité pour remplacer des pièces en métal de précision dans une large gamme de produits industriels ou grand public : les composants électriques ou d’alimentation en carburant, les pièces de transmission comme les engrenages, douilles et paliers, et autres pièces haute performance peuvent être fraisées ou moulées par injection dans différentes qualités d’acétal copolymère ou homopolymère en stock chez Protolabs.
• Le silicone liquide (ou LSR) est une matière surprenante et polyvalente pour de nombreuses applications de moulage. Il s’agit d’un composé thermodurcissable en deux composants, mélangé à basse température puis injecté dans un moule chauffé. Après traitement, le LSR devient résistant en restant flexible, et il est bien adapté aux joints, lentilles, connecteurs et autres pièces demandant une excellente résistance thermique, chimique et électrique. Faisceaux de câbles, boutons de tableau de bord, coiffes de bougies, ce sont quelques exemples de pièces LSR pouvant être trouvées dans les véhicules modernes. Cela fait donc de nombreuses matières plastiques.
Comparer les options de fabrication
Malgré la flexibilité des matières envisageables, c’est une bonne idée de comprendre quelle matière est la mieux adaptée à chaque processus de fabrication. Les prototypes usinés étaient autrefois fabriqués sur des fraiseuses à manivelle et des tours motorisés. Ils étaient en général en acier, en cuivre ou en aluminium et il fallait des semaines pour les fabriquer. Protolabs a automatisé le même processus basique d’une telle manière que les fichiers 3D des pièces peuvent être littéralement téléchargés un jour pour une livraison le lendemain, dans pratiquement toutes les matières que nous venons d’évoquer. Les centres d’usinage CNC de Protolabs fraisent des prototypes à partir de blocs de métal ou de plastique de la taille d’une grosse encyclopédie, et des tours avec outils rotatifs sculptent des pièces aussi volumineuses qu’un vase à fleurs. Les deux processus respectent des tolérances de +/- 0,1 mm voire moins, suivant la géométrie de la pièce.
Une méthode de plus en plus utilisée pour fabriquer rapidement des pièces en magnésium est le moulage par injection (également appelée thixomoulage, disponible sur le site américain de Protolabs). Ici, des copeaux de magnésium sont chargés dans la trémie d’une presse de moulage. Ils sont ensuite chauffés et agités afin d’amener le magnésium dans un état semi-solide, puis de l’injecter sous pression dans l’empreinte d’un moule grâce à une vis sans fin. De cette manière, des composants en magnésium totalement fonctionnels peuvent être produits en petites séries, pour une fraction du prix des pièces de production usinées.
De nombreux ingénieurs de production associent le magnésium avec la coulée sous pression, ce qui a été longtemps la méthode traditionnelle de fabrication de grandes séries avec ce métal omniprésent. Pourtant, le moulage par injection du magnésium offre un certain nombre d’avantages par rapport à son cousin plus ancien. Le thixomoulage est avant tout un processus « à froid », qui fonctionne juste en dessous du point de fusion du magnésium. Pour cette raison, il est moins soumis au retrait et au gauchissement que les pièces coulées, tandis que les pièces thixomoulées présentent généralement de meilleures propriétés mécaniques. Le processus étant moins chaud, il demande des moules moins sophistiqués, car il n’est pas nécessaire d’avoir des canaux de refroidissement. Et la pâte de magnésium étant injectée dans le moule à très haute pression, parfois deux fois celle d’une coulée, il est possible d’obtenir des détails très fins. Si l’on considère tous ces éléments, le thixomoulage est un choix évident pour de nombreux prototypes ou petites séries de composants en magnésium.
Un autre processus mature de prototypage est la stéréolithographie (SL), une des premières technologies additives de fabrication. Protolabs utilise la SL pour imprimer des pièces avec six différentes qualités de polymères de trois groupes : ABS, polycarbonate et polypropylène. Il est important de noter que ces matières imitent les matières plastiques et ne sont pas adaptées à une utilisation fonctionnelle. La SL peut cependant produire des prototypes extrêmement précis, et c’est une première étape logique pour avoir en main une pièce initiale légère que l’on peut manipuler et évaluer. Et pour tester la forme et l’adéquation de produits destinés à être coulés, il existe le SLArmor, une matière additive chargée céramique et plaquée nickel, très légère, mais assez résistante pour simuler le métal dans certains cas, et une solution idéale pour de nombreuses applications légères.
Le processus suivant sur la liste de l’impression 3D est le frittage laser sélectif, limité à quatre types de nylons techniques chez Protolabs, dont deux renforcés pour des applications à haute température et pour une meilleure intégrité structurelle. Comme tous les processus additifs chez Protolabs, le SLS emploie un laser pour dessiner chaque couche de la pièce. Les détails des pièces sont parfois moins précis que ceux fabriqués par SL, mais toujours suffisants pour des essais fonctionnels. Parmi toutes les matières plastiques disponibles chez Protolabs, le nylon à charge billes de verre est l’une des plus appréciées des constructeurs automobiles, largement en raison de son faible coût et de sa résistance. Pour cette raison, la SL et la SLS sont toutes deux bien adaptées au prototypage de pièces légères.
Un autre processus de fabrication additive de plus en plus utilisé est le DMLS, ou frittage laser direct de métal. Le DMLS fait fondre des couches de poudre métalliques d’une épaisseur d’à peine 0,02 mm (soit 20 microns) chez Protolabs, pour créer des formes de pièces à densité de 98 % souvent impossibles à fabriquer autrement. Il est très précis avec des tolérances de +/- 0,1 mm à +/- 0,2 mm plus un supplément de +0,005 mm généralement obtenu sur les pièces bien conçues.
Chez Protolabs, le DMLS s’applique à l’aluminium et au titane, c’est donc un prétendant évident pour les pièces légères, mais il est également utilisé avec l’acier inoxydable 316L et l’inconel, des métaux extrêmement robustes connus pour leur durabilité et leur résistance thermique plus que pour leur légèreté. Ainsi, le DMLS peut fabriquer des pièces métalliques qui, jusqu’ici, ne pouvaient pas quitter le domaine de l’imagination. Des parts aussi creuses qu’un œuf de Pâques en chocolat, des courbes et sphères directement issues du cerveau d’Esher, des parois ultrafines et des maillages aussi fin qu’une toile d’araignée, la consolidation d’assemblages multi pièces dans un seul composant fritté - ce sont quelques -unes des possibilités d’allègement qu’offre le DMLS (comme la SL et la SLS).
Le DMLS est moins rapide et plus cher que d’autres procédés de fabrication additive, si votre pièce peut être usinée ou moulée efficacement, le DMLS peut ne pas être la méthode la plus adaptée. Mais pour des assemblages complexes, des formes improbables, ou des pièces où de petites quantités de superalliage vont jouer un grand rôle, le DMLS peut être la bonne solution pour réduire le poids de la pièce et réduire les coûts de fabrication. Pour finir, le DMLS n’est pas limité à des prototypes - si une petite pièce complexe est trop difficile ou onéreuse à produire par des méthodes conventionnelles, le DMLS est souvent une alternative viable pour des petites séries, jusqu’à des milliers de pièces.
Réflexions finales
Supposons que nous concevions une pompe à eau. Le polycarbonate formerait une hélice résistante et légère, le bouchon de vidange en cuivre pourrait être remplacé facilement par de l’ABS ou un polypropylène, et une matière NanoTool chargée céramique et plaquée nickel pourrait être utilisée pour la plaque arrière. Dans tous ces cas, nous pourrions utiliser la SL pour imprimer en 3D différentes itérations de formes pour tester leur adéquation, avant d’usiner une douzaine de prototypes pour les tests fonctionnels, puis passer facilement à plusieurs milliers de pièces moulées par injection. Pour finir, le carter de pompe en fonte pourrait être remplacé par un composant en magnésium.
L’un des plus grands défis de l’allègement consiste à faire le tri entre les différentes possibilités. C’est pourquoi l’amélioration d’un produit pour l’automobile ne consiste pas uniquement à se jeter sur la matière la plus légère pour remplacer l’acier utilisé auparavant. Les pièces en matière plastique qui seront finalement produites en grande série grâce au moulage par injection doivent être conçues avec les bons angles de dépouilles et des épaisseurs de parois adaptées. Les éjecteurs doivent être pris en compte, comme les zones avec des contre-dépouilles, des rayons intérieurs serrés, et une foule d’autres détails pouvant contribuer au succès ou à l’échec de votre pièce légère.
Facteurs supplémentaires à considérer avant d’embarquer sur une conception légère :
• Des nervures de support et des sections en nid d’abeille réduisent le poids de la pièce tout en conservant l’intégrité structurelle, surtout pour les pièces thermoplastiques moulées par injection.
• Les pièces en magnésium sont 33 % plus légères que l’aluminium, et 75 % plus légères que l’acier !
• Le moulage par injection du magnésium est une marche rapide et facile vers des produits moulés de très grande série.
• Une analyse soignée à un stade précoce des volumes de pièces nécessaires peut éviter des évolutions coûteuses de conception quand les quantités augmentent.
• Même si l’acier, le chrome cobalt ou l’inconel pèsent plus que l’aluminium ou le magnésium, la technologie DMLS peut faire de ces métaux « pesants » une alternative résistante et efficace à des matières plus légères.
• Ne soyez pas effrayés par le coût plus élevé des plastiques chargés fibres de verre, car leur résistance accrue permet des réductions de poids non négligeables.
• Lorsque vous concevez des pièces moulées, n'hésitez pas à utiliser les outils d’analyse de faisabilité offerts par Protolabs (que vous commandiez ou non les pièces).
Il existe de nombreuses bonnes raisons d’allègement. La conception de produits plus légers, plus résistants et plus économiques à la fabrication profite à tout le monde, et donne un avantage concurrentiel aux entreprises qui les produisent. La réduction de consommation des voitures et camions va continuer à être le Graal de ces industries, un objectif contraint par une redoutable triade d’épuisement des combustibles fossiles, d’augmentation des gaz à effet de serre et de réglementations gouvernementales.
La bonne nouvelle, c’est que grâce à la gamme de prestations de prototypage et de pièces en petite série disponible chez Protolabs, associé à sa grande expertise interne - vous avez beaucoup de ressources pour vous aider à réduire le poids des pièces. Si vous avez des questions concernant les matières, les processus de fabrication ou la conception, merci de contacter nos ingénieurs d'application à l’adresse [email protected], par téléphone au +33(0)4 56 64 80 50 ou consultez le site protolabs.com/fr-fr.