L'Institut Fraunhofer pour la technologie de production additive (IAPT) a montré comment l'impression 3D peut améliorer les performances techniques et les coûts de fabrication en repensant les charnières de porte des voitures de sport de luxe.
Au cours du projet de reconception de la pièce, les ingénieurs de l'IAPT ont tout optimisé, de la géométrie des charnières de porte à l'orientation de la construction et aux paramètres de processus pour maximiser les économies de coûts et de poids.
En fin de compte, ce travail vise à faire la lumière sur les facteurs moins évidents qui affectent le coût des pièces imprimées en 3D, et pas seulement sur la géométrie des composants eux-mêmes.
Simplifier la production automobile
L'industrie automobile est l'une des nombreuses industries qui ont adopté la fabrication additive au fil des ans, en utilisant la technologie pour une variété d'applications. À ce jour, cependant, de nombreux cas d'utilisation ont été limités à de petits lots, car l'impression 3D n'a pas encore fourni le débit des technologies de production automobile traditionnelles, sans simultanément maintenir le coût de chaque pièce à un faible niveau. Ainsi, le projet Fraunhofer peut montrer que la technologie dans son ensemble est actuellement sous-utilisée dans le secteur automobile et que les applications de production en série à grand volume en sont encore à leurs balbutiements.
Le premier cas d'utilisation établi est le prototypage rapide, car la phase de développement d'un nouveau modèle peut prendre jusqu'à cinq ans. Lors de la R&D, plusieurs prototypes de pièces sont inévitablement développés et testés, ce qui implique des itérations de conception rapides avec des délais minimaux : c'est l'un des principaux arguments de vente de la fabrication additive.
Les constructeurs automobiles utilisent également des outils de fabrication imprimés en 3D, tels que des gabarits et des fixations, pour faciliter les flux de production et d'assemblage. Il existe même des applications potentielles dans des pièces de rechange qui étaient autrefois moulées mais qui sont maintenant obsolètes. La nature dynamique et flexible de l'impression 3D permet aux fournisseurs de pièces d'imprimer à la demande, éliminant complètement le besoin d'inventaire physique des composants.
Charnières de porte imprimées en 3D
Avant de commencer tout travail de conception, les ingénieurs de Fraunhofer ont utilisé un logiciel de sélection de pièces développé par 3D Spark, une spin-off de l'IAPT, pour identifier les pièces automobiles adaptées aux études de démonstration.
Dans les premières étapes du projet, l'équipe a d'abord identifié l'orientation la plus rentable pour les composants dans la salle de construction. Les ingénieurs ont examiné les structures de support nécessaires et le nombre de pièces qu'elles pouvaient intégrer dans une seule construction. Cette étape initiale d'optimisation de l'orientation a entraîné une économie de 15 % par rapport à une construction imprimée en 3D sans ces considérations.
Vient ensuite l'optimisation de la topologie du bras de charnière lui-même. En supprimant les matériaux inutiles et en renforçant uniquement les parties de la pièce nécessaires pour simuler le flux de force, les ingénieurs ont pu réduire le poids du bras de charnière de 35 %. Les économies de matériaux et les temps d'impression plus courts ont permis de réaliser des économies supplémentaires de 20 %.
L'équipe Fraunhofer a également calculé les économies de coûts supplémentaires associées à la réduction du post-traitement (en réduisant les structures de support) et au choix du meilleur matériau de poudre métallique pour le travail : 10 % chacun.
Fait intéressant, l'étude a révélé que même les paramètres de construction utilisés dans le processus d'impression 3D contribuent à des économies potentielles. Par exemple, des couches plus épaisses, des vitesses de numérisation plus rapides et la déformation du profil du faisceau laser contribuent à réduire les temps de construction, réduisant ainsi les coûts d'impression de 15 % supplémentaires .
En fin de compte, cette approche de conception centrée sur les coûts a permis aux ingénieurs de l'IAPT d'imprimer la charnière en 3D à un coût inférieur de 80 % à son homologue imprimé en 3D sans la même optimisation. Par rapport à leurs homologues usinés CNC, le projet a réalisé des économies de coûts et de poids de 50 % et 35 %, respectivement.