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L’impression 3D surpasse l’acier pour un prototype de BMW : l’université de Clemson réduit les coûts de 75 % pour le projet « Deep Orange »

L’université de Clemson, l’une des 20 meilleures universités du pays selon US News et World Report, abrite le seul département d’ingénierie automobile du pays, dans le « Clemson University International Center for Automotive Research (CU-ICAR) ». Le CU-ICAR est non seulement un centre de recherche et d’enseignement d’excellence, mais il attire de nombreux étudiants et employeurs grâce à son projet « Deep Orange ». Pendant deux ans, les étudiants doivent réaliser un prototype de véhicule pour obtenir leur master ou leur doctorat en ingénierie automobile. Depuis leur admission dans le programme jusqu’à l’obtention de leur diplôme, les étudiants se consacrent entièrement au processus pratique de conception, ingénierie, prototypage et production du véhicule.

L'équipe du projet « Deep Orange »
L’équipe du projet « Deep Orange »

 

En 2011, le CU-ICAR a lancé son quatrième projet « Deep Orange » sous le parrainage de BMW Manufacturing, Co. qui en a également fixé les principaux objectifs. BMW a demandé à ce que le véhicule Deep Orange 4 soit basé sur son modèle X3, ciblant ainsi un marché de niche orientée vers les clients de SUV qui souhaitent disposer d’un service et d’un espace de qualité, mais aussi d’un design et d’une expérience de conduite exclusifs. BMW a également demandé un plan de fabrication rentable, en faible volume, sans impact négatif sur ses processus de production existants.

Pour commencer, les étudiants ont réalisé des études de marché et généré trois personas destinées à fournir des informations démographiques et comportementales sur les consommateurs susceptibles d’acheter un véhicule transformable de la marque BMW. Grâce à ces personas, ils ont élaboré des scenarii d’utilisation leur permettant de définir les interactions potentielles entre le marché cible et le véhicule, et créer une expérience de conduite unique.

Après l’analyse des personas, l’équipe a défini deux objectifs de design clés :

  • Un crossover compact transformable en pickup – Pour s’adapter au style de vie urbain des personas, il fallait un véhicule compact et peu gourmand en carburant, tout en offrant de grandes capacités de transport et de chargement, c’est-à-dire une solution unique sur le petit marché des SUV.
  • Polyvalence – Pour combiner le côté utilitaire d’un pickup et le côté compact d’une voiture, la conception devait s’attacher à intégrer des fonctionnalités facilitant la transformation et la création d’un espace plus important, en cas de besoin.

Le véhicule réalisé possède des fonctionnalités très attirantes, différentes de celles offertes par le modèle X3, notamment les suivantes :

  • Toit coulissant – Le toit en verre coulissant transforme le coffre en espace ouvert pour offrir toutes les possibilités d’un pickup.
  • Lunette arrière – Le mécanisme de la lunette arrière se trouve sous les sièges arrière pour isoler la cabine et protéger les passagers lorsque le véhicule se trouve en mode pickup. Il est également abattable pour offrir davantage d’espace de chargement.
  • Sièges arrière – Les sièges arrière peuvent être rabattus pour ménager plus d’espace
  • Portes arrière – Pour permettre d’accéder à l’espace de chargement ouvert, à l’image d’un hayon de camion, la portière arrière courante a été remplacée par deux portes s’ouvrant autour d’une charnière.
Temps de montage du projet « Deep Orange 4 ». Vers 0:52 vous pouvez voir les étudiants commencer à intégrer les pièces blanches en ABS-M30
Temps de montage du projet « Deep Orange 4 ». Vers 0:52 vous pouvez voir les étudiants commencer à intégrer les pièces blanches en ABS-M30

 

Après avoir lancé un concept, l’équipe du CU-ICAR s’est mise à plancher sur une stratégie de prototypage et un plan de fabrication. Le fait de travailler sur une variante du modèle X3 de BMW leur fournissait une base de départ, mais pour obtenir un véhicule transformable il fallait revoir la conception de nombreux éléments : le hayon, le toit, les panneaux, les cadres latéraux, le rail de guidage et les fenêtres.

L’équipe avait commencé par dessiner les pièces transformables pour une fabrication par emboutissage, consistant à former des pièces en tôle plates entre un outil et une matrice. Cependant, après avoir fourni les fichiers de conception à un atelier de formage de métal et après réception de son devis à cet égard, le budget du projet « Deep Orange » s’est avéré vraiment insuffisant pour supporter les coûts de fabrication de ces grandes pièces en acier. De plus, les délais d’exécution qu’il proposait ne permettaient pas de respecter les délais fixés.
« Même avec les relations excellentes que nous entretenons avec les fournisseurs, il s’est avéré impossible réaliser ces grandes pièces selon cette méthode », déclare Bill Sowerby, directeur du programme « Deep Orange ». « Une fois que les étudiants se sont rendu compte que la fabrication traditionnelle n’était pas envisageable, ils ont dû repenser la façon de concevoir et de fabriquer le prototype ».

Système de production 3D Fortus 900mc  de Stratasys
Système de production 3D Fortus 900mc de Stratasys

C’est alors qu’un étudiant a suggéré de recourir au processus de fabrication additive pour réaliser un prototypage rapide des pièces. Celles-ci ne devaient pas absolument être fabriquées en métal, mais devaient être assez solides pour supporter le poids du véhicule et une mousse structurelle lourde appliquée à l’intérieur. Les étudiants ont donc décidé de fabriquer les pièces au moyen du processus de modélisation par dépôt de fil en fusion (FDM) de Stratasys. Celui-ci offre en effet des thermoplastiques de production solides et la capacité de réaliser des pièces de grandes dimensions en fabricant des sections séparées qui sont ensuite collées avec ce même thermoplastique. Les étudiants ont envoyé les fichiers de conception à Stratasys Direct Manufacturing pour obtenir le coût des services FDM et ont découvert que les pièces seraient 75 % moins coûteuses et disponibles 3-4 mois plus vite que grâce à la fabrication conventionnelle.

« Les processus de fabrication conventionnels sont coûteux et demandent des temps d’exécution prolongés. Mon équipe et moi-même devions relever le défi d’obtenir les pièces au plus vite, pour respecter les limites du budget. De plus, nous étions confrontés à des tolérances dimensionnelles extrêmement contraignantes et quelques millimètres d’écart par rapport aux modèles CAO se seraient traduits par l’impossibilité d’aligner correctement les pièces ou par des écarts trop importants. Nous avons recherché d’autres options et discuté avec plusieurs carrossiers », explique Ashish Dubey, directeur du projet « Deep Orange 4 ». « Au cours de nos recherches, nous avons découvert la FDM qui est un processus de fabrication rapide. Nous avons choisi la FDM parce que le coût et les délais de réalisation de toutes les pièces étaient beaucoup plus réduits que les processus de formage de métal conventionnelss. Les pièces finales se sont révélées parfaites en termes de dimensionnement géométrique et de tolérances (GD&T). De plus, travailler avec l’équipe de Stratasys Direct Manufacturing (SDM) a vraiment été un plaisir, et à la fin de la journée nous avions la possibilité de découvrir une nouvelle technologie qui sera sans doute l’avenir de la production de pièces en faible volume ».

En choisissant la fabrication additive, l’équipe a dû prendre en compte des facteurs uniques liés au processus alternatif. SDM a recommandé d’adapter la conception des pièces au processus FDM pour respecter les tolérances, la conformité avec les pièces originales du modèle X3 de BMW sur la partie inférieure du véhicule et s’assurer qu’elles seraient adaptées à la réalisation d’opérations secondaires.

Par exemple, la modification de l’orientation ou de l’angle des couches de matériau extrudé sur la plate-forme de fabrication permettrait de créer une finition solide, mais lisse, prête pour le sablage, l’apprêt et la peinture. Par ailleurs, l’équipe a légèrement augmenté l’épaisseur des parois dans plusieurs zones de la pièce pour accroître la résistance et compenser l’élimination de matériau lors du sablage et du lissage de la surface.  Enfin, les pièces de dimensions supérieures à 36 x 24 x 36 po (la taille de la plus grande machine FDM) devaient être divisées en parties plus petites avec des joints à queue d’aronde pour augmenter la résistance à la tension entre les sections qui seraient ensuite soudées à l’air chaud.

« La FDM est un processus très différent du formage de l’acier, la conception devait donc être entièrement revue. J’ai aidé les étudiants de Clemson à définir l’orientation et l’emplacement idéaux pour le joint de collage, afin de s’assurer que les pièces seraient fabriquées avec précision et parfaitement soudées pour respecter les dimensions », déclare Eric Quittem, ingénieur de projet senior chez SDM. « Avec des parois plus fines, nous savions également que les pièces présenteraient un léger effet d’escalier inhérent au processus de superposition des couches. Tout cela était nouveau pour l’équipe de Clemson et nous les avons rassurés en leur affirmant que les lignes pouvaient être éliminées avec des opérations secondaires ».

Stratasys Direct Manufacturing a fabriqué 14 pièces pour le projet « Deep Orange » en ABS-M30 sur le système de production 3D 900mc de Stratasys, notamment les suivantes : quatre pour le hayon, quatre pour les cadres latéraux, quatre pour le toit et la lunette arrière et deux pour les panneaux latéraux. Le département de finition de SDM s’est occupé du sablage des pièces pour les préparer pour l’apprêt et la peinture. Les personnes chargées de la finition ont également soudé à l’air chaud des parties du hayon, des cadres latéraux et des panneaux latéraux au niveau des joints à queues d’aronde.

 

Les étudiants ont intégré et assemblé avec succès le prototype de véhicule fonctionnel et à temps pour sa présentation au séminaire du Center for Automotive Research Management en août 2014. BMW Manufacturing a non seulement été impressionnée par la conception du « Deep Orange 4 », mais également par son plan de fabrication.

« La possibilité d’intégrer plus de modèles en faible volume sans des coûts de réoutillage à forte intensité de capital et sans pertes en termes d’efficacité sera un facteur clé pou l’avenir, car nous nous efforçons de réagir aux évolutions du marché plus rapidement et de manière plus flexible », déclare Rich Morris, vice-président du montage, BMW Manufacturing. « Les étudiants qui ont participé à cette phase du projet ont fait un excellent travail, car ils sont parvenus à limiter les coûts tout en trouvant des possibilités d’intégration optimales ». 

SDM et l’impression 3D ont aidé à mener à bien le projet « Deep Orange 4 » dans le limites du budget. « Le prototypage du véhicule est l’une des applications de l’impression 3D parmi d’autres permettant d’accroître l’efficacité et de produire des pièces de meilleure qualité pour le secteur automobile. Il est essentiel que les futurs ingénieurs automobiles apprennent à concevoir en fonction de la technologie et l’utilisent à bon escient, car elle occupe une part de plus en plus importante dans la fabrication automobile », affirme Mick Schrempp, gestionnaire de compte chez RedEye qui a travaillé avec l’université de Clemson.

Cet article est également disponible en: Anglais Allemand Espagnol

Carrie Wyman

Carrie Wyman

Carrie is a technology and 3D printing enthusiast, with a passion for beautiful design.

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