En bref
Les constructeurs automobiles ont recours à la fabrication additive pour accélérer le développement produit, réduire les délais de fabrication des outillages, faciliter la production en petite série et fabriquer des pièces de rechange à la demande. Ce guide explore les principales applications, les avantages, les défis, les matériaux et les technologies qui façonnent l'impression 3D dans le secteur automobile, ainsi que des exemples concrets illustrant la manière dont les constructeurs mettent en œuvre la fabrication additive.
La fabrication additive (FA) dans le secteur automobile consiste à créer des composants automobiles en superposant des couches de matériaux à partir de modèles numériques en 3D. Elle permet le prototypage rapide, la production de géométries complexes et la création de pièces légères que la fabrication traditionnelle ne peut pas réaliser. Cette technologie réduit le gaspillage de matériaux et raccourcit les chaînes d’approvisionnement.
Dans le secteur automobile, la FA intervient à chaque étape du cycle de vie d’un véhicule : modèles, prototypes fonctionnels, outillage de production, accessoires de fabrication, pièces de rechange, composants destinés à l’utilisation finale. Les matériaux utilisés varient en fonction de ce que l’on fabrique : thermoplastiques techniques, photopolymères, composites, métaux.
La fabrication traditionnelle implique généralement l’utilisation de moules, de matrices ou d’usinage avant de pouvoir produire quoi que ce soit. La fabrication additive fait l’impasse sur cette étape et fabrique directement à partir d’un fichier numérique. C’est ce qui la rend utile lorsque la conception est modifiée à la dernière minute, ou lorsque l’on a besoin de pièces à la demande sans devoir d’abord investir dans des outillages.
Pour les constructeurs automobiles, l’intérêt réside avant tout dans le gain de temps. La validation de la conception peut intervenir plus tôt dans le processus. L’outillage, qui prenait auparavant des semaines, peut désormais être prêt en quelques jours. Les pièces peuvent être produites à la demande, sans avoir à attendre les outils de moulage, les pièces moulées ou les délais des fournisseurs.
General Motors a réduit les délais de fabrication des outillages de chaîne de montage de neuf semaines à deux en adoptant des solutions issues de la fabrication additive. Karsan a réduit le coût de certains composants jusqu’à 80 % simplement en internalisant la production. Toyota, Subaru et NASCAR s’appuient également sur la fabrication additive, non seulement pour l’outillage, mais aussi pour les pièces de développement et les accessoires de montage.
Ainsi, que votre objectif soit d’accélérer un lancement du produit, de réduire vos coûts d’outillage, de soutenir la production en petite série ou d’améliorer votre agilité, la fabrication additive est la solution.
Beaucoup associent la fabrication additive au prototypage rapide, mais les constructeurs automobiles l’utilisent désormais tout au long du cycle de vie du produit. Les mêmes imprimantes 3D qu’ils utilisent pour valider les conceptions peuvent également produire des outillages de production, des pièces destinées à l’utilisation finale et des pièces de rechange.
Travaillez directement à partir du fichier numérique et vous verrez les délais de livraison se réduire, tout comme les difficultés liées à la prise en compte d’une modification de conception de dernière minute. Cela change également votre façon d’envisager les stocks. Au lieu de stocker des pièces dont vous pourriez avoir besoin de temps en temps, vous les imprimez dès réception de la commande.
La fabrication additive est utilisée dans l’ensemble de l’industrie automobile pour accélérer le développement produit, améliorer la productivité de la fabrication et soutenir la production. Parmi les applications les plus courantes, on peut citer :
Le prototypage rapide reste l’utilisation la plus courante de la fabrication additive dans l’automobile. Les ingénieurs impriment des modèles de concept, des prototypes de conception et des pièces fonctionnelles directement à partir de fichiers CAO, ce qui signifie qu’une conception peut être évaluée, modifiée et testée à nouveau sans avoir à attendre la fabrication d’outillages ou l’intervention d’un fournisseur externe.
Un prototype sert à répondre à une question : est-ce qu’une pièce s’adapte, a le bon aspect ou fonctionne comme prévu ? La fabrication additive apporte ces réponses en quelques jours au lieu de plusieurs semaines, ce qui permet aux ingénieurs de détecter les problèmes et de prendre des décisions plus tôt dans le processus.
La réduction du poids figure généralement en tête des priorités. Un véhicule plus léger offre une meilleure économie de carburant, une plus grande autonomie en mode électrique et de meilleures performances globales.
La fabrication additive offre aux ingénieurs plusieurs moyens d’y parvenir : optimiser la géométrie des pièces FA, éliminer le matériau superflu ou regrouper plusieurs composants en une seule pièce FA. Elle ouvre également la voie à des structures en treillis internes qui seraient difficiles, voire impossibles, à usiner ou à mouler de manière conventionnelle.
Les avantages ne se limitent pas non plus aux pièces automobiles. Les fabricants remplacent également leurs outillages métalliques lourds par des versions en polymère plus légères, qui facilitent le travail des opérateurs et sollicitent moins les équipements.
Dans le cadre des programmes de véhicules électriques, chaque gramme de réduction de poids se traduit directement par une autonomie accrue de la batterie. La FA permet aux ingénieurs d’optimiser la conception des supports et des boîtiers pour obtenir une masse minimale sans compromettre l’intégrité structurelle. Les technologies d’impression 3D FDM et SAF de Stratasys prennent toutes deux en charge les thermoplastiques techniques utilisés dans les boîtiers de batteries de véhicules électriques, les carters de moteurs et les composants structurels intérieurs.
Les dispositifs de montage, les gabarits de contrôle, les guides de perçage, les outils préhenseurs… La plupart des accessoires de fabrication utilisés sur une chaîne de production peuvent être imprimés en 3D. Par rapport à l'usinage ou à la sous-traitance, cela se traduit généralement par des délais d'exécution de l'ordre de quelques jours plutôt que de plusieurs semaines, et par des outillages faciles à modifier dès qu'une conception évolue.
Voici quelques exemples concrets :
Chaque fois qu’un programme automobile nécessite des variantes, des éditions spéciales ou des options spécifiques aux clients, la fabrication additive s’avère particulièrement rentable. C’est particulièrement vrai dans les catégories à faible volume telles que les véhicules de luxe, le sport automobile, les concept-cars et les séries limitées, où les coûts liés à l’outillage traditionnel sont difficiles à justifier au regard du nombre d’unités produites.
Comme les pièces proviennent directement d’un fichier numérique et qu’aucun nouvel outillage n’est nécessaire pour chaque variante, les constructeurs peuvent produire des composants d’intérieur sur mesure, des équipements personnalisés, des ensembles de finitions en petites séries et des pièces spécialisées de manière bien plus productive que ne le permettent les méthodes conventionnelles.
Plutôt que de stocker de grandes quantités de pièces pendant des années, les fabricants peuvent conserver un fichier numérique à portée de main et imprimer des pièces de rechange uniquement lorsqu'elles sont nécessaires. Cette évolution revêt une importance particulière pour le service après-vente, les véhicules anciens et les programmes en petite série, partout où la demande est difficile à prévoir, et elle permet d'éviter les coûts liés à la fabrication d'outillages pour un cycle de fabrication.
À titre d’exemple, Stratasys Direct Manufacturing a contribué à la restauration de la voiture de course Sampson Special de 1930 en reproduisant des composants de radiateur obsolètes à l’aide de la technologie PolyJet™, sans qu’il soit nécessaire de recréer l’outillage d’origine.
La fabrication additive métallique est utilisée dans l'automobile pour les structures légères, les échangeurs thermiques et les composants de haute performance présentant des géométries internes complexes.
Bien que nous soyons surtout connus pour la fabrication additive de polymères, nous proposons également des solutions de fabrication additive métallique grâce à la technologie MoldJet® de Tritone.
Cependant, lorsque les gens entendent le mot « métal », ils pensent souvent à des pièces de production métalliques. Or, de nombreux constructeurs automobiles tirent davantage de valeur du remplacement des outillages métalliques que de celui des produits d'usage final en métal. Les systèmes d’impression 3D polymères de Stratasys sont largement utilisés pour remplacer les outillages métalliques usinés, réduire le poids des outillages, produire des outils de formage de tôles et créer des pièces en polymère plaquées métal lorsqu’un aspect métallique, un blindage EMI ou des propriétés de surface spécifiques sont nécessaires.
La fabrication additive apporte une valeur ajoutée tout au long du cycle de vie des produits automobiles, en aidant les constructeurs à accélérer le développement produit, à améliorer la productivité de la production, à réduire les coûts et à mettre en place des chaînes d'approvisionnement plus résilientes.
La fabrication additive réduit le délai entre une idée et la pièce physique. Les ingénieurs peuvent tester des concepts, valider des conceptions et apporter des modifications sans être freinés par l’attente de l’outillage ou les délais de livraison des fournisseurs. General Motors a réduit ses délais de production de neuf semaines à deux après être passé à l’impression 3D.
La fabrication traditionnelle repose généralement sur un processus de soustraction : usinage, découpe et ébavurage du matériau. La fabrication additive fonctionne à l’inverse, en ne créant que ce dont la pièce a réellement besoin.
Cela est particulièrement important pour les géométries complexes et les cycles de fabrication courts, où le gaspillage lié aux méthodes conventionnelles s’accumule rapidement. Les procédés à base de poudre vont encore plus loin, car le matériau inutilisé peut souvent être récupéré et réutilisé. Le SAF™ ReLife™ PA12 en est un bon exemple.
Une partie de l’avantage énergétique de la FA provient de la simplification du processus lui-même : moins d’outillage, moins d’étapes d’assemblage et la possibilité de produire des pièces plus près de leur lieu d’utilisation. Les logiciels jouent également un rôle, en optimisant l’orientation de la fabrication et les structures de support, ce qui réduit le gaspillage de matière et le nombre de réimpressions.
Si l’on additionne la réduction des transports, du stockage, de l’outillage et des inefficacités inhérentes au cycle de production lui-même, on constate de réelles économies d’énergie.
Les pièces de rechange impliquent généralement de l’espace d’entreposage, et beaucoup d’espace. La FA propose un modèle différent : conserver la conception sous forme de fichier numérique et n’imprimer la pièce que lorsqu’elle est réellement nécessaire.
Cela permet de réduire l’espace de stockage, de limiter le risque que des pièces deviennent obsolètes sur une étagère et facilite considérablement la prise en charge des véhicules anciens ou produits en petites séries. La restauration de la Sampson Special en est une bonne illustration : Stratasys Direct Manufacturing a reproduit des pièces de radiateur obsolètes pour cette voiture de course de 1930 au lieu de créer un outillage à partir de zéro.
La fabrication additive permet de réduire les coûts en éliminant l’outillage, en raccourcissant les cycles de développement, en réduisant les besoins en stocks et en permettant des flux de production plus productifs.
Les économies peuvent être considérables. Par exemple :
La fabrication additive s’est taillé une place de choix dans la construction automobile, mais elle ne remplace pas systématiquement les méthodes traditionnelles. Comme tout procédé, elle a son domaine d’application idéal, et il est tout aussi important de savoir où il se situe que de connaître ses capacités.
À fort volume, le moulage par injection et l’emboutissage restent difficiles à battre en termes de coût. Une fois l’outillage fabriqué, le coût unitaire chute et reste bas. La fabrication additive prend tout son sens à l’autre extrémité du spectre : prototypage, outillage, pièces de rechange et séries à faible volume, où l’investissement initial en outillage est difficile à justifier.
[H3] Vitesse d’impression et productivité
Bien que les technologies de fabrication additive ne cessent de s’améliorer, la production de milliers, voire de millions de pièces identiques reste plus rapide avec de nombreux processus de fabrication conventionnels. La FA est souvent utilisée lorsque la souplesse, la rapidité de mise sur le marché ou la liberté de conception priment sur le volume de production maximal.
Chaque pièce d’un véhicule doit répondre à des critères stricts de qualité et de performance, et les pièces issues de la fabrication additive ne font pas exception. À mesure que la FA s’impose dans la production, des processus tels que le Processus d’homologation des pièces de production (PPAP) permettent de confirmer qu’une pièce imprimée respecte bien les normes techniques auxquelles elle est soumise.
Le PPAP valide qu’un processus de fabrication est capable de produire de manière uniforme des pièces conformes aux spécifications techniques. Pour les composants fabriqués par impression 3D, cela implique de documenter les propriétés des matériaux, l’exactitude dimensionnelle et la répétabilité du procédé sur l’ensemble des cycles de fabrication. Stratasys Direct prend en charge l’intégralité des workflows PPAP pour les pièces imprimées en 3D destinées à la production.
Les matériaux ne cessent de s’améliorer, mais il n’existe toujours pas de matériau de FA unique adapté à toutes les applications. Résistance mécanique, résistance à la chaleur, durabilité, résistance chimique, état de surface : les ingénieurs doivent prendre en compte tous ces critères avant de faire leur choix. Le choix du bon matériau s’avère finalement tout aussi important que celui du bon procédé.
Stratasys accompagne le cycle de vie des produits automobiles de bout en bout : développement de concepts, prototypage rapide, outillage de production, pièces destinées à l'utilisation finale et services de fabrication.
Les équipes de conception se tournent vers les technologies PolyJet™ et la stéréolithographie Neo® lorsque les modèles de concept et les prototypes doivent présenter un aspect et des dimensions corrects, des détails fins, un état de surface impeccable et une grande exactitude dimensionnelle. Ces technologies s’imposent donc naturellement pour les revues de conception, les essais aérodynamiques, les études d’ajustement et de forme, ainsi que les essais fonctionnels.
La technologie FDM® est largement utilisée en atelier pour la fabrication de gabarits, de posages, de jauges, de guides de perçage, d’outils préhenseurs et d’outils de formage de tôles. Les thermoplastiques techniques confèrent à ces outils une résistance et une durabilité suffisantes pour résister à une utilisation quotidienne, tout en réduisant à la fois les délais de fabrication et les coûts associés.
La technologie SAF® est conçue pour la fabrication répétable de pièces en polymère de qualité industrielle, ce qui en fait une solution idéale pour la fabrication de pièces de transition, de pièces de rechange et les séries à faible volume, là où l’outillage traditionnel n’est tout simplement pas rentable.
Lorsqu’une pièce doit offrir une qualité proche de celle du moulage par injection, la technologie DLP P3™ est souvent la solution. Sa haute exactitude dimensionnelle, son excellent état de surface et ses propriétés mécaniques uniformes en font un choix courant pour les prototypes fonctionnels, l’outillage de production et les pièces de production en petites séries.
Tous les fabricants n’ont pas besoin d’investir dans des équipements de fabrication additive. Stratasys Direct® propose des services de production à la demande, permettant aux entreprises du secteur automobile d’accéder à une large gamme de technologies de fabrication additive, de matériaux, de services de finition et de flux de travail pris en charge par le PPAP pour les applications de production.
