L’année 2022 marque le début d’une nouvelle ère pour la Formule 1 : les voitures sont conçues en fonction de nouvelles réglementations, ce qui signifie de nouvelles complexités pour les équipes de course en quête de vitesse et de fiabilité. Si ces réglementations sont contraignantes à divers égards pour les équipes d’ingénierie de course, il est toujours fascinant d’observer les applications extrêmes dans lesquelles les pièces nouvellement créées sont utilisées. 3D ADEPT Media s’est entretenu avec Christoph Hansen, COO de Sauber Technologies, pour discuter de la production additive de ces applications critiques, et de la manière dont ces applications aident le groupe Sauber à construire une expertise technologique digne d’être explorée au-delà du sport automobile.
On peut dire beaucoup de choses sur Sauber Group, surtout quand on sait que l’entreprise a été fondée dans les années 1970 et que, dès le premier jour, la passion de la course a toujours fait partie de son ADN. Ce qu’il est important de noter dans le contexte de la saison actuelle de Formule 1, c’est qu’après 25 ans de compétition en Formule 1, son partenariat à long terme avec Alfa Romeo en 2018 a conduit l’équipe à entrer dans le championnat 2021 sous le nom d’Alfa Romeo Racing ORLEN.
Comme vous le savez peut-être, pour que les équipes de course donnent le meilleur d’elles-mêmes, la course et l’ingénierie doivent aller de pair…Et pour une industrie qui a été la première verticale à tirer parti de la fabrication additive (FA), la course ne peut être réalisée aujourd’hui sans des capacités technologiques avancées. Une stratégie que le groupe Sauber a bien comprise puisque l’entreprise suisse de sport automobile dispose de l’un des plus grands environnements de production de FA dans son domaine d’activité.
« Nous avons le package complet en matière de capacités de fabrication additive : 6 grandes imprimantes 3D SLS, 7 machines SLA, 4 autres imprimantes 3D métal qui sont entièrement automatisées et donc très productives. En plus de cela, nous disposons d’un département R&D pour le développement et la validation des matériaux. L’environnement de production intègre également des unités spéciales qui nous aident à prendre les bonnes décisions lorsque la FA est utiliséE. Ces unités sont complétées par des technologies de traitement thermique avancées telles que le pressage isostatique à chaud (HIP), qui sont par exemple très utiles pour les composants imprimés en 3D en titane, etc. Nous exploitons l’ensemble de ce dispositif sous l’égide de Sauber Group », déclare d’emblée Hansen.
Cependant, si l’entreprise semble disposer aujourd’hui d’une machinerie puissante, il faut noter qu’elle n’a pas commencé à investir dans la FA de cette manière. Comme notre invité l’a expliqué à 3D ADEPT Media, Sauber Group a commencé à tirer parti de de la FA dans les années 1990, mais à cette époque, il s’approvisionnait en pièces auprès d’un fournisseur externe. « En 2007, nous avons installé notre première machine. Il s’agissait d’une imprimante 3D SLA. Et depuis, nous augmentons constamment notre capacité de production avec d’autres technologies de FA. Ce n’est qu’en 2016 que nous avons décidé d’améliorer cette capacité de production avec l’impression 3D métal, ce qui a donné un énorme coup de pouce à notre activité », ajoute-t-il.
Disposer d’un portefeuille complet de la FA et de processus connexes est une chose, être capable d’en tirer le meilleur parti est encore mieux – surtout dans un secteur où les règles changent constamment.
Nouveaux règlements en F1 et en Fabrication Additive
La saison 2022 de la F1 a officiellement débuté le dimanche 20 mars à Jeddah Bahreïn (GRAND PRIX DU GOLFE BAHRAIN au Moyen-Orient) – un chapitre qu’Alfa Romeo F1 Team ORLEN écrit avec de nouveaux pilotes qui ont récemment rejoint l’équipe : Valtteri Bottas et Zhou Guanyu.
Au moment où nous avons cette conversation, Hansen exprime le soulagement et la satisfaction de l’équipe après des mois de pression et de préparation, qui les ont conduits à un très bon départ dans la compétition. En effet, Alfa Romeo F1 Team ORLEN a ouvert sa campagne 2022 par une solide performance qui lui a permis d’obtenir deux points, Valtteri Bottas terminant 6ème devant son coéquipier, Zhou Guanyu, en P10.
« La pression est retombée maintenant. Les dernières semaines ont été difficiles car nous devions préparer la voiture. Beaucoup de pièces d’urgence et d’autres pièces de développement ont dû être faites pour la voiture de course elle-même », commente le COO de Sauber Technologies.
Dans les coulisses de cette performance magique, il faut noter que les nouvelles réglementations ont soulevé un certain nombre de défis pour les équipes d’ingénieurs. L’un de ces défis était que les règlements ont nécessité un nouveau design aux voitures de course, ce qui signifie que leurs performances aérodynamiques étaient complètement différentes de celles d’habitude.
Du point de vue de la fabrication, ces changements n’ont pas entraîné une diminution des applications aérodynamiques pour les pièces imprimées en 3D cette année. Cependant, la voiture de course C42 de l’Alfa Romeo F1 Team ORLEN comprend davantage de pièces imprimées en 3D dans des applications critiques. La C42 est la première voiture construite par l’équipe dans ce nouveau cycle de réglementation. Elle s’éloigne radicalement du passé en embrassant les possibilités dictées par le nouveau plancher à effet de sol, le pack aérodynamique actualisé et les pneus à profil bas de 18 pouces (45 cm). Propulsée par un nouveau moteur Ferrari, cette voiture de course est conçue pour la bataille, car les nouvelles réglementations permettront des courses plus serrées et des combats compétitifs de l’avant à l’arrière de la grille.
En ce qui concerne la Formule 1 en général, le principal domaine où l’utilisation de la FA est nécessaire est le développement aérodynamique – les modèles de soufflerie. Le corps des modèles de soufflerie est essentiellement constitué de pièces en polymère et de pièces en aluminium pour les ailes avant et arrière. Cela nous permet d’avoir des cycles d’itération très courts, de sorte que nous pouvons développer la voiture très rapidement. Le délai entre l’idée, la conception, la production et les essais est donc très court. Au début des années 1990, lorsque nous avons commencé la Formule 1, nous utilisions des composants fabriqués de manière conventionnelle et il fallait des semaines pour obtenir les résultats escomptés. Hansen explique qu’« avec la FA, le délai a été réduit à quelques jours. La FA est également très utile pour fabriquer des composants pour la voiture de course. Ces composants comprennent des éléments structurels très sophistiqués pour le châssis, mais aussi de simples boîtiers et équipements électroniques non structurels. »
La course avec la fabrication additive : la voiture de course C42 d’Alfa Romeo F1 Team ORLEN
Hansen a déclaré que l’équipe Sauber a fabriqué de manière additive entre 300 et 400 pièces pour la C42. Sur ce nombre, environ 150 pièces ont été imprimées en 3D en métal.
Le représentant de l’entreprise n’a pas donné de détails sur les domaines exacts dans lesquels la FA est utilisée, mais il a noté que ces pièces comprennent des pièces structurelles importantes pour la sécurité, pour lesquelles la qualité exige un niveau élevé.
« Pour chaque pièce produite, il est de la plus haute importance que la qualité réponde aux exigences élevées. Si ce n’est pas le cas, cela pourrait avoir de graves conséquences pour le pilote. Pour y veiller, nous utilisons des technologies telles que le scanner, afin d’exclure tout défaut. Nous utilisons également des presses isostatiques à chaud pour obtenir les propriétés du matériau. (etc.) Tout cela garantit notre avance technologique », souligne l’expert.
Le châssis, qui abrite le conducteur et auquel sont fixés tous les composants, assemblages et systèmes, est généralement constitué d’une structure sandwich en nid d’abeille, légère mais très rigide. Ce sont surtout les inserts du châssis – des pièces de classe A critiques pour la sécurité – qui renforcent localement le panneau sandwich composite. Au regard de la fonctionnalité et du niveau de charge, différents matériaux peuvent être utilisés pour les inserts : du carbone et de l’aluminium au titane haute résistance. Par exemple, pour la voiture de course Sauber C41 F1, ces pièces critiques pour la sécurité de classe A ont été produites avec le système MetalFAB1 d’Additive Industries – utilisant du titane (Ti6Al4V Gd 23) – pour faire face à la fatigue élevée et aux charges alternées subies.
En outre, grâce à la modélisation 3D et à l’analyse par éléments finis non linéaires, Alfa Romeo a également réussi à réduire de manière itérative le poids des inserts de 110 x 100 x 130 mm à seulement 580 grammes, en introduisant des caractéristiques de contre-dépouille dans sa conception qui n’étaient pas limitées par la nécessité de laisser un accès pour l’outillage.
Même si Sauber Group n’a pas encore révélé d’informations sur le processus de production de la C42, nous pensons que les pièces critiques ont subi un processus de fabrication similaire à la C41 pour la nouvelle voiture.
Additive Industries est le fournisseur de technologie de fabrication additive métal du groupe Sauber depuis 2017. Ce partenariat de longue date a permis à l’équipementier néerlandais de jouer un rôle central dans le développement et l’utilisation de la FA métal dans la conception pour la F1, voyant son utilisation augmenter significativement au fil des années. Aujourd’hui, le groupe Sauber a déjà produit plus de 50 000 pièces imprimées par fusion laser métal sur lit de poudre, toutes industries confondues.
Lorsqu’on lui demande pourquoi se concentrer sur la fusion laser métal sur lit de poudre alors qu’on sait que non seulement le poids est un facteur décisif dans les composants des voitures de course, mais qu’il peut également être obtenu par d’autres procédés de FA comme la FA composite, Hansen déclare :
« L’impression 3D des composites reste un compromis par rapport aux matériaux composites traditionnels. Même si nous pouvons obtenir des pièces légères avec ce procédé de fabrication, avoir des pièces composées de titane ou de Scalmalloy® ne signifie pas que la pièce est lourde. Au contraire, en utilisant ces matériaux, nous pouvons vraiment réaliser les pièces les plus légères. Ces pièces remplacent généralement leurs homologues que nous fabriquions à l’aide de procédés de fabrication conventionnels. En comparant leur poids à celui de leurs homologues, nous nous rendons compte que nous obtenons des résultats plus légers avec la FA. »
La réponse de Hansen oriente la conversation vers les matériaux de FA. Pour la technologie SLS, Sauber utilise son propre HiPAC, un polyamide 12 chargé de carbone, tandis que des matériaux standard sont utilisés pour la stéréolithographie.
Du côté des métaux, outre le titane, on trouve l’aluminium, l’acier inoxydable et le Scalmalloy®. Ce dernier est un alliage récemment approuvé par la FIA (Fédération Internationale de l’Automobile). Développé par APWORKS en collaboration avec sa maison mère Airbus, le Scalmalloy® présente une résistance à la traction (UTS 520 MPa) et une limite d’élasticité (480 MPa) très élevées. Sa faible densité confère au métal des propriétés spécifiques supérieures à celles des autres alliages d’aluminium.
Dans la chaîne de valeur de la fabrication, ce n’est pas un secret que les matériaux sont souvent l’élément clé qui entrave l’évolutivité des applications de FA, d’où le développement et la qualification croissants de nouveaux matériaux dans l’industrie. Dans le cas présent, même si le titane et le Scalmalloy® sont les principaux matériaux utilisés pour produire les pièces du C42 imprimées par fusion laser métal sur lit de poudre, il est intéressant de noter qu’Hansen n’est pas pressé d’explorer de nouveaux matériaux de FA :
« Je suis satisfait de ce que nous avons pour l’instant. Avec la variété des matériaux, la complexité lorsqu’il s’agit d’obtenir les propriétés et la qualité requises, l’exploration d’autres matériaux ne fera qu’accroître cette complexité et rendra encore plus complexe le maintien et la garantie des propriétés mécaniques. C’est également pour ces raisons que nous travaillons avec un portefeuille défini et limité de technologies de FA, car nous devons nous assurer de maintenir la qualité que nous avons actuellement. Parfois, le moins est le mieux ».
La prochaine course ?
Sauber Group n’a pas l’intention de cesser d’améliorer la fabrication avancée dans les sports mécaniques, comme l’illustre son dernier partenariat avec le groupe Camozzi. Cependant, en dehors de la piste et grâce à son expertise en F1, l’entreprise s’est silencieusement construit une place légitime dans le secteur de l’impression 3D automobile et au-delà. Cela fait un moment qu’elle fournit des pièces imprimées en 3D à d’autres industries exigeantes et, en 2022, l’entreprise prend clairement position avec la création de Sauber Technologies, une nouvelle société qui vise à faire bénéficier les entreprises du monde entier de la volonté d’innovation de pointe et de l’esprit de la Formule 1 de Sauber.
Sauber Technologies voit l’incorporation de Sauber Engineering et Sauber Aerodynamics dans le but de renforcer les services et l’offre de savoir-faire pour les clients dans un large éventail d’industries. Sauber Technologies, qui fait partie du groupe Sauber et est basée à Hinwil, en Suisse, se concentrera entièrement sur les activités de tiers, en fournissant un service global pour les problèmes d’ingénierie complexes, du stade de l’idée aux produits finis.
Comme l’a dit Hansen, la nouvelle société incarne les connaissances et l’expertise de 50 ans de sport automobile, associées aux dernières technologies et à un parc de machines inégalé. Notre personnel peut prendre en charge toutes les étapes d’un projet, de l’idée à la conception préliminaire, puis à la fabrication et à la finition d’un produit – dans un large éventail d’industries.
« Nous avons vu certaines des applications pratiques de notre expertise au cours des derniers mois et nous sommes enthousiastes quant aux nouvelles opportunités qui nous attendent à l’avenir. Nous apportons une approche interdisciplinaire, permettant à nos clients d’accéder aux processus et aux technologies de manière novatrice et de faire profiter les autres de leurs réussites. C’est une approche unique dans cette région et nous sommes prêts à aider nos clients à se développer grâce à notre esprit d’innovation », conclut-il.
Cet article a été premièrement publié dans le numéro de Mars/Avril de 3D ADEPT Mag. N’oubliez pas que vous pouvez poster
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