Entretien initialement publié dans le numéro de mars/avril 2022 de 3D ADEPT Mag. Fonctions, effectifs de machines et projets sont présentés dans le contexte de cette saison de Formule 1.
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.
Sauber a développé ses activités de sport automobile sur plusieurs décennies. Dans le contexte de cet entretien, son partenariat avec Alfa Romeo, engagé en 2018, accompagne sa participation au championnat sous les couleurs d’Alfa Romeo Racing ORLEN en 2021, puis d’Alfa Romeo F1 Team ORLEN en 2022.
La course et l’ingénierie se nourrissent mutuellement. Pour Sauber, la fabrication additive est un outil de développement et de production, avec un parc de machines et des moyens de contrôle que Christoph Hansen décrit ci-dessous.
« 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 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 a débuté le 20 mars au circuit de Sakhir, à Bahreïn, avec Valtteri Bottas et Zhou Guanyu au volant pour Alfa Romeo F1 Team ORLEN.
Au moment de l’entretien, Hansen évoque le soulagement de l’équipe après plusieurs mois de préparation. Selon les résultats officiels du Grand Prix, Bottas a terminé sixième et Zhou dixième. Les deux pilotes ont donc marqué des points : huit pour Bottas et un pour Zhou, soit neuf points pour l’équipe.
« 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.
Les nouvelles règles de 2022 ont imposé aux ingénieurs de revoir la conception aérodynamique de la monoplace.
La C42 a été la première voiture de l’équipe conçue pour ce cycle réglementaire. Elle associait notamment un nouveau plancher à effet de sol, un ensemble aérodynamique revu et des roues de 18 pouces. Les règles visaient à favoriser des courses plus disputées. Selon Hansen, la fabrication additive conservait son rôle dans le développement aérodynamique et contribuait à davantage d’applications critiques sur la voiture.
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.
Ces contrôles contribuent à la qualification des pièces. Leur capacité de détection dépend notamment de la géométrie, du matériau, de la résolution et des critères d’acceptation ; elle ne constitue pas une garantie générale d’absence de tout défaut.
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.
L’étude de cas d’Additive Industries sur les inserts de châssis présente cette famille d’applications. Les dimensions et la masse ci-dessus se rapportent à l’exemple décrit dans le dossier, pas à tous les inserts d’une monoplace.
Le procédé détaillé des pièces de la C42 n’a pas été communiqué lors de cet entretien. L’exemple de la C41 ne permet donc pas de conclure que toutes les pièces de la C42 ont suivi la même fabrication.
Le partenariat de Sauber avec Additive Industries a débuté en 2017. À la date de l’entretien de 2022, Sauber indiquait avoir produit plus de 50 000 pièces par fusion laser sur lit de poudre métallique, 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.
Hansen cite également l’aluminium, l’acier inoxydable et le Scalmalloy®. Pour ce dernier, APWORKS annonce une résistance à la traction de 520 MPa et une limite d’élasticité de 480 MPa. Ces valeurs de fournisseur doivent être rapprochées du procédé, des traitements et des conditions d’essai ; elles ne démontrent pas une supériorité universelle sur tous les 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 ?
En 2022, Sauber présente Sauber Technologies pour développer ses activités auprès de clients extérieurs au sport automobile. Le groupe évoque également son partenariat avec Camozzi.
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.
Hansen explique que l’entreprise veut mettre son expérience du sport automobile au service de projets allant de l’idée à la conception, puis à la fabrication et à la finition.
« 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 entretien a été initialement publié dans le numéro de mars/avril 2022 de 3D ADEPT Mag.
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