Quand la conception se remet en question pour la fabrication additive

@  Révolution dans la production ! La fabrication additive, en proposant l’élaboration de pièces par ajout de matière, apporte de nouvelles solutions et ouvre des perspectives inédites à l’industrie. La technologie nécessite cependant de reconsidérer complètement la conception des produits, une vision nouvelle adoptée par les chercheurs de l’UTBM.

Sans clou ni vis !

Le procédé traditionnel pour fabriquer une pièce industrielle consiste à enlever de la matière à un matériau brut pour lui donner la forme voulue, suivant des étapes de réalisation partant de l’usinage jusqu’à la finition en passant par l’assemblage. Aujourd’hui, la fabrication additive bouscule les schémas établis en permettant de créer un objet massif par croissance de matière, selon les formes les plus complexes qu’on ait jamais imaginé pouvoir fabriquer. Comme sortis de nulle part, une flûte à six trous, un vase muni d’anses ou un trophée sportif ailé prennent forme sous vos yeux, d’une seule pièce. La microfusion laser sur lit de poudre est un procédé phare de cette technologie, qui ne doit bien sûr rien à la magie. Mais avant de parler technique, il faut comprendre que la conception des produits elle-même prend une tournure complètement inédite. Enseignants à l’UTBM et chercheurs au département COMM (Conception, Optimisation, Modélisation Mécanique) de l’ICB (Institut Carnot de Bourgogne), Frédéric Demoly et ses collègues s’emploient à rendre concrète cette nouvelle façon d’envisager la réalisation de systèmes mécaniques. « Aujourd’hui, on maîtrise la réalisation de pièces unitaires par fabrication additive, mais on manque encore de connaissances pour bien les concevoir en amont. C’est un frein au développement de cette technologie dans les entreprises. » L’équipe de chercheurs entend pallier ce déficit en proposant des méthodologies de conception adaptées pour les bureaux d’étude et les entreprises. Règle n°1 : ne pas chercher à reproduire l’existant, mais concevoir le système autrement, dans l’optique de cette fabrication par ajout de matière. Pour y parvenir, les chercheurs partent du besoin fonctionnel auquel doit répondre le produit pour construire des éléments géométriques de base, qui eux-mêmes donneront naissance à un modèle 3D, fondement de la conception. En jargon scientifique, cela signifie définir des espaces de conception, « créer des volumes enveloppes dans lesquels des entités squelettiques (des lignes, des points…) et des surfaces fonctionnelles (de formes cylindrique, sphérique…) vont déterminer des flux énergétiques, que l’ensemble des pièces devra adopter pour faire émerger un modèle 3D ». Une approche totalement innovante que les chercheurs développent depuis deux ans pour répondre aux besoins industriels actuels.

Donner des ailes d’oiseau aux avions

Mais ces mêmes chercheurs vont plus loin, en ajoutant une quatrième dimension à la fabrication additive, une dimension temporelle. Le 4D Printing crée des produits capables de se transformer dans le temps, de changer de morphologie en fonction de paramètres externes. Il suffit pour comprendre de regarder comment un satellite, confiné dans un lanceur à son départ de la Terre, se déploie dans l’espace jusqu’à atteindre cinquante mètres d’envergure une fois placé en orbite. Si ce principe, évoquant l’art de l’origami ou la téléscopie, repose aujourd’hui sur des technologies relevant de l’automatisme et de la mécatronique, il devient possible de le transposer à une pièce, voire à un produit, qui par eux-mêmes sauront opérer leur reconfiguration. « Le constructeur BMW travaille déjà dans ses ateliers à un véhicule dont la carrosserie s’adapte à son propre aérodynamisme », raconte le chercheur.

Le principe développé au laboratoire est de coupler fabrication additive et matériaux intelligents, pour donner à un système la possibilité d’adopter différents comportements selon son environnement. « La matière est programmée pour être réactive à des variations de paramètres ambiants, comme une brusque élévation de la température, la modification de contraintes mécaniques ou le changement de fréquence d’ondes acoustiques. » Très utile en cas de panne, le changement de couleur d’une pièce électronique en souffrance dans un moteur est une illustration parlante du procédé. Alors imaginer un break se transformer en berline en fonction des besoins de transport d’une famille, ou des ailes d’avion moduler leur profilage selon la vitesse du vent ou la pression atmosphérique, comme savent le faire les oiseaux, sont des idées certes futuristes, mais ne relèvent certainement pas de la science-fiction.