Journal de génie électrique et de technologie électronique

Impression 3D pour le prototypage de composants spéciaux dans l'industrie automobile

Nicola Corsetto

L'évolution des techniques innovantes dans l'Industrie 4.0 a caractérisé et défini le développement de nouveaux matériaux pour l'impression 3D, qui ont des propriétés complètement nouvelles, en particulier de nouveaux « modèles de matériaux ». L'un d'entre eux est certainement le TPU (polyuréthane thermoplastique), protagoniste d'une application pour la prochaine recherche en fabrication additive innovante. Ce polymère présente de nombreux avantages, tels qu'une résistance élevée aux chocs, à l'usure, à l'abrasion et aux coupures ; de plus, il présente une adhésion des couches assez avancée qui permet une excellente homogénéité mécanique au niveau des pièces fabriquées, les rendant isotropes. L'étude de cas proposée a montré les résultats liés à la résolution des problèmes causés par la surchauffe des appareils vidéo utilisés pour les enregistrements de test et les tests de véhicules de course, en concevant une solution innovante qui peut toujours être utilisée en évitant tout type de technologie électrifiée pour éviter une augmentation des pannes et du poids des appareils. Une grande attention a été consacrée au respect des contraintes thermiques pour amener le composant à un niveau élevé de résistance aux températures élevées qui se créent en été à l'intérieur des cockpits exposés des pare-brise au soleil. L'utilisation d'imprimantes 3D domestiques à faible coût et à faible performance avec des matériaux techniques désormais également disponibles à des prix plutôt bon marché a été importante. Les outils utilisés pour la recherche suivante présentent des choix à petit budget pour amener la conception à de nouveaux niveaux de défi afin de faire de l'impression 3D un outil utilisable par tous pour reproduire correctement des éléments qui ne peuvent pas être produits en série. Les outils sont : des smartphones avec des caméras haute résolution, des composants mécaniques à fluides dynamiques, des imprimantes 3D domestiques, des bobines de matériau TPU et des ordinateurs avec des logiciels de photogrammétrie et de modélisation 3D. La procédure utilisée impliquait l'identification d'une étape initiale, et plus précisément, celle de l'arpentage et de la numérisation tridimensionnelle de la grille de refroidissement de la voiture utilisée pour ce test (voiture de course Lamborghini Huracan), avec des techniques de photogrammétrie simples rendues possibles par la forme simple du modèle en question. La phase de relevé numérique par photogrammétrie a commencé par la prise de photos avec différents plans du tableau de bord de la voiture, pour être ensuite transférée sur un support numérique qui, au moyen d'un logiciel, traitait une image bien définie de la grille de refroidissement, qui était ensuite portée à taille réelle avec les différents motifs détectés précédemment, pour une interprétation correcte de toutes les mesures nécessaires à la conception. La procédure a ensuite été définie par l'utilisation de composants déjà présents sur le marché, avec le choix d'un tube modulaire étanche de dynamique des fluides et de joints modulaires universels en matériaux adaptés aux contraintes thermiques, avec des études de positionnement minutieuses pour identifier l'emplacement approprié pour le placement des premiers composants mentionnés.L'identification d'un cadre dimensionnel approprié a permis la conception mathématique correcte d'un dispositif adapté à la meilleure optimisation convective du flux d'air du système de climatisation intérieur. L'objectif recherché était de profiter du refroidissement du véhicule pour refroidir la caméra située sur le pare-brise, avec un élément considérablement réduit en poids, mono-matériau, qui ne subirait pas de pannes électriques ou autres et serait néanmoins résistant aux températures élevées des pistes de course en été. Les étapes suivantes ont été la modélisation tridimensionnelle du composant directement sur l'élément de grille détecté dans un environnement numérique, en utilisant un logiciel tel que Rhinoceros 3D, en respectant tous les types de critères requis pour l'impression correcte du matériau en question, en effet le TPU nécessite des épaisseurs minimales pour que la bonne flexibilité soit donnée au modèle pour obtenir une fermeture étanche correcte, une fois qu'il est fait pour s'adapter à la grille. Toujours en utilisant un logiciel de modélisation 3D, il a été possible de placer le composant dans un environnement virtuel pour des vérifications géométriques et stylistiques et pour une comparaison minutieuse avec différents pilotes et techniciens du secteur automobile pour le choix du bon composant esthétique et fonctionnel, avec différents tests physiques de modèles imprimés avec du matériel d'essai pour comprendre physiquement les problèmes liés à l'application du produit à l'intérieur de l'habitacle de la voiture. L'étape cruciale a certainement été de respecter l'équilibre entre la forme stylistique et les géométries correctement conçues pour une impression propre et optimisée en termes de temps sans l'aide de supports de couche en porte-à-faux, une caractéristique qui a été rendue possible grâce à une conception soignée "en escalier" en plaçant la partie plate du prototype directement sur la plaque d'impression, obtenant ainsi une construction de modèle avec des silhouettes croissantes, obtenue en gérant soigneusement toute la phase d'impression et en manœuvrant correctement les différentes températures pendant le processus d'impression pendant les différentes heures d'impression. Différents tests ont été réalisés afin d'étudier à la fois le comportement du matériau et la morphologie du modèle conçu, afin de réaliser différents tests et d'affiner ses caractéristiques, avec l'utilisation de différents types de matériaux d'impression 3D TPU pour effectuer des recherches minutieuses liées au comportement différent de différents types d'échantillons. Le résultat a été obtenu grâce à la validation d'un produit physique final défini, réalisé sans avoir besoin de créer des systèmes de connexion par collage et/ou connexions filetées, en effet, la méthodologie utilisée comprenait l'évitement des collages de composants visant à obtenir les meilleures performances du produit, c'est-à-dire l'optimisation du refroidissement des caméras dans différentes positions de l'habitacle, sans endommager le tableau de bord coûteux et technologique de la voiture, rendant le composant conçu totalement amovible sans laisser aucune trace de fixation sur la surface en carbone comprimé.Cette activité a confirmé la valeur des technologies susmentionnées, rendues plus performantes grâce à un transfert technologique adéquat afin de pouvoir maximiser les performances des produits et des composants dans n'importe quel besoin de conception et de fabrication, en gérant des activités de prototypage spéciales rendues jusqu'ici inédites en raison des coûts élevés de fonctionnement des imprimantes 3D et des fournitures de matériaux industriels.