Pourquoi la Formule 1 se tourne-t-elle vers la fabrication additive ?

Alors que la saison 2019 de Formule 1 s’achève, force est de constater que l’impression 3D a encore une fois aidé toutes les 10 équipes à atteindre leur objectif de développement rapide. Les constructeurs de Formule 1 utilisent en effet tous la fabrication additive pour produire des pièces pour leurs voitures. Cette année, ils ont tous repoussé leurs limites afin de concevoir des voitures plus rapides que jamais. Dans le monde de la F1 en constante évolution, des méthodes permettant un prototypage ultra-rapide et une production en petite série de pièces complexes dans tous types de matériaux sont constamment recherchées et utilisées. À mesure que les technologies d’impression 3D progressent, nous constatons que la Formule 1 l’utilise de plus en plus et ce pour diverses raisons.

D’autres sports automobiles, tels que Indycar, Lemans, WRC, Formule 2 & 3 et Formule E, tirent également parti des avantages des technologies de fabrication additive. Cependant, la Formule 1 a été la première à les adopter et sans doute le plus grand utilisateur. De solides partenariats à long terme entre les géants de l’impression 3D et les équipes de Formule 1 ne sont pas rares. L’équipe McLaren de Formule 1 a annoncé par exemple en 2017 un partenariat de 4 ans avec Stratasys. Tout comme Renault F1 Team et 3D Systems ou Williams Formula One et EOS. Alors, quand et pourquoi la Formule 1 a-t-elle commencé à utiliser l’impression 3D ? Quelles pièces sont créées ? Et quel est l’avenir de la fabrication additive en Formule 1 ?

La Ferrari 2017 (derrière) a beaucoup évolué par rapport au modèle 1998 (à l’avant)

La fabrication additive en Formule 1 : un peu d’histoire

La présence de l’impression 3D en Formule 1 n’a rien de nouveau : en discutant avec Pat Warner, responsable ADM chez Renault F1 Team et expert reconnu en fabrication additive, il nous a confié que la Renault F1 Team avait acheté sa première imprimante 3D dès 1998. L’utilisation de la fabrication additive n’a commencé à prendre de l’ampleur que dans les années 2010.

L’impression 3D a d’abord été utilisé comme technologie de prototypage rapide, avec de réels bénéfices pour les équipes de F1. Pour qu’une équipe soit performantes, elle doit constamment innover afin que ses voitures soient plus rapides que les concurrentes. Cela nécessite de fabriquer rapidement des itérations de nouvelles pièces de voiture, souvent réalisées pendant les quelques jours entre les courses. « L’un des avantages de l’impression 3D est la possibilité d’imprimer rapidement un prototype, de le tester en soufflerie et de modifier rapidement le design, si nécessaire. Une fois que la pièce est conforme aux spécifications, les équipes peuvent également utiliser la fabrication additive pour produire une pièce finie« , explique Simon van De Crommert, directeur des ventes chez 3D Systems.

Comment la fabrication additive coexiste-t-elle avec d’autres méthodes de production ?

Même si des techniques soustractives comme le moulage par injection et l’usinage CNC sont bien installées sur le marché, il semblerait que l’impression 3D soit de plus en plus employée. Quels sont donc exactement les avantages des technologies de fabrication additive par rapport aux autres ? L’impression 3D permet de concevoir très rapidement de petites quantités de pièces, contrairement à d’autres méthodes de fabrication qui nécessitent souvent un outillage coûteux et long. Elle est également capable de produire des pièces plus complexes qui ne peuvent pas du tout être fabriquées autrement, tout en améliorant leurs performances. Pour un sport avec des changements aussi rapides d’une course à l’autre, cette capacité à concevoir et à fabriquer rapidement des pièces complexes est clé. Du point de vue design et logiciel, des applications telles que l’optimisation topologique permettent aux ingénieurs de réduire le poids des pièces et de le redistribuer plus bas dans la voiture (souvent au sol pour abaisser le centre de gravité et permettre à la voiture d’avancer plus rapidement dans les tournants de la piste). Dans l’ensemble, les délais de fabrication raccourcis et les coûts réduits permettent aux équipes de Formule 1 de conserver leur avantage concurrentiel.

Pour les pièces en plastique, il est presque impossible pour l’impression 3D de dominer car le moulage par injection est une technologie beaucoup plus aboutie et offre une gamme de matériaux beaucoup plus large. Toutefois, comme l’impression 3D ne nécessite pas de moule pour créer une pièce, cela lui confère un avantage non négligeable. Souvent d’ailleurs, c’est le moule qu’on imprime en 3D pour usiner la pièce finale. Comme le dit Pat Warner: “La fabrication additive ne va pas supprimer le moulage par injection ni l’usinage, c’est un autre outil dans la boîte. Toutes les technologies sont complémentaires pour créer la pièce souhaitée.”

En ce qui concerne la fabrication additive métal, cette complémentarité est encore plus forte. Habituellement, l’imprimante produit une pièce de «forme presque nette», c’est-à-dire qu’elle est très proche de la pièce finale, mais qu’elle a encore besoin d’un post-traitement. La CNC est généralement utilisée pour apporter la précision finale, ou un état de surface plus lisse par exemple. Mais elle est assez limitée dans les types de coupes possibles, là où la fabrication additive permettra de produire avec une géométrie beaucoup plus riche. En fin de journée, la combinaison des deux permet au fabricant d’obtenir la pièce nécessaire.

Quelles pièces de Formule 1 sont imprimées en 3D et avec quelles technologies ?

Selon l’équipe Renault F1, chacune de leurs deux voitures de Formule 1 contient cette année une centaine de pièces imprimées en 3D. Comme on pouvait s’y attendre, les ingénieurs de Formule 1 ne se limitent pas à une seule technologie d’impression 3D. Ils en utilisent souvent 2, 3 ou même les combinent pour atteindre le niveau de qualité requis.

Le dépôt de matière fondue est l’une des premières technologies à avoir été adoptée car elle permet de créer rapidement des échantillons et des prototypes. Les plastiques techniques comme les nylons ont tendance à être le matériau le plus utilisée avec cette technologie, mais notons depuis ces dernières années une tendance à employer des thermoplastiques hautes performances tels que le PEEK et le PEKK. Ceci est principalement dû à la résistance élevée à la chaleur offerte par ces polymères, une composante clé quand on sait que la température autour du moteur d’une voiture de Formule 1 peut atteindre jusqu’à 2600 ° C. Cependant, le FDM est plutôt limité à ces applications, car il n’a pas la capacité de prendre en charge les composants fonctionnels. En conséquence, il est principalement utilisé pour produire des pièces telles que des boîtiers électriques, des conduits de refroidissement et des capots.

Un collecteur hydraulique produit par usinage CNC et soudage (en haut) et par SLA (en bas) (crédits photo : équipe Renault F1)

La stéréolithographie est également utilisée car elle permet d’obtenir des géométries complexes avec un niveau de détails élevé, ce qui est une exigence assez courante pour certaines pièces. Cependant, elle est pour l’instant limitée aux applications qui nécessitent peu de puissance. Les fabricants de matériaux ou d’imprimantes 3D développent toutefois de nouveaux matériaux susceptibles de résoudre de tels problèmes. Par exemple, Simon van de Crommert eplique : « 3D Systems a développé un nouveau matériau en collaboration avec deux équipes de F1 – Renault et Williams – afin de développer une nouvelle résine SLA époxy chargée en céramique pour cette application spécifique. »

Les technologies sur lit de poudre telles que le frittage laser sélectif (SLS) et la fusion laser (DMLS) semblent être couramment utilisées dans la Formule 1. L’impression 3D par fusion sur lit de poudre présente de nombreux avantages par rapport au FDM ou au SLA. Elle peut créer des pièces plus isotropes, plus uniformes et ne nécessite pas toujours des supports, faisant alors économiser un temps précieux en termes de post-traitement. John Dulchinos, vice-président de l’impression 3D et de la fabrication numérique chez Jabil, a expliqué : « Les pièces fonctionnelles qui iraient à une voiture de Formule 1 sont la plupart du temps fabriquées en SLS / DMLS. Lorsque vous produisez une seule pièce en FDM, vous pouvez en faire 10 pièces en SLS. Cela peut être avantageux lorsque vous produisez 3 ou 4 variantes d’un design afin de déterminer celle qui correspond le mieux à vos besoins. » Les pièces métalliques produites par les équipes de Formule 1 incluent souvent des échappements, des pièces de moteur et des suspensions.

Canal de refroidissement électronique réalisé à partir de nylon renforcé en fibre de carbone (crédits photo : équipe Renault F1)

Quel est l’avenir de la fabrication additive en Formule 1 ?

 Alors que l’impression 3D n’était autrefois utilisée que pour le prototypage rapide, elle est en train de devenir une application de plus en plus utilisée en production. L’un de ses principaux avantages est que son potentiel est aussi vaste que votre imagination. Simon van de Crommert nous a affirmé : « Je pense que les équipes de F1 continueront à utiliser non seulement l’impression 3D pour le prototypage de pièces et les tests en soufflerie, mais aussi pour concevoir des pièces de production réellement installées sur les voitures. Cela sera motivé par les développements en matériaux haute température conçus pour résister à la chaleur et répondre aux exigences de la course de Formule 1. On pourra aussi réaliser un prototype et le tester dans son matériau final, réduisant ainsi encore plus le cycle de conception. »

L’un des principaux avantages de la fabrication additive en Formule 1 réside finalement dans les capacités de conception qu’elle offre. Dans un environnement aussi dynamique et innovant que la Fomule 1 en termes de technologies, la conception et la production de pièces optimisées sont essentielles, quelle que soit la technologie utilisée. Si la liberté de conception de l’impression 3D offre des solutions uniques aux ingénieurs, ceux-ci se tourneront davantage vers elle. John Dulchinos conclut : « À mesure que l’impression 3D avance (et que nous avons accès à une plus grande variété de matériaux), et que les imprimantes s’améliorent (vitesse, coût), nous atteindrons un stade où la grande majorité des pièces de Formule 1 seront imprimées en 3D. »

Une voiture de Formule 1 2021 testée dans la soufflerie de Sauber

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