Les voitures imprimées en 3D sont-elles possibles ? Les nouvelles avancées éclairent la réponse

L’impression 3D a captivé l’imagination d’un éventail d’industries à travers le monde. Aussi appelée fabrication additive, l’impression 3D a été à juste titre qualifiée comme l’une des technologies les plus déterminantes de notre époque. Contrairement aux technologies de fabrication traditionnelles, il s’agit d’une méthode qui peut construire des objets 3D de presque toutes formes en couches. Pour ce faire, la technologie utilise la conception assistée par ordinateur (CAO) et une large gamme de matériaux, tels que le métal, le plastique, le béton ou le papier.

La polyvalence qu’elle offre aux fabricants du monde entier pour optimiser les coûts et les délais de leurs flux de production en fait un candidat de premier plan pour une adoption exponentielle à court terme. Selon les estimations, la taille mondiale du marché des produits et services d’impression 3D pourrait passer de 12,6 milliards de dollars US en 2020 à 37,2 milliards de dollars US en 2026. D’ici 2030, le nombre d’appareils de fabrication additive et d’impression 3D dans le monde pourrait atteindre 2,8 million.

Une telle croissance forte rendrait l’impression 3D pratiquement omniprésente. Ainsi, tout le monde se demande : l’impression 3D peut-elle devenir adaptée au secteur automobile, une industrie où la précision de fabrication est immensément valorisée et chérie ? Pour le dire plus directement, est‑il possible d’imprimer des voitures en 3D ? Nous discuterons des possibilités dans les sections à venir.

Cliquez ici pour découvrir pourquoi l’impression 3D représente un marché potentiel de 500 milliards de dollars.

Percée de l’Université de Tohoku dans la technique d’impression 3D multi-matériaux

L’Institut de recherche sur les matériaux et le Centre d’incubation de création de nouvelles industries de l’Université ont réalisé quelque chose de de pointe. Les chercheurs ont démontré le processus de création d’une pièce automobile légère mais durable grâce à une technique d’impression 3D multi-matériaux. 

Source: Tohuku University

Ici, nous devons examiner de plus près le phénomène des techniques d’impression 3D multi-matériaux. Les structures multi-matériaux, comme leur nom l’indique, combinent stratégiquement différents matériaux pour optimiser les performances d’un composant. Plus important encore, elles peuvent être créées par impression 3D. 

En expliquant l’émergence de cette technique, le professeur associé Kenta Yamanaka de l’Université de Tohoku a déclaré :

« Les multi-matériaux sont un sujet brûlant dans le domaine de la fabrication additive en raison de la flexibilité de leur processus. »

Cependant, il a également mentionné les limites de la technologie. Selon lui :

« Pour certaines combinaisons de métaux, comme l’acier et l’aluminium, des composés inter‑métalliques fragiles peuvent se former aux interfaces des métaux différents. Ainsi, bien que le matériau soit désormais plus léger, il devient plus fragile. »

L’aspect le plus pertinent de cette recherche était que les scientifiques ont tenté de résoudre ce goulot d’étranglement en produisant un alliage acier‑aluminium qui, malgré sa légèreté, ne sacrifie pas la résistance. 

L’objectif a été atteint en utilisant le Laser Powder Bed Fusion (L‑PBF), l’une des principales technologies d’impression 3D métal qui emploie un laser pour faire fondre sélectivement les poudres métalliques.  Les chercheurs ont découvert qu’augmenter la vitesse de balayage du laser pouvait supprimer de façon significative la formation de composés inter‑métalliques fragiles (tels que Al5Fe2 et Al13Fe4). Ils ont proposé que cette vitesse de balayage plus élevée pouvait conduire à ce que l’on appelle la solidification hors équilibre, qui minimise le partitionnement des solutés à l’origine des points faibles du matériau. Le résultat final était un produit présentant des interfaces de liaison solides. 

En détaillant la valeur de la compréhension de ce mécanisme d’alliage in situ, l’assistant professeur spécialement nommé Seungkyun Yim, Université de Tohoku, a déclaré :

« En d’autres termes, on ne peut pas simplement coller deux métaux ensemble et s’attendre à ce qu’ils adhèrent sans plan. »

Bien que les conclusions des chercheurs de l’Université de Tohoku puissent sembler techniques et ambitieuses, elles ont de grandes implications dans le domaine appliqué de la fabrication automobile. En résumé, les chercheurs ont pu prototyper le tout premier composant automobile multi‑matériaux à grande échelle (tour de suspension) avec une géométrie adaptée. À l’avenir, ces découvertes pourraient potentiellement impacter d’autres combinaisons de métaux où des problèmes similaires de liaison nécessitent des améliorations. 

Alors que cette recherche ouvre de nouveaux horizons pour l’industrie automobile, l’utilisation de l’impression 3D dans ce domaine n’est pas nouvelle. 

Cliquez ici pour découvrir comment l’impression 3D se consolide dans le futur de la fabrication.

Impression 3D pour des prototypes plus rapides et des composants ou pièces repensés

Les experts du secteur affirment que l’impression 3D a déjà été utilisée pour accélérer la création de prototypes, repenser des pièces et composants sélectionnés, et même les remplacer. Mais avec le temps, l’utilisation de l’impression 3D a dépassé son domaine initial pour s’aventurer dans la fabrication de prototypes et la production de pièces de garniture imprimées en 3D à faible volume et personnalisées dans certains véhicules actuels. 

Selon Robert Wilig, directeur exécutif, PDG, SME, anciennement Society of Manufacturing Engineers :

« Alors que l’industrie automobile se dirige vers des plateformes hybrides ou même électrifiées axées sur la légèreté, la fabrication additive s’intègre parfaitement car elle permet des méthodes vraiment efficaces de création de conceptions efficientes. »

Au lieu de trois pièces, qui pouvaient être requises auparavant, l’impression 3D permet désormais d’optimiser la conception en une seule pièce, en plaçant le matériau uniquement là où il est nécessaire pour la rendre plus légère, plus solide et plus flexible.

Selon Dallas Martin, ingénieur en fabrication additive chez Toyota Motor North America (TM )  :

« L’intégration de l’impression 3D dans la fabrication d’outillages et de gabarits a amélioré l’efficacité et la flexibilité des lignes de production. »

Une revue des recherches effectuées dans ce domaine jusqu’à présent suggère que l’impression 3D pourrait révolutionner l’industrie automobile en rendant les conceptions plus flexibles, le prototypage plus rapide et la réduction des déchets plus efficace. Cela pourrait être réalisé en maintenant la production légère. Les chercheurs ont cité ces raisons comme moteurs de l’investissement croissant des constructeurs automobiles dans les techniques AM.

Alors que nous explorerons quelques entreprises pionnières actives dans ce domaine dans les sections à venir, les chercheurs ont noté davantage d’opportunités pour la fabrication additive dans des solutions durables et vertes, notamment en faisant progresser les systèmes de batteries et les voitures électriques. L’impression 3D pourrait s’avérer utile pour générer des fixations de batterie résistantes à la chaleur qui améliorent la dissipation thermique et le refroidissement des batteries. Elle est également perçue comme une solution prometteuse pour la fabrication de batteries lithium à l’état solide. 

Dans les sections à venir, nous examinerons des cas d’utilisation où des constructeurs automobiles bien connus développent des solutions efficaces.

1. Toyota

En juillet 2024, des rapports ont annoncé que Toyota présentait des voitures concept Hyper‑F avec des pièces imprimées en 3D. Un vétéran de ce domaine, Toyota, via TCD Asia (Toyota Customizing & Development) — déjà impliqué dans la production d’accessoires pour divers modèles Toyota — a dévoilé un concept SUV haute performance intégrant des pièces imprimées en 3D et des matériaux de pointe. Cela n’a été possible que grâce à des collaborations avec les entreprises japonaises Mitsui Chemicals et ARRK Corporation. 

Les rapports suggèrent que la voiture concept Hyper‑F de Toyota est basée sur le Toyota Fortuner, développé par TCD Asia. En tirant parti de l’expertise technique avancée de Mitsui Chemicals, Toyota a utilisé l’impression 3D avec des granulés pour produire des pièces à partir de granules plastiques à faible coût, réduisant ainsi les temps de développement et les coûts d’investissement.

L’entreprise a affirmé que ces pièces imprimées en 3D étaient particulièrement stables et prêtes à être imprimées pour former des pièces grand format. Pour la voiture concept Hyper‑F, des composants imprimés en 3D ornent les panneaux des conduits d’air du capot. 

Avant cela, Toyota aurait également collaboré avec Solize, un partenaire en ingénierie de développement de produits mondiaux et fournisseur de services d’ingénierie, pour imprimer à la demande des pièces détachées automobiles en 3D. Plus précisément, Toyota a utilisé l’impression 3D multi‑jet fusion pour créer des pièces de stock avant de les vendre aux côtés de pièces détachées produites traditionnellement. Un autre géant technologique mondial, HP, a fourni les imprimantes à Toyota. 

En parlant de l’intérêt de l’industrie automobile pour l’exploitation de l’impression 3D, Nobuki Okado, directeur général de HP Japon, a déclaré :

« Chaque jour, nous constatons une traction croissante et des applications d’impression 3D plus matures dans de nombreuses industries à l’échelle mondiale, en particulier dans l’automobile. Des constructeurs automobiles de premier plan comme Toyota Motor Corporation montrent la puissance de l’impression 3D pour la conception flexible, la rapidité de mise sur le marché et l’impact durable. »

En dehors de HP, Toyota a exploité plusieurs autres solutions d’entreprises pour affiner et améliorer ses offres automobiles en 3D. Par exemple, la société a travaillé avec Materialise pour développer un siège de voiture ultra‑léger imprimé en 3D. Elle a investi dans la R&D de la technologie en co‑développant Somos Taurus avec DSM, un matériau dit idéal pour les applications automobiles grâce à sa température de déflexion thermique efficace de 95 °C. L’entreprise possède également une aile d’impression 3D qui porte son nom à l’Université de Waterloo. 

En mai 2024, Toyota Motor Corporation a publié son rapport FY 2024 pour la période du 1er avril 2023 au 31 mars 2024. La société a enregistré un chiffre d’affaires de 45 095 325 millions de yens et un résultat d’exploitation de 5 352 934 millions de yens. 

2. General Motors

En 2022, peut‑être le constructeur automobile le plus connu au monde aurait dépassé les prototypes et les pièces à faible volume dans son utilisation de l’impression 3D ou de la fabrication additive. Le plus grand constructeur automobile des États‑Unis imprime des outils personnalisés pour les opérateurs d’usine, rendant leurs tâches plus sûres et plus productives. 

La relation de General Motors (GM ) avec l’impression 3D remonte à 1989 lorsqu’elle a installé un des premiers imprimantes 3D, une machine de stéréolithographie portant le numéro de série « 3 », sur le campus du Warren Tech Center (Michigan) près de Detroit.

Selon Ali Shabbir, responsable du groupe d’ingénierie chez GM pour l’industrialisation de la fabrication additive :

« À mesure que la technologie, les résistances des matériaux, la disponibilité des métaux commençaient vraiment à prendre leur envol, les dirigeants ont déclaré : « Vous savez quoi, c’est quelque chose auquel nous devons vraiment prêter attention, alors mettons une petite équipe dessus pour explorer ce qui pourrait être fait. » »

En 2019, GM a ouvert son Additive Innovation Lab (AIL), un espace de 4 000 pi² au Cole Engineering Center du Global Technical Center. 

Selon Ali Shabbir, ce laboratoire était le joyau de la couronne du programme d’éducation additive de GM. C’était un espace de création DIY et un centre d’apprentissage où les employés pouvaient apprendre à concevoir, configurer les constructions additives et post‑traiter les pièces.

Parmi les nombreux exemples de GM déployant avec succès l’impression 3D ou la fabrication additive dans l’industrie automobile, quelques-uns se démarquent. Par exemple, en 2020, l’entreprise a imprimé en 3D 75 % des pièces de son prototype non opérationnel (pas le véhicule de production) du premier Chevrolet C8 Corvette 2020, permettant aux ingénieurs d’étudier le processus d’assemblage final et d’identifier les défis de production.

Cette même année, l’entreprise a produit des pièces additives pour la saison de course du Corvette C8.R, INDYCAR, NASCAR Camaro et des équipes de course Silverado. 

En 2021, grâce à son partenariat avec GKN Additive Forecast 3D, l’entreprise a imprimé en 3D 60 000 joints flexibles « spoiler closeout seals » pour compléter 30 000 Chevrolet Tahoe SUV en cinq semaines. Le mode de production traditionnel – le moulage par injection – aurait pu prendre beaucoup plus longtemps, jusqu’à 10 semaines. 

GM a également intégré des pièces imprimées en 3D, dont deux conduits HVAC et un support de faisceau électrique, dans les véhicules Cadillac CT4‑V et CT5‑V Blackwing. En octobre 2022, elle a annoncé le projet le plus ambitieux à ce jour : le Cadillac CELESTIQ EV à 300 000 $, qui utiliserait largement la fabrication additive métallique pour des personnalisations sur commande.

Selon son rapport annuel pour l’exercice clos le 31 décembre 2023, GM a déclaré un chiffre d’affaires de 171,8 milliards de dollars, un revenu net attribuable aux actionnaires de 10,1 milliards de dollars et un EBIT ajusté de 12,4 milliards de dollars.

3. Daimler Truck

Daimler Truck Holding AG (DTG.DE ) est l’un des plus grands constructeurs mondiaux de véhicules commerciaux. Avec plus de 40 sites de production dans le monde et plus de 100 000 employés, elle propose des camions légers, moyens et lourds, des bus urbains et interurbains, des autocars et des châssis de bus.

L’entreprise affirme avoir bénéficié énormément de sa technologie innovante d’impression 3D. Ses près de 30 ans d’expérience dans la construction de prototypes d’impression 3D ont maintenant été transférés à la production en série avec des normes de haute qualité. Grâce à l’impression 3D, la division bus de Daimler peut réagir rapidement, de façon flexible, économique et respectueuse de l’environnement aux exigences urgentes des clients, y compris la production de composants spéciaux tels que des couvercles, des poignées et une gamme diversifiée de supports individuels.

Le « Centre de compétence pour l’impression 3D » de Daimler a commencé en 2019 à examiner en détail plus de 300 000 pièces de rechange de bus actuelles afin d’évaluer leur aptitude à être imprimées en 3D. L’entreprise possède désormais une aile complète de solutions de fabrication additive qui a permis de réduire jusqu’à 80 % le délai d’approvisionnement, d’identifier plus de 7 000 composants potentiels à imprimer en 3D et d’établir un portefeuille de plus de 400 pièces de rechange approuvées pouvant être imprimées en 3D. 

Selon Ralf Anderhofstadt, responsable du Centre de compétence pour la fabrication additive, l’atelier d’impression et les médias chez Daimler Buses, les activités de l’entreprise dans le domaine de la fabrication additive, le « potentiel immense de la technologie sur l’ensemble de la chaîne de valeur est devenu évident pas à pas. » Selon Ralf, les opportunités pour l’activité de Daimler, ainsi que pour ses clients, vont du potentiel d’économies à de nouveaux modèles économiques. 

En 2023, Daimler Truck a déclaré un chiffre d’affaires de 55 890 millions d’euros, une hausse significative par rapport à 50 945 millions d’euros en 2022.

Perspectives futures

L’opinion reste divisée quant à savoir si l’impression 3D prendra complètement le relais de la fabrication automobile à l’avenir. Selon Robert Willig, directeur exécutif, PDG, SME, anciennement Society of Manufacturing Engineers, il n’y aura peut‑être pas de « usine gigantesque avec autre chose que des imprimantes. »

Cependant, selon Luke Czinger, co‑fondateur et COO de Divergent Technologies, qui travaille actuellement avec six constructeurs automobiles, dont Mercedes‑Benz, Aston Martin, Bugatti et McLaren, l’impression 3D, principalement pour les composants de suspension et de renfort, les attributs des matériaux imprimés en 3D peuvent améliorer les performances des véhicules électriques. 

« L’histoire des véhicules électriques est convaincante en termes d’autonomie. Si vous pouvez économiser 20 % à 30 % de masse sur la structure du châssis, vous pouvez soit augmenter l’autonomie, soit réduire la taille du pack. Typiquement pour ces véhicules électriques à moindre coût, cela représente un avantage réel pour la rentabilité de l’entreprise. Ensuite, il y a l’aspect durabilité. Si vous fabriquez un véhicule plus léger, vous aurez moins d’usure des pneus, mais vous utiliserez également moins d’aluminium, moins de CO₂ dans le processus de fabrication. »

– Czinger

Les chercheurs estiment que la force de l’impression 3D dans la fabrication de voitures réside dans sa capacité à éliminer l’utilisation de matériaux excédentaires et, par conséquent, les déchets inutiles, ainsi que la nécessité de longs trajets de transport et d’espaces de stockage, réduisant largement les impacts environnementaux. (MBG.DE )

En résumé, il s’agit d’une méthode de fabrication durable prometteuse. Cependant, elle devra surmonter quelques goulots d’étranglement pour réussir pleinement. Par exemple, elle devra maîtriser le contrôle de la qualité du produit, éliminer le besoin de post‑traitements excessifs, améliorer le volume de production et pallier le manque de normes. 

Pour une application réussie de l’impression 3D dans l’industrie automobile, des processus et des matériaux standardisés sont nécessaires. L’absence de normes universelles pourrait entraver l’interopérabilité entre différentes imprimantes 3D et logiciels, rendant difficile l’obtention des mêmes performances même sous des paramètres de processus identiques.

Cliquez ici pour une liste des meilleures actions de fabrication additive et d’impression 3D.