Le monde de la fabrication se réinvente grâce à des technologies numériques novatrices sorties tout droit de l'industrie 4.0 — la quatrième révolution industrielle —, notamment dans le secteur automobile, avec l'apparition de nouveaux procédés de conception et de fabrication de pièces en métal. L'adoption de ces procédés modernes se heurte toutefois à plusieurs obstacles : qualité inégale des pièces, gaspillage de matière dû à des impressions ratées et coûts élevés d'entretien des machines et de traitement postimpression.
Des travaux récents effectués par le Centre de recherche sur l'automobile et les transports de surface du CNRC sur des techniques de simulation numérique de pointe permettent de prédire les problèmes éventuels d'impression et de trouver des solutions bien avant la production des pièces.
Concevoir mieux et plus rapidement
Échantillons fabriqués en Inconel 718 par fusion laser sur lit de poudre. Le soulèvement et le détachement des pièces de la plaque d'impression sous l'effet du gauchissement et du délaminage pendant la fabrication les ont rendues inutilisables. Des corrections apportées aux paramètres d'impression ont toutefois suffi à résoudre le problème.
Chaque année, des millions de pièces métalliques sont fabriquées pour les véhicules, les trains, les avions et les navires. Chacune de ces pièces suit un long et coûteux parcours de recherche, de conception, de prototypage et d'essais avant l'étape de la production, et ce, dans un contexte de fortes pressions pour fabriquer des pièces de meilleure qualité, plus rapidement et à moindre coût.
La fabrication additive, également connue sous le nom d'impression 3D ou de prototypage rapide, est l'une des technologies qui révolutionnent la fabrication des pièces métalliques. Cette technique permet de produire des pièces à géométrie complexe qui ne peuvent pas être fabriquées par les méthodes habituelles. Elle permet notamment de produire des pièces automobiles légères, sans rien sacrifier à la solidité, et permet aussi de réduire les coûts de production, de prolonger la durée des pièces et de réduire l'impact environnemental de la fabrication.
Plusieurs obstacles font cependant hésiter l'industrie à adopter la fabrication additive. Les nouveaux procédés de fabrication doivent s'affranchir des méthodes par essais et erreurs coûteuses, rentabiliser la production, rendre les calendriers de production plus flexibles (production à la demande ou à grande échelle) et raccourcir le temps de mise en marché des nouvelles pièces. Pour y arriver, les fabricants ont besoin de pouvoir prédire les problèmes pouvant survenir en cours de production, d'où l'intérêt de la simulation numérique.
Rendre l'impression 3D prévisible
Yohann Vautrin montre une pièce fabriquée à l'aide du procédé de FLLP. Les résultats d'une simulation numérique du procédé sont visibles sur les écrans d'ordinateur.
L'équipe de recherche en modélisation et simulation du Centre de recherche sur l'automobile et les transports de surface du CNRC est un chef de file dans la modélisation, la simulation et l'optimisation des procédés industriels. Récemment, l'équipe s'est appliquée à résoudre les principaux problèmes de la fabrication par fusion laser sur lit de poudre (FLLP), une des méthodes d'impression additive les plus répandues pour la fabrication de pièces métalliques.
Dans ce procédé, un faisceau laser fait fondre une fine couche de poudre métallique épandue sur une plaque. Le processus est répété plusieurs fois, jusqu'à ce que la pièce finale en 3D émerge des couches successives. Bien que la FLLP soit un procédé de fabrication aux nombreuses possibilités, plusieurs obstacles freinent encore son adoption à grande échelle, en particulier les défauts pendant la fabrication et les difficultés à respecter les spécifications de conception et les tolérances.
« Pour résoudre ces problèmes, nous avons mis au point une méthode de simulation numérique rapide et précise qui permet de prédire où les défauts sont susceptibles de se produire pendant la FLLP », explique Yohann Vautrin, Ph. D., agent de recherches dans nos installations de Boucherville, au Québec. « Notre logiciel de simulation de pointe prédit le comportement des pièces métalliques pendant et après l'impression », ajoute-t-il.
La simulation permet aux entreprises de modifier la conception ou d'ajuster les paramètres de fabrication, sans faire d'impression, et d'éviter ainsi un énorme gaspillage de temps, de matériaux et d'argent.
« Nous espérons que notre logiciel accélérera l'adoption de la fabrication additive métallique au Canada », ajoute Yohann en plus de préciser que les entreprises qui travaillent avec le Groupe de R-D industrielle METALTec du CNRC ont non seulement accès aux résultats de travaux de R-D exclusifs, mais aussi aux services de l'équipe de recherche elle-même, qui peut réaliser sur demande des études sur des sujets précis.
La collaboration : un moteur de succès
Résultats de simulation d'un double cantilever avec structures de support à l'aide du modèle à échelle réelle de la pièce. La visualisation montre la déformation causée par le processus d'impression (en haut), suivie de la forme après retrait des structures de support (au centre et en bas).
Comme la plupart des initiatives entreprises par le CNRC, le succès du projet de simulation multiéchelle de la FLLP repose sur une étroite collaboration avec des partenaires industriels et universitaires. Développé par le CNRC et des équipes de recherche de Polytechnique Montréal, de l'Université Concordia et de l'Université McGill, le projet a fait appel à des champs d'expertise complémentaires pour mettre au point des modèles de simulation numérique fonctionnant à différentes échelles de temps et de dimension.
Cette approche multiéchelle permet de réaliser des simulations de toutes les étapes du procédé de FLLP en quelques minutes plutôt qu'en plusieurs jours ou semaines, en troquant un peu de la précision pour la vitesse. Cette approche stratégique commence par une modélisation à microéchelle (environ 100 micromètres), produisant une représentation physique très précise de la pièce, mais nécessitant d'énormes ressources de calcul. Un modèle intermédiaire (environ 1 millimètre) reprend les données pour simuler de manière simplifiée la trajectoire parcourue par le faisceau laser sur la couche de poudre. Enfin, le modèle à échelle réelle combine toutes ces données pour simuler rapidement le processus d'impression de toute la pièce finie.
L'équipe a démontré à partir de zéro comment cette approche multiéchelle pouvait résoudre des problèmes courants rencontrés par l'industrie de la fabrication. Les résultats sont prometteurs même si certains ajustements doivent être encore apportés au logiciel de simulation avant la version prête à l'emploi.
L'approche suivie pourrait déboucher sur des fonctions encore plus intelligentes, comme l'optimisation automatisée de la conception, la compensation géométrique pour l'impression de formes de grande précision dimensionnelle et l'intégration avec des jumeaux numériques et des systèmes de surveillance en temps réel, tout cela pour rendre l'impression 3D métallique plus fiable et plus efficace.
Investir dans l'innovation canadienne
L'équipe de projet du CNRC, composée de Kalonji Kabanemi, de Yohann Vautrin et de Jean-Philippe Marcotte, discute des résultats d'une simulation réalisée dans le cadre d'un autre projet dans ses bureaux de Boucherville, au Québec.
Le projet a reçu un financement de 1,14 million de dollars des membres du Groupe de R-D industrielle METALTec, du CRITM, un consortium québécois de recherche et d'innovation en transformation métallique financé par le gouvernement provincial, et du programme de soutien à la grappe de la fabrication de pointe du CNRC (par l'entremise du Programme de collaboration en science, en technologie et en innovation, administré par le Bureau national des programmes du CNRC). Plus de 8 professionnels hautement qualifiés ont été formés dans le cadre du projet pour prêter main-forte à l'équipe de recherche.
Grâce à ses capacités de recherche uniques, autant celles qui sont solidement établies et que les nouvelles, et à la priorité mise sur l'innovation, le CNRC s'avère un partenaire fiable pour les fabricants et un milieu de formation pour le personnel hautement qualifié. En facilitant la collaboration pour mettre au point des outils de simulation et en faisant profiter l'industrie et le milieu universitaire des fruits de ses recherches dans le cadre d'initiatives comme METALTec, le CNRC contribue également à convertir les entreprises canadiennes aux technologies de fabrication additive. Avec l'évolution des technologies de fabrication additive à base de métaux, leur intégration dans la production grande échelle contribuera à façonner l'avenir des transports.