Des prototypes parfaits à vitesse grand V grâce à la fabrication additive

Qu’il s’agisse de s’attirer les louanges du public, de cumuler les prix ou de susciter la passion de la mécanique, la réussite et la vitesse jouent un rôle plus déterminant en Formule 1 que dans n’importe quel autre sport. Avec ses neuf titres constructeurs et ses sept victoires en championnat du monde des pilotes, l’écurie Williams Martini Racing est bien placée pour le savoir. La rapidité est tout aussi cruciale hors de la piste, notamment pour le développement de l’écurie, où les ingénieurs ont fait appel aux technologies de fabrication additive d’EOS pour la conception de la partie extérieure de l’aileron avant de la voiture de 2016.

La conception d’un nouveau modèle commence bien avant la fin d’une saison de Formule 1. Tout en s’efforçant d’améliorer jour après jour les performances de la voiture en compétition, les ingénieurs développent et testent la suivante en parallèle. Dans ce contexte, il faut absolument optimiser l’utilisation et le déploiement des ressources disponibles, en termes de personnel comme de matériaux. La construction d’une Formule 1 est soumise à une multitude de règles complexes, auxquelles vient s’ajouter la nécessité d’atteindre le meilleur équilibre possible entre la vitesse, la fiabilité et la légèreté.

Chaque saison, l’écurie est ainsi confrontée au même défi. L’équipe de développement de Williams Martini Racing est implantée à Grove, dans le comté anglais de l’Oxfordshire. Comme ses concurrentes, elle utilise des composites de fibres de carbone depuis de nombreuses années. Ces matériaux ont prouvé leur efficacité en Formule 1 dans la mesure où ils allient une stabilité exceptionnelle à une grande légèreté. Malheureusement, ils sont aussi extrêmement chers, un problème qui ne concerne pas que les développeurs de Williams Martini Racing. Leur utilisation suppose la fabrication, à la fois coûteuse et complexe, de moules et d’outils spéciaux. Celle-ci nécessite en outre beaucoup de temps, ce qui s’avère problématique compte tenu du besoin de produire des composants individuels pour la fabrication de prototypes en respectant des délais très serrés.

Si, traditionnellement, l’écurie s’est plutôt montrée conservatrice vis-à-vis du travail des ingénieurs, l’équipe de Grove n’a, quant à elle, jamais démenti son intérêt pour les technologies innovantes. Au final, le service technique s’est attelé à intégrer la fabrication additive aux processus de développement de ses prototypes pour les différentes parties de l’aileron avant. Ce composant joue un rôle fondamental dans l’aérodynamisme des voitures, car il permet aux pneus de conserver une adhérence optimale dans les virages.

La solution

Des simulations sur ordinateur facilitent les calculs nécessaires à la conception de l’aileron avant. Pourtant, en dépit d’algorithmes extrêmement poussés, les modèles de calcul ont eux aussi leurs limites. Des essais réels en soufflerie s’avèrent donc toujours nécessaires. Dans le cadre du concept d’essais et d’amélioration, plusieurs variantes d’une pièce sont étudiées. Les matériaux en fibre de carbone étant, comme nous l’avons mentionné précédemment, difficiles à utiliser, Williams Martini Racing a alors décidé de produire des prototypes d’aileron par fabrication additive pour en tester la forme.

À ce stade, deux machines entrent en jeu : l’Eosint P 390 et surtout l’Eosint P 760, au volume de fabrication considérable. Ces équipements permettent de produire des matières plastiques via la technologie du frittage laser. Dans un premier temps, les ingénieurs de Williams Martini Racing conçoivent plusieurs cascades d’aileron avant à l’aide d’un logiciel de CAO. Chaque modèle affiche des géométries complexes, qui tiennent compte des concepts élaborés et des simulations effectuées pour obtenir une déportance élevée et une adhérence optimale des pneus. Ces premiers modèles sont transférés dans le système EOS, qui produit alors les prototypes de moule avec une extrême précision. Des spécialistes évaluent la pièce dès sa sortie de la chambre de fabrication. Une fois la liste des modèles potentiels établie par l’équipe de production, la fabrication des moules intervient pour les composants réels en composites de fibres de carbone, qui seront au final mis à l’essai sur la piste.

« Pour nous, EOS est à la pointe de la technologie de frittage laser ; et nous nous efforçons toujours de collaborer avec les meilleurs, déclare Richard ­Brady, responsable de la fabrication numérique avancée chez Williams ­Martini Racing. Nous sommes intimement convaincus que la fabrication additive constitue le complément parfait de nos processus de production et raccourcit considérablement nos cycles de développement de produits. Cette méthode a déjà remporté un franc succès avec les composants de déflexion d’air situés à l’extérieur de l’aileron avant. Nous sommes très satisfaits de l’ensemble du processus de production de prototypes, de la fabrication en elle-même jusqu’à la collaboration avec EOS ».

Les résultats

Avec le procédé de fabrication additive, la conception des différentes pièces, si complexe soit-elle, ne pose aucun problème particulier. Parmi les nombreux avantages de cette technologie, la grande souplesse de la conception reste certainement le principal. De plus, les machines EOS respectent facilement les tolérances mécaniques et dimensionnelles requises, à tel point qu’il était quasiment acquis dès le départ que les conditions préalables indispensables à un résultat positif seraient réunies. Mais qu’en est-il des objectifs fondamentaux de simplification, d’accélération de la production et de réduction des coûts ?

La réponse est sans équivoque : « nous avons réussi à raccourcir progressivement les délais de production, car l’ensemble du processus de fabrication est désormais bien plus simple et efficace, confirme Richard Brady. Nous pouvons maintenant tester les composants en éliminant la phase complexe, fastidieuse et coûteuse de la fabrication de moules pour des modèles finalement rejetés. C’est une grande première pour nous ». Cette accélération du processus de fabrication permet aussi de créer davantage de variantes d’un modèle en un temps donné. Alors qu’auparavant le calendrier ne laissait parfois que le temps de produire une seule série, la technologie permet désormais d’en fabriquer plusieurs.

La réduction globale des délais de développement qui en découle se traduit par une baisse des coûts. Les succès sur la piste contribuent également à la santé financière de l’écurie. Les composants ainsi optimisés améliorent les résultats sportifs. Or, la FIA reverse une partie des revenus publicitaires liés aux Grands Prix pour chaque point remporté aux championnats des pilotes et des constructeurs. En outre, il est plus facile d’attirer des sponsors lorsque les voitures et les pilotes surpassent la concurrence. En résumé, l’innovation aide l’écurie Williams ­Martini Racing à marquer davantage de points.

N° 87 Mars/Avril  2017