Plus léger, plus rigide, plus compact : Porsche a produit son premier boîtier complet pour propulsion électrique par impression 3D. L’unité moteur-boîte de vitesses produite à l’aide du procédé de fusion laser additive a passé sans problème tous les tests de qualité et de résistance. « Cela prouve que la fabrication additive, avec tous ses avantages, convient également aux composants plus gros et très sollicités des voitures de sport électriques », a déclaré Falk Heilfort, chef de projet au département Powertrain Advance Development du centre de développement Porsche de Weissach. Il est concevable que l’entraînement électrique optimisé puisse être utilisé dans une supercar en édition limitée, par exemple.
Les ingénieurs du département Advanced Development (développement avancé) ont pu réaliser plusieurs étapes de développement à la fois avec le prototype. Le boîtier en alliage fabriqué de manière additive est plus léger qu’une pièce moulée conventionnellement et réduit le poids total de l’entraînement d’environ 10%. Grâce à des structures spéciales qui ne sont devenues possibles que grâce à l’impression 3D, la rigidité dans les zones fortement sollicitées a néanmoins été doublée. Un autre avantage de la fabrication additive est le fait que de nombreuses fonctions et pièces peuvent être intégrées. Cela réduit considérablement le travail d’assemblage et profite directement à la qualité des pièces.
L’impression 3D ouvre de nouvelles opportunités de développement et de fabrication de pièces à faible volume. Porsche fait progresser de manière intensive l’utilisation de la fabrication additive pour l’optimisation des pièces très sollicitées. Il y a quelques mois, de nouveaux pistons imprimés ont fait leurs preuves dans la voiture de sport haute performance Porsche 911 GT2 RS. Le boîtier pour un entraînement électrique complet maintenant développé répond également à des exigences de qualité élevées. Dans le même boîtier que le moteur électrique, le réducteur à deux vitesses aval est intégré. Cette approche hautement intégrée est conçue pour être utilisée sur l’essieu avant d’une voiture de sport.
« Notre objectif était de développer un entraînement électrique avec un potentiel de fabrication additive, tout en intégrant autant de fonctions et de pièces que possible dans le carter d’entraînement, en économisant du poids et en optimisant la structure », explique Falk Heilfort. Aucun autre procédé de fabrication n’offre autant de possibilités et de mise en œuvre aussi rapide que l’impression 3D. Les données de conception peuvent être envoyées à l’imprimante directement à partir de l’ordinateur sans étapes intermédiaires telles que la création d’outils. Les pièces sont ensuite créées couche par couche à partir de poudre d’alliage d’aluminium. Cela permet de fabriquer des formes telles que des boîtiers avec des conduits de refroidissement intégrés dans presque toutes les géométries. Chaque couche est fondue puis fusionnée avec la couche précédente. Un certain nombre de technologies différentes sont disponibles à cet effet. Le boîtier d’entraînement a été fabriqué à partir de poudre métallique de haute pureté en utilisant le procédé de fusion de métal au laser (LMF). Ici, un faisceau laser chauffe et fait fondre la surface de la poudre correspondant au contour de la pièce.
L’optimisation de l’entraînement électrique a commencé par l’intégration de la conception de composants tels que les roulements, les échangeurs de chaleur et l’alimentation en huile. Ceci a été suivi par la définition informatique des charges et des interfaces. La détermination des chemins de charge a alors eu lieu sur cette base. L’étape suivante de la méthode de développement virtuel était l’optimisation des chemins de charge en intégrant les structures dites en treillis. Ces structures s’inspirent de la nature et peuvent également être vues sous une forme similaire dans les os ou les plantes, par exemple. « Nous avons pu étendre et améliorer nos solutions logicielles et nos méthodes de création de telles pièces et nous sommes désormais en mesure de les implémenter virtuellement dans un laps de temps très court », a déclaré Sebastian Wachter, spécialiste en méthodologie de conception et optimisation de la topologie dans le développement avancé du département groupe motopropulseur. Associées à l’intelligence artificielle, des approches intéressantes pour optimiser les méthodes de développement se présentent ici pour l’avenir.
Cependant, la liberté de conception étendue offerte par l’impression 3D va également de pair avec des exigences de conception spécifiques. Celles-ci incluent les ingénieurs devant prendre en compte le fait que les pièces à usiner sont produites couche par couche par fusion. S’il y a de grandes saillies dans la forme, des éléments de support tels que des nervures peuvent devoir être planifiés. Cependant, ceux-ci ne doivent pas s’étendre dans des conduits de support de fluide. Il est donc important de déjà prendre en compte la direction dans laquelle les couches sont construites dans la phase de conception. Avec la technologie de la machine actuellement disponible, l’impression du premier prototype de boîtier a pris plusieurs jours et a dû se dérouler en deux processus de construction en raison de la taille des composants. Avec les dernières générations de machines, il est possible de réduire ce temps de 90%, et l’ensemble du boîtier peut être fabriqué en un seul processus de construction.
Le poids des pièces du boîtier a été réduit d’environ 40% grâce à l’intégration des fonctions et à l’optimisation de la topologie. Cela représente une économie de poids d’environ 10% pour l’ensemble de la transmission grâce à la construction légère. La rigidité a été augmentée de manière significative en même temps. Malgré une épaisseur de paroi continue de seulement 1,5 millimètre, la rigidité entre le moteur électrique et la boîte de vitesses a été augmentée de 100% en raison des structures en treillis. La structure en nid d’abeille réduit les oscillations des parois minces du boîtier et améliore ainsi considérablement l’acoustique de l’entraînement dans son ensemble. L’intégration des pièces a rendu l’unité d’entraînement plus compacte, a considérablement amélioré l’ensemble d’entraînement et réduit le travail d’assemblage d’environ 40 étapes de travail. Cela équivaut à une réduction du temps de production d’environ 20 minutes. Un avantage supplémentaire : l’intégration de l’échangeur de chaleur de la boîte de vitesses avec une transmission de chaleur optimisée améliore le refroidissement de l’entraînement dans son ensemble. Il s’agit d’une exigence fondamentale pour de nouvelles augmentations de performances.
Le boîtier produit à l’aide du processus d’impression 3D montre à nouveau le potentiel de la fabrication additive pour Porsche en matière d’innovation produit à l’avenir. Des potentiels se présentent également dans les domaines de l’innovation de processus – développement agile et production flexible – et pour de nouveaux domaines d’activité tels que la personnalisation avec de nouvelles offres pour les clients et les pièces de rechange. Cette technologie de fabrication est techniquement et économiquement intéressante pour Porsche spécifiquement pour les séries spéciales et petites séries ainsi que pour les sports automobiles.
Photos : Porsche
