Fabrication additive métallique - Une innovation plus rapide pour l'industrie de la bicyclette - Hangzhou, Zhejiang, China

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Après une longue histoire, le fabricant de bicyclettes Möve a développé le principe de l'utilisation de la fabrication additive (AM) pour produire les connecteurs entre les tubes d'un cadre de vélo. Après avoir évalué des partenaires potentiels pour réussir cette percée technologique, Möve a identifié le besoin d'une excellente collaboration et d'une expertise qui permettrait d'atteindre la rentabilité, la conception et la performance avec un seul fabricant.

L'équipe d'Eplus3D s'est concentrée sur l'optimisation de la structure des coûts pour la production de connecteurs et sur la faisabilité de l'extension du projet à la production en série. En mettant en œuvre cette approche et en aidant Möve à fabriquer des tubes en titane inédits pour le cadre, le projet a été accéléré d'au moins quatre mois, ce qui a permis de créer un cadre de vélo électrique nouveau et distinctif, tout en préservant la conception monocoque originale prévue.

Ce projet illustre le potentiel de l'industrie du vélo grâce à l'utilisation de l'impression 3D de métaux et à une combinaison précieuse de travaux d'ingénierie de la part de toutes les parties. La reconnaissance des défis est essentielle pour les industries de la mobilité, les incitant à repenser et à redéfinir la façon dont les pièces sont fabriquées, afin de fournir un produit durable et de haute qualité qui améliore l'expérience de l'utilisateur final.

Möve, une entreprise implantée de longue date en Thuringe (Allemagne), associe depuis 1897 une ingénierie de pointe à une qualité de fabrication exceptionnelle. Actuellement, la production est basée à Katharinenberg, en Thuringe. L'entreprise accorde la priorité au label "Made in Germany", en veillant à ce que ses produits soient fabriqués selon les normes les plus strictes, du début jusqu'au produit fini. Möve conçoit, développe et met au point des solutions innovantes par et pour les gens, afin de produire le vélo électrique parfait, adapté aux besoins de chacun. La reconnaissance du principe des quatre yeux garantit la qualité exceptionnelle de Möve conformément aux normes d'ingénierie.

Möve a reconnu les contraintes de l'industrie, telles que la majorité du travail manuel dans la construction de cadres conventionnels, les coûts d'outillage élevés pour les cadres de vélos et (e-)vélos standardisés, l'estimation incorrecte du volume annuel de cadres de vélos entraînant une réduction des ventes, et les cadres en fibres composites gaspillés.

L'objectif d'être aussi rentable qu'un cadre de vélo fabriqué en Asie, avec une technologie innovante qui ramène des emplois de fabrication en Europe centrale, combiné avec un objectif de performance d'un cadre en carbone, étaient certainement les principaux défis à relever. Au cours de la phase de développement, l'approvisionnement en tubes de titane de forme ovale et à faible tolérance s'est avéré être un problème majeur, tant sur le plan financier que sur le plan des délais. Pour recevoir les tubes hydroformés, il aurait fallu développer et produire les outils nécessaires, ce qui aurait pu mettre fin au projet avant qu'il ne prenne son envol.

Après avoir identifié les défis initiaux, la première conception de connecteurs fabriqués additivement entre les tubes a été créée. Tout en réduisant la quantité de matériau au minimum, Möve a trouvé en Eplus3D le meilleur partenaire, offrant les paramètres d'impression les plus avancés, le savoir-faire et l'assistance à la conception, ce qui a permis d'obtenir un prix raisonnable par pièce. À ce stade, l'ingénieur Tobias Spröte a perçu tout le potentiel et les avantages transformateurs de l'AM des métaux comme la prochaine étape dans la construction du premier cadre de vélo en titane imprimé en 3D au monde. En conséquence, et après un travail d'ingénierie combiné de toutes les parties, Möve a conclu que la technologie d'impression 3D Metal Powder Bed Fusion (MPBF™), combinée à l'utilisation d'un matériau Ti6Al4V à haute résistance, était la seule capable de répondre à leurs exigences de conception, de performance et de coût pour produire les cosses de la bicyclette.

Eplus3D a aidé Möve à se procurer des tubes en titane de haute qualité, qui ont également été entièrement fabriqués de manière additive par l'imprimante métal de grande taille EP-M650 d'Eplus3D en utilisant le matériau Ti6Al4V. Ces tubes seront remplacés en série par des tubes en titane hydroformés, ce qui a permis d'accélérer la réalisation du projet de 6 mois. En outre, les coûts d'outillage très onéreux et peu flexibles ont pu être réduits.

Parmi les nombreux fournisseurs, Eplus3D s'est distingué par son engagement à aller au-delà de la simple production et à adopter une approche réfléchie des défis qui se posent au stade de la post-production. L'équipe d'ingénieurs de Möve a travaillé avec Eplus3D pour développer des solutions innovantes, en reconnaissant la nécessité d'un retrait et d'un recyclage efficaces de la structure de support.

En collaboration avec Möve, ces questions ont été abordées afin d'améliorer leur production en série. En se concentrant sur la réduction des structures de support, les paramètres clés ont été optimisés afin d'équilibrer la vitesse d'impression et les propriétés souhaitées du produit. Cette approche stratégique a permis non seulement d'optimiser le processus de post-production, mais aussi de s'aligner sur les objectifs de qualité et d'efficacité de Möve. En outre, Möve a créé une chaîne de processus très réfléchie pour la fabrication de l'ensemble du vélo sur son site. Cela comprend le post-traitement des composants fabriqués de manière additive, comme le traitement de surface et l'usinage, ainsi que l'assemblage du vélo à l'aide d'une technologie de collage brevetée. Cela permet à l'utilisateur de recycler sa bicyclette et de la réparer de manière beaucoup plus économique que les autres bicyclettes en fibre de carbone.

Comme l'explique Enis Jost, directeur général adjoint d'Eplus3D Allemagne : "La structure des coûts est principalement déterminée par le temps de fonctionnement du système, la maturité des paramètres de traitement utilisés et la vitesse d'impression associée. Étant donné que seuls quelques grammes de matériau sont utilisés pour créer les cornes et que les machines d'Eplus3D offrent une productivité accrue, le coût de la matière première a moins d'impact dans ce cas. Toutefois, le coût de la poudre de titane AM est en baisse, ce qui contribue à créer une situation encore plus favorable. Dans le même temps, les processus d'Eplus3D deviennent de plus en plus productifs"

Ce projet est particulièrement bénéfique pour une production en série économiquement viable, réduisant les coûts initiaux associés aux cadres de bicyclettes et de vélos électriques standardisés à grand volume. Avec des paramètres d'épaisseur de couche plus élevés et de multiples options de configuration de la machine, Eplus3D fournit une solution optimisée qui peut répondre parfaitement aux besoins du client et peut donc réduire les coûts de fabrication des pièces, de stockage et même permettre la fabrication personnalisée de bicyclettes à la demande.

En analysant avec précision et en utilisant correctement des matériaux tels que l'alliage de titane (Ti6Al4V), Möve a pu maintenir des normes de performance élevées pendant la production, garantissant ainsi la stabilité, la fonctionnalité et la durabilité du résultat final. Ce matériau présente le rapport de performance le plus élevé et constitue donc le meilleur choix pour ce type d'application.

L'utilisation de la technologie Metal AM, associée à l'expertise technique des deux parties, a permis de créer des géométries complexes, facilitant ainsi la conception monocoque du cadre du vélo électrique de Möve Avian. Ce résultat a été obtenu sans compromettre l'intégration de la batterie, qui reste discrètement cachée dans le tube de titane inférieur, ce qui améliore à la fois le design et la fonctionnalité du vélo électrique. Le processus AM a également permis des conceptions itératives plus rapides d'une construction à l'autre, réduisant ainsi le temps de développement global et garantissant la création d'un vélo spécifique à l'utilisateur lorsque cela s'avère nécessaire.

Ces résultats ont été rendus possibles par le processus Ti6Al4V, actuellement disponible et hautement productif, qui est au moins deux fois plus rapide que celui de nos concurrents sur le marché. Par conséquent, Eplus3D est en mesure d'offrir une structure de coûts nettement plus attrayante aux clients qui recherchent notre soutien pour améliorer leurs capacités de prototypage d'une part, mais encore plus en passant à la production en série avec cette technologie.

Chaque étape de la production, de la conception et de l'ingénierie porte la marque d'excellence "Made in Germany". La délocalisation de la chaîne d'approvisionnement, selon les principes du "near-shoring", ouvre de nouvelles possibilités à l'industrie du vélo, qui peut ainsi mieux contrôler ses fournisseurs. Associée au niveau élevé d'automatisation, elle permet aux fabricants de produire localement, en grande quantité et donc de manière rentable.

L'entrée de Möve dans le domaine de la fabrication additive ne représente pas seulement un changement significatif dans la façon dont les cadres de vélo sont construits, mais montre également au reste de l'industrie le potentiel et les normes de haute qualité qu'il est possible d'atteindre avec cette technologie. Möve établit de nouvelles normes dans ce domaine, ouvre la voie à de futures innovations et s'impose comme leader dans ce domaine.

Cette transformation est clairement visible grâce aux efforts de collaboration et à l'expertise de Möve et d'Eplus3D. Ensemble, nous repoussons les limites de ce qui est possible en matière de conception et de fabrication de cadres de bicyclettes, démontrant ainsi notre engagement à remodeler le paysage de l'industrie. Comme l'explique Enis Jost, directeur général adjoint d'Eplus3D Allemagne : "Le potentiel de l'AM dans l'industrie du vélo pourra être pleinement exploité lorsque les fabricants traditionnels commenceront à concevoir des processus et à personnaliser les utilisateurs, comme c'est le cas pour d'autres appareils émotionnellement connectés, tels que les voitures et les motos. Les matériaux possibles sont des matériaux à haute performance tels que le Scalmalloy® ou le titane, mais aussi des alliages de fonderie classiques tels que l'AlSi10Mg ou même l'acier inoxydable." Ce procédé peut s'avérer particulièrement utile pour les composants de bicyclettes - leviers, pinces, dispositifs de changement de vitesse et pédales -, dont le nombre de pièces typiques s'élève actuellement à 10 000 par an.

Pour débloquer le marché potentiel du MPBF™, "l'équipe d'ingénieurs d'Eplus3D est prête à aider toute entreprise de mobilité à atteindre ses objectifs de performance et de coût avec le Metal AM en développant un processus de fabrication qui suit également le principe du near-shoring, soutient le grand besoin de produits personnalisés ou de production en interne", explique Enis Jost. En outre, un calcul des coûts standard et un examen de base de la conception sont effectués pour chaque client. Grâce à l'architecture entièrement ouverte du système, le client peut certainement développer sa propre propriété intellectuelle sur la base du processus fourni avec la machine installée, ce qui lui permet de renforcer son expertise dans le domaine et d'améliorer le processus.

Depuis la création de la première machine PBF en Chine en 1993, Eplus3D se consacre à la recherche et au développement de systèmes de fabrication additive de qualité industrielle et de technologies d'application utilisant les technologies d'impression 3D MPBF™ (Metal Powder Bed Fusion) et PPBF™ (Polymer Powder Bed Fusion). Eplus3D fournit des solutions d'application professionnelles pour les domaines de l'aérospatiale et de l'aviation, de l'énergie, du pétrole et du gaz, de l'automobile, de l'outillage, des soins de santé, des biens de consommation et de la fabrication de précision.

Eplus3D possède quatre installations à Beijing, Hangzhou, Stuttgart et Houston, avec un investissement annuel dans la recherche scientifique de plus de 20 % du chiffre d'affaires, avec des brevets d'invention complets, des brevets de modèles d'utilité, des droits d'auteur sur les logiciels ainsi que des brevets d'apparence. L'entreprise a réalisé de grandes avancées en matière de conception, de processus, de logiciels, de matériaux et de développement post-traitement pour la fabrication additive et a mis en œuvre avec succès des solutions de fabrication additive sur les sites de clients dans plus de 40 pays et régions tels que l'Europe, les Amériques, le Moyen-Orient, l'Asie de l'Est et l'Asie du Sud-Est.

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