Des casques de vélo sur mesure fabriqués par impression 3D
L’utilisation des jumeaux numériques dans les domaines de la conception des produits et de l’optimisation de la production et des performances permet de faire baisser les coûts de l’impression 3D industrielle. Ainsi, HEXR, EOS et Siemens ont développé conjointement une solution numérique de bout en bout pour l’impression 3D industrielle de casques de vélo sur mesure.
« Quand j’étais étudiant en génie mécanique à l’University College de Londres, j’ai réalisé que le domaine des casques de vélo n’avait fait l’objet d’aucune véritable innovation », raconte Jamie Cook, cofondateur et CEO du fabricant de casques de vélo HEXR. « C’est ainsi que j’ai eu l’idée de fabriquer des casques de vélo avec une imprimante 3D. »
Des données au millimètre près pour l’impression 3D
La forme de la tête présente des caractéristiques propres à chaque individu. Le cycliste n’échappe pas à cette règle. Alors pourquoi devraient-ils tous porter le même casque ? Au début, HEXR devait numériser la tête de chaque client avec des iPad dans des magasins spécialisés en vue de la production de casques sur mesure.
Chaque casque HEXR épouse parfaitement les formes de la tête du client grâce au modèle numérique réalisé sous la forme d’un nuage de points. Composé de 30 000 points de référence, ce modèle est généré en quelques secondes. L’entreprise utilise ensuite les données collectées pour fabriquer les casques par impression 3D (frittage sélectif par laser). Le casque est prêt à la livraison en cinq semaines.
Grâce à une nouvelle application pour iPhone, les clients n’ont désormais plus besoin de se déplacer pour l’étape de la numérisation. Chaque année, HEXR produit quelque 2 000 casques sur mesure par impression 3D. L’entreprise prévoit de porter progressivement la production annuelle à 50 000 unités. HEXR privilégie un mode de production de masse optimisé en coût et mise sur une stabilité élevée des processus mis en œuvre.
Nouvelle solution d’impression 3D industrielle
La solution de bout en bout développée conjointement par HEXR, EOS et Siemens fluidifie le nouveau processus de fabrication, offre une efficience et une rentabilité accrues, tout en maintenant le niveau de qualité du produit, ce qui permet à HEXR d’élargir sa clientèle.
Ce processus comprend la conception et la simulation d’un site de fabrication additive industrielle hautes performances pour la production en série. Pour déterminer le procédé de production optimal pour HEXR, Siemens a simulé le coût par pièce pour différents volumes et différentes configurations de production.
Une solution de bout en bout pour une production sur mesure
Pour industrialiser la conception du produit et la simulation, HEXR fait appel au système d’IAO Simcenter et au système de CAO Nx de la gamme Xcelerator de Siemens. Les développeurs soumettent les casques modélisés à des essais de choc et des essais d’aérodynamique dans l’environnement virtuel.
À partir des 30 000 points de référence du modèle numérique, établis lors de l’étape de numérisation via l’application HEXR, le fabricant conçoit un casque parfaitement adapté au client. Les données sont ensuite exportées automatiquement dans un format géométrique 3D pour l’impression.
Jumeau numérique de l’usine
Sur la base d’un jumeau numérique, Siemens conçoit avec des outils logiciels le site de production optimal dans l’environnement virtuel. L’expertise de Siemens permet même de calculer le prix du produit. Des solutions de supervision basées sur le cloud contribuent à accroître la stabilité des processus et à améliorer le taux de rendement global (TRG - OEE). Par ailleurs, des solutions d’automatisation permettent de réduire les cycles et les coûts de production.
L’usine virtuelle optimale peut ensuite être créée à l’aide du logiciel de conception et de simulation d’usine Tecnomatix Plant Simulation. Tecnomatix permet aux ingénieurs de simuler virtuellement un nombre illimité de scénarios de production. Le jumeau numérique de l’usine permet de déterminer la configuration de production idéale à partir de plus de 100 variantes de configuration.
Une visite de l’usine en réalité virtuelle
Grâce à la réalité virtuelle (VR), les ingénieurs d’études peuvent « visiter » un modèle numérique d’usine pour relever et corriger les éventuels défauts. La réalité virtuelle est également utilisée en aval pour donner aux opérateurs des vues détaillées des machines de production.
Une plateforme numérique pour gérer les commandes des clients
Les données issues de la numérisation de la tête du cycliste, qui ne requiert aucun déplacement de la part du client, doivent être transmises sous forme de commande au site de production. Cette étape s’effectue via le réseau basé sur le cloud AM Network. Les commandes sont téléchargées sur la plateforme, puis affectées directement à des sites de production et à des imprimantes spécifiques.
En assurant en continu des opérations de contrôle, d’analyse et d’optimisation, le système IoT ouvert basé sur le cloud MindSphere offre une vue transparente de l’ensemble du processus de production jusqu’au client final. La plateforme de développement low-code Mendix (développement logiciel simplifié) constitue quant à elle une solution facile d’accès pour la programmation de différentes applications pour un déploiement sur site ou sur le cloud.
Une gestion équilibrée du parc de machines
Avec le système de gestion du cycle de vie des produits (PLM) Teamcenter et la solution de gestion des opérations de production (MOM) Opcenter, les commandes peuvent être affectées à des machines spécifiques pour une gestion équilibrée du parc matériel et une optimisation du taux d’utilisation des machines.
Avec le nesting, une fonction de remplissage automatique du plateau d’impression, le système NX assure une meilleure imbrication des pièces et une utilisation optimale du volume de construction. Ainsi, le remplissage du plateau d’impression s’effectue de manière rapide et fiable, le volume d’impression est optimisé et la distance minimale entre les pièces est respectée.
NX permet également de comparer différentes options de conception : par exemple, l’impression du casque entier et l’impression segmentée. Cette fonction permet à HEXR de déterminer le nombre de pièces pouvant être produites en une impression, ce qui joue un rôle déterminant dans le coût par pièce.
Imprimantes 3D avec frittage sélectif par laser
Les casques sont fabriqués sur des imprimantes EOS P 500 3D pilotées par des automates Simatic S7-1500. Ils sont réalisés couche par couche en Polyamide 11, un dérivé végétal d’huile de ricin, au moyen d’un procédé de fabrication additive appelé frittage sélectif par laser.
Ce processus de fabrication est doublement respectueux de l’environnement. D’une part, le surplus de poudre d’impression peut être réutilisé ultérieurement. D’autre part, l’impression 3D sur mesure a pour avantage de ne générer aucun stock de produits potentiellement invendus. En outre, HEXR emploie des matériaux durables pour le conditionnement et l’emballage de transport de ses produits.
De la numérisation à la production industrielle
La production de casques de vélo sur mesure par impression 3D constitue un exemple d’intégration harmonieuse des procédés de fabrication additive industrielle à la chaîne de création de valeur : numérisation de la tête, production industrielle des casques, essais de choc virtuels. Avec cette solution de bout en bout, les fabricants bénéficient d’un processus de production de masse sur mesure, optimisé en coûts et en ressources, applicable à de nombreux produits, notamment aux produits qui doivent correspondre parfaitement à la morphologie de l’utilisateur.
Les résultats du projet parlent d’eux-mêmes. Selon les scénarios de conception et d’automatisation, la simulation anticipe une réduction du coût par pièce de l’ordre de 80 %, dont près de 15 % imputables à l’optimisation de l’automatisation des processus. Par ailleurs, de nouvelles stratégies d’optimisation sont déjà à l’étude.
Des casques pour tous les sports
Quel sera le prochain projet de Jamie Cook ? Son entreprise n’entend pas se cantonner aux casques de vélos produits par impression 3D. HEXR souhaite également produire des casques sur mesure pour les vététistes, les canoéistes, les skieurs et même les pilotes automobiles. En outre, HEXR conserve les modèles virtuels de ses clients, ce qui leur permet de commander des casques supplémentaires sans avoir à passer à nouveau par l’étape de la numérisation.
EOS est le leader mondial des technologies et solutions d’impression 3D industrielle avec des matériaux plastiques et des poudres métalliques. Créée en 1989, cette entreprise indépendante fait œuvre de pionnier par sa capacité d’innovation en matière de solutions intégrées de fabrication additive. Le siège de l’entreprise est à Krailling, près de Munich, en Allemagne.
HEXR a été créé par plusieurs ingénieurs, dont Jamie Cook, frustrés de constater l’absence d’innovation significative dans le domaine des casques de vélo depuis plus de 30 ans. Les travaux de recherche et de développement ont été menés à l’Université d’Oxford en partenariat avec le spécialiste en aérodynamique British Cycling. Le siège de la société est à Londres, au Royaume-Uni.
Les casques HEXR bénéficient d’une structure alvéolaire (nid d’abeilles) offrant des propriétés d’absorption des chocs nettement supérieures aux structures en mousse. Chaque casque est conçu pour épouser précisément la forme de la tête du cycliste et est fabriqué par impression 3D à partir de données précises, au millimètre près. Les casques ainsi créés offrent une protection optimale pour les zones les plus fragiles de la tête. Par ailleurs, grâce à sa structure, le casque est si léger que « son porteur le remarque à peine », selon le site Internet de HEXR, qui décrit en ces termes le produit innovant de l’entreprise : le premier casque de vélo sur mesure au monde.
« Les casques conventionnels dotés d’une structure en mousse n’absorbent qu’environ 30 % de l’énergie des chocs », explique Jamie Cook, « Ils sont conçus pour des surfaces planes et ne tiennent pas compte des courbes naturelles de la tête. C’est à partir de ce constat que nous sommes parvenus au concept d’une structure incurvée alvéolaire fabriquée par impression 3 D. » Jamie Cook et son équipe ont par la suite développé un casque imprimé en 3D pouvant absorber deux fois plus d’énergie qu’un casque conventionnel avec une structure en mousse.
November 2020
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