Comment Ford Motor Company innove l'impression 3D pour l'industrie automobile :entretien d'expert avec Harold Sears

À quoi ressemble l'avenir de la production automobile ? Ford Motor Company a peut-être la réponse.

À l'été 2018, le constructeur automobile a ouvert son Advanced Manufacturing Center dans le Michigan. L'installation de 135 000 pieds carrés, d'une valeur estimée à 45 millions de dollars, rassemble un éventail de technologies, notamment des robots collaboratifs, la réalité virtuelle et la réalité augmentée.

L'impression 3D sera également au cœur de l'installation. Sans surprise, étant donné que Ford a été l'un des premiers champions de l'impression 3D — ayant acheté la troisième imprimante 3D jamais fabriquée en 1988.

Aujourd'hui, l'entreprise utilise désormais largement l'impression 3D dans le cadre de son développement de produits et explore moyens d'intégrer la technologie dans ses lignes de production. L'Advanced Manufacturing Center jouera un rôle clé, abritant déjà 23 imprimantes 3D industrielles.

Avec 25 ans d'expérience dans l'industrie, Harold Sears est le leader technique des technologies de fabrication additive chez Ford. Nous avons récemment discuté avec Sears pour en savoir plus sur la façon dont l'entreprise innove en matière d'impression 3D pour l'industrie automobile.

Avec une telle carrière dans la fabrication additive, comment avez-vous vu l'industrie et les technologies évoluer au fil des ans ?

Au début, la fabrication additive était simplement considérée comme un moyen de produire des modèles conceptuels que les gens pouvaient regarder. C'était à peu près tout.

À partir de là, il a évolué pour offrir des matériaux plus durables où des prototypes fonctionnels pouvaient être fabriqués et testés.

Depuis lors, la technologie connue pendant de nombreuses années sous le nom de prototypage rapide a maintenant évolué vers ce que nous appelons la fabrication additive, où les technologies d'impression 3D sont utilisées pour bien plus que du prototypage.

Au fur et à mesure que les matériaux et les processus ont progressé et se sont développés, la fabrication additive devient désormais un outil d'aide aux applications de production et de soutien à la production grand public. Nous commençons également à voir quelques-uns des premiers exemples de pièces produites pour être montées sur des véhicules grand public, alors maintenant, des pièces de production sortent de ces systèmes AM.

L'industrie a fait beaucoup de progrès depuis ses débuts. Je dirais même que les cinq dernières années de développement technologique se sont accélérées beaucoup plus que les 10 à 15 premières années. La FA est devenue beaucoup plus fonctionnelle et fait davantage partie des processus d'ingénierie et de fabrication quotidiens.

Ford Motor Company a été l'un des premiers à adopter la fabrication additive. Comment l'entreprise utilise-t-elle la FA aujourd'hui ? Quelle valeur la technologie apporte-t-elle ?

La fabrication additive s'est définitivement imposée comme un élément clé de notre cycle de développement de produits, soutenant la production de pièces prototypes et les exercices de développement autour de l'ingénierie produit.

Alors que nous continuons à soutenir le développement de produits et le prototypage — nous produisons littéralement des dizaines de milliers de pièces par an — plus récemment, nous avons examiné comment la technologie peut être utilisée pour prendre en charge la environnement de fabrication.

Nous sommes ravis d'explorer les façons dont l'impression 3D peut avoir un impact sur les opérations de fabrication. Nos activités se concentrent principalement sur deux domaines clés :l'un consiste à soutenir les processus de production actuels avec des outils, des gabarits et des montages plus efficaces et à utiliser réellement ces processus dans l'espace de fabrication.

De plus, nous souhaitons pousser l'industrie de l'impression 3D à reconnaître beaucoup plus l'automobile en développant des produits plus spécifiques à nos besoins.

Dans l'ensemble, une grande partie de ce que nous voyons dans le monde additif aujourd'hui est motivée par les industries aérospatiale et médicale. Leurs besoins sont très différents de ceux de l'automobile, nous espérons donc mener l'industrie dans une direction qui a également plus de sens pour l'automobile.

Cela signifie exiger davantage de mises à niveau pour les matériaux, créer des enveloppes de construction pour les machines qui correspondent aux types de pièces que nous souhaitons fabriquer et améliorer considérablement la vitesse du processus.

Pourriez-vous nous en dire plus sur les besoins spécifiques de l'industrie automobile ?

Un exemple est d'avoir des matériaux plus centrés sur l'automobile.

Par exemple, de nombreux procédés d'impression 3D utilisent des matériaux durcissables aux UV, et l'exposition aux UV dans l'automobile est un problème sérieux à considérer. Il est difficile de prendre un matériau qui durcit sous la lumière UV et de le mettre dans une automobile où il sera exposé à une lumière UV presque constante.

Existe-t-il donc un moyen de contrôler cette exposition ou de la désactiver après un certain point ? En fin de compte, pour les applications automobiles au moins, la capacité de résister aux rigueurs de l'exposition quotidienne aux UV est vitale.

Les variations de température sont une autre chose. Les matériaux peuvent être très susceptibles de se décomposer lorsqu'ils sont continuellement exposés à de grandes variations de température, ce qui est très typique des applications automobiles.

Nous avons un ensemble de matériaux qui sont assez bien acceptés aujourd'hui dans l'espace automobile. Ce que nous aimerions vraiment voir, c'est que l'industrie commence à adapter certains de ces matériaux. Cela rendrait nos tests et validations, ainsi que notre utilisation de l'application, beaucoup plus adaptés à l'impression 3D.

Le deuxième élément est la taille de l'enveloppe de construction des systèmes.

Tout véhicule est composé de nombreux petits composants qui s'intègrent bien dans les enveloppes de construction des machines d'aujourd'hui. Mais il y a aussi beaucoup de composants plus gros qui ne conviennent pas tout à fait aujourd'hui. Nous aimerions donc vraiment que les fabricants envisagent d'autres systèmes dotés d'enveloppes de construction plus grandes.

La dernière partie est le débit ou la vitesse des machines.

Nos volumes de production sont très différents des volumes de l'aéronautique ou du médical. Nous devons donc examiner des systèmes capables de produire des pièces en quelques minutes ou secondes plutôt qu'en jours et en heures. Tout ce que nous pouvons faire pour pousser la technologie à des vitesses de construction plus rapides est certainement ce qui nous aidera également.

Avez-vous une idée du temps qu'il faudra pour traiter ces sujets de préoccupation pour l'industrie automobile ? À quelle distance sommes-nous, par exemple, de la production à grande échelle de composants automobiles ?

Si vous aviez posé des questions sur la capacité de production en volume des machines de FA il y a cinq ans, la réponse aurait pu être plusieurs centaines ou peut-être quelques milliers de pièces.

Mais si vous avez la même conversation avec à peu près n'importe qui dans l'industrie aujourd'hui, la réponse sera beaucoup plus élevée - dans les dizaines de milliers de pièces.

Je soupçonne qu'à mesure que la technologie se développe, d'ici trois à cinq ans, la réponse sera plus proche de quatre cent ou cinq cent mille volumes partiels.

Bien que je ne puisse pas donner de chiffres précis sur tout ce sur quoi nous travaillons, ce sont des sentiments généralement acceptés dans l'industrie en ce moment en ce qui concerne la croissance de la technologie et de la capacité de volume.

Quelles ont été certaines des réussites de l'impression 3D pendant votre séjour chez Ford ?

Nous continuons à soutenir le développement de produits avec des prototypes. Cela a impliqué la production de centaines de milliers de pièces pour aider au développement de produits et accélérer les tests et le développement.

Lorsque vous regardez cet espace seul, il y a eu d'énormes avantages pour l'entreprise. Par exemple, un composant passera par plusieurs itérations dans la phase de développement et d'ingénierie.

Traditionnellement, un ingénieur aurait conçu un composant, envoyé cette conception, fait fabriquer un outil et faire fabriquer des pièces à l'aide du outil de test. Sur la base de ces résultats, la conception ou l'outil serait modifié ou un tout nouvel outil fabriqué à un coût très élevé. Ce long processus serait répété maintes et maintes fois.

Mais aujourd'hui, cela fait pratiquement partie du processus de développement de produits.

Un ingénieur peut désormais envoyer plusieurs conceptions d'un même composant à un atelier d'impression 3D à la fois. Cela signifie qu'ils peuvent être produits en même temps et remis à l'ingénieur en même temps. L'ingénieur peut alors partir et faire des tests parallèles sur eux.

Donc, en fin de compte, ce que nous voyons est un processus itéré très rapidement, où vous pouvez passer de sept conceptions à trois, jusqu'à une grâce à un processus très rapide.

Cela en soi offre d'énormes gains d'efficacité, à la fois grâce aux économies de coûts réalisées en n'ayant pas à faire plusieurs itérations d'un outil, ainsi qu'aux gains de temps significatifs que nous constatons lors de la mise sur le marché d'un produit.

Ensuite, alors que nous commençons à appliquer ces technologies dans l'environnement de fabrication, nous constatons également de grandes efficacités ici aussi.

Par exemple, aider les gens à faire leur travail en fabriquant des outils plus ergonomiques pour les opérateurs. Il s'agit peut-être d'un avantage modéré, mais qui est certainement utile si les opérateurs sont plus heureux et plus à l'aise dans leur travail. Ils feront également un meilleur travail, ce qui ne fait qu'améliorer la qualité.

Nous travaillons également sur quelques applications auxquelles nous avons fait allusion mais sur lesquelles nous n'avons pas donné beaucoup de détails. L'une est une application dans notre environnement de fabrication qui nous permettra d'économiser plus de 2 millions de dollars.

En ce qui concerne l'intégration de la FA dans l'environnement de fabrication, nous préparons vraiment le terrain pour pouvoir faire des choses importantes avec la technologie pour nous aider dans nos processus.

Comment voyez-vous l'évolution de la FA au cours des 5 prochaines années ?

Il y a un an, j'aurais dit que la fabrication additive métallique attirerait beaucoup d'attention, ce qui est toujours le cas. Cependant, des avancées technologiques importantes sont également en cours du côté des polymères ou des plastiques. Je pense que les deux technologies évolueront ensemble.

De plus, l'une des choses importantes pour la technologie est de comprendre ce qu'elle ne peut pas faire aussi bien. Je ne ferai jamais la promotion de la FA comme une technologie universelle qui peut tout faire parce que ce n'est pas le cas.

Ainsi, l'industrie reconnaît ce que la fabrication additive ne peut pas faire aussi bien que le fait qu'elle peut faire beaucoup plus que ce que la plupart des gens l'utilisent aujourd'hui.

Chez Ford, notre objectif est d'essayer d'explorer quelles sont ses capacités actuelles et d'en récolter certains des avantages à mesure que nous grandissons avec la technologie et aidons à la diriger là où nous voulons aller dans le futur.

Quels autres facteurs devons-nous garder à l'esprit ?

Je pense que nous avons largement parlé d'impression additive et 3D en ce qui concerne la technologie et les machines. Mais il y a deux facteurs supplémentaires à cela :le logiciel et la formation.

Pour que tous ces éléments s'emboîtent, des entreprises comme Ford et d'autres concentreront leurs efforts sur la formation des employés à l'utilisation des méthodologies de conception pour la fabrication additive (DfAM) — une façon différente de penser votre approche de conception.

En gros, nous sommes formés par des écoles d'ingénieurs pour réfléchir aux conceptions qui peuvent être réalisées avec des procédés conventionnels. DfAM va demander aux gens de commencer à penser différemment à ce qu'ils font et à la façon dont ils abordent leurs conceptions.

Les logiciels en seront une grande partie. Les outils tels que les logiciels d'optimisation de la topologie ont toujours été très difficiles à utiliser, la question est donc de savoir comment vont-ils évoluer pour devenir des produits plus simples à utiliser à l'avenir.

Les logiciels de conception générative reçoivent beaucoup d'attention dans le l'industrie en ce moment aussi. Mais comment pouvons-nous tirer parti de la capacité d'un logiciel de conception générative pour, au moins, générer au moins un concept initial qu'un ingénieur peut commencer à en faire une réalité ? Ces questions et bien d'autres devront être traitées à l'avenir.

Donc, lorsque vous examinez la formation, l'évolution du logiciel et du matériel, ces trois éléments doivent tous être étroitement liés pour tirer pleinement parti de ces technologies.

Ford a récemment ouvert son centre de fabrication avancée. Pouvez-vous nous donner un aperçu de la vision qui se cache derrière l'installation et de ce que Ford espère réaliser ?

En ce qui concerne la partie additive de l'installation, nous nous concentrons sur bon nombre des choses que j'ai mentionnées. Il s'agit vraiment de pousser la technologie, de s'engager avec les vendeurs et les fournisseurs - et de les emmener dans ce voyage avec nous.

Par exemple, nous avons récemment eu quelques-uns de nos fournisseurs de niveau 1 et nous avons discuté de l'avenir de la technologie et de ce que nous prévoyons de faire.

Ainsi, l'installation est un lieu où nous pouvons rassembler un grand nombre de ces interactions :nous pouvons travailler avec des fournisseurs d'impression 3D sur de nouveaux procédés, équipements et matériaux.

Nous disposons d'une surface au sol modulable nous permettant de faire venir une machine en consignation pendant 6 mois ou un an. Nous pouvons le configurer et l'exécuter et fournir des commentaires directs sur l'utilisation de la technologie par les applications. Nous pouvons le faire pour soutenir le développement de matériaux, le développement de processus ou même une toute nouvelle technologie.

Et en même temps, nous l'avons vraiment ouvert pour devenir un espace collaboratif. Si nous avons un fournisseur dont nous avons besoin pour s'impliquer dans ces technologies et qu'il n'est pas encore là, nous sommes prêts à le faire venir dans cet espace et à lui dire :« Voici les machines, allons-y et commençons à construire des pièces qui sont plus applicables à votre entreprise et à ce que nous avons besoin que vous fassiez avec la technologie. »

Quelle est la prochaine étape pour Ford en 2019 ?

Nous avons fait un investissement important dans cette installation et vous nous verrez commencer à profiter de cet investissement.

Vous verrez plus d'annonces à l'avenir sur les produits qui vont être imprimés en 3D pour les véhicules de production et plus d'annonces sur les applications, comment nous les utilisons dans l'espace de fabrication pour améliorer notre efficacité, aider à accélérer nos cycles de développement de produits, à améliorer la qualité et à lancer de nouveaux produits.

La fabrication additive va continuer à être de plus en plus ancrée dans le quotidien de notre entreprise. Au lieu d'être une exception à la norme, cela sera beaucoup plus accepté comme tel.