L'application en vedette :l'impression 3D dans l'industrie ferroviaire 

Au cours des 12 derniers mois, de nombreuses compagnies ferroviaires, dont Deutsche Bahn, Bombardier et Angel Trains, ont investi dans l'impression 3D ou ont augmenté leurs capacités d'impression 3D.

16% des entreprises du secteur de la logistique et du transport utilisent désormais l'impression 3D pour fabriquer des pièces détachées, selon un récent rapport d'EY.

Qu'est-ce qui motive cette adoption ?

Dans la rubrique Application Spotlight de cette semaine, nous examinerons les moteurs de l'adoption croissante de la fabrication additive (AM) dans l'industrie ferroviaire, tout en explorant les cas d'utilisation les plus intéressants.

Regardez les autres applications couvertes dans cette série :

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Impression 3D pour roulements

Impression 3D pour la fabrication de vélos

Impression 3D pour la dentisterie numérique et la fabrication d'aligneurs transparents

Impression 3D pour implants médicaux

Les fusées imprimées en 3D et l'avenir de la fabrication d'engins spatiaux

Impression 3D pour la fabrication de chaussures

Impression 3D pour composants électroniques

Lunettes imprimées en 3D

Impression 3D pour la production de pièces finies

Impression 3D pour supports

Impression 3D pour pièces de turbine

Comment l'impression 3D permet des composants hydrauliques plus performants

Comment l'impression 3D soutient l'innovation dans l'industrie de l'énergie nucléaire

Pourquoi les compagnies ferroviaires adoptent-elles l'impression 3D industrielle ?

Construire un train n'est pas une mince affaire, car il nécessite des composants de haute qualité pour maintenir le train sur la voie, généralement pendant des décennies.

Mais que se passe-t-il lorsque certains composants cassent ? Il peut être relativement facile de trouver des pièces de rechange pour des pièces récemment fabriquées, cependant, lorsqu'il s'agit de composants créés il y a 20 à 30 ans, le processus devient compliqué.

Dans de nombreux cas, les entreprises ferroviaires sont confrontées à la situation lorsque la production des pièces de rechange dont elles ont besoin a cessé ou que les fabricants ne sont plus en activité. Compte tenu du petit nombre de pièces de rechange nécessaires, concevoir à nouveau la pièce et la fabriquer, en utilisant des méthodes traditionnelles adaptées à une production en grand volume, n'a souvent aucun sens économique.

Le coût d'arrêt par jour pour un train est de également assez élevé, poussant les entreprises ferroviaires à rechercher de nouvelles façons de produire des pièces de rechange obsolètes de manière plus rapide et moins chère.

L'impression 3D est en train de devenir l'une des technologies pouvant résoudre ces problèmes. Il s'agit d'une technologie de fabrication numérique, ce qui signifie qu'elle repose sur des flux de travail numériques et ne nécessite pas d'outils supplémentaires, tels que des moules, pour créer une pièce.

La production sans outil, offerte par l'impression 3D, peut réduire considérablement le temps de fabrication des pièces de rechange obsolètes, dans certains cas jusqu'à 95 %. Le processus est également fréquemment couplé à une ingénierie inverse, en particulier lorsque la conception originale d'une pièce a été perdue.

De cette manière, les entreprises ferroviaires peuvent accélérer le processus de maintenance des trains, en remettant les trains en service plus efficacement qu'auparavant.

Les premiers utilisateurs de l'impression 3D dans l'industrie ferroviaire , comme la Deutsche Bahn, ont identifié plusieurs pièces pouvant être imprimées en 3D en remplacement. Parmi eux, des pièces de machines à café, des patères, des couvre-volants, des cadres d'appui-tête et même des panneaux de signalisation en braille pour les voyageurs aveugles. Cependant, la liste des pièces pouvant être imprimées en 3D pour l'industrie ferroviaire ne cesse de s'allonger.

Un autre moteur pour l'adoption de l'impression 3D dans l'industrie ferroviaire est la capacité de produire des aides à la fabrication comme des gabarits et des fixations, plus rapidement et à la demande. Bien qu'il s'agisse d'un cas d'utilisation moins médiatisé, les outils imprimés en 3D sont généralement plus légers que leurs homologues traditionnels et peuvent être conçus de manière ergonomique, offrant une plus grande facilité d'utilisation pour les travailleurs.

Technologies d'impression 3D utilisées pour les pièces ferroviaires

La plupart des pièces de rechange et des outils imprimés en 3D pour l'industrie ferroviaire sont fabriqués à l'aide de technologies d'additifs polymères, telles que la fabrication de filaments fondus (FFF) et le frittage sélectif au laser (SLS). Les technologies sont optimisées pour fonctionner avec des thermoplastiques hautes performances, comme le nylon et l'ULTEM.

Pour être utilisés pour les composants des trains, ces matériaux doivent être conformes aux normes de sécurité incendie de l'industrie. Plusieurs entreprises proposent des thermoplastiques ignifuges. Stratasys, par exemple, a développé un matériau conforme à la norme ferroviaire EN45545-2 pour la sécurité incendie.

Markforged, un développeur d'imprimantes 3D composites, a également récemment introduit un matériau composite ignifuge à base de nylon. Le matériau vise à élargir la gamme d'applications d'impression 3D dans l'industrie ferroviaire, en plus des industries de l'aérospatiale, de l'automobile et de la défense.

Alors que la majorité des pièces imprimées en 3D pour l'industrie ferroviaire sont en polymère, l'impression 3D métal gagne également du terrain. Des technologies telles que la fusion sélective au laser (SLM) et le jet de liant métallique sont le plus souvent adoptées pour fabriquer des pièces avec des métaux comme l'aluminium, l'acier et, plus récemment, le titane.

Applications d'impression 3D dans l'industrie ferroviaire

La Deutsche Bahn imprime en 3D une pièce de rechange en métal

La compagnie ferroviaire allemande, Deutsche Bahn, a été l'une des pionnières dans l'adoption de l'impression 3D pour les pièces détachées. Au cours des dernières années, la Deutsche Bahn a identifié les possibilités d'utilisation de la FA pour plus de 100 cas d'utilisation. La plupart des pièces sont liées à la disponibilité, ce qui signifie qu'elles peuvent être difficiles à se procurer, ce qui entraîne un temps d'arrêt du véhicule d'un mois.

Un exemple d'une telle pièce, implique un couvercle de roulement d'essieu pour une locomotive de classe 294. Ce modèle a été mis en service dans les années 1960 et 1970, et il manque des pièces de rechange pour certains composants, comme ce capot.

Traditionnellement, la Deutsche Bahn devait faire produire une nouvelle pièce, en utilisant un procédé de moulage. Cependant, cette méthode implique généralement des quantités minimales d'achat élevées et la livraison des pièces peut prendre plusieurs mois.

AM est apparue comme une alternative naturelle, car elle était capable de créer cette pièce plus rapidement et à la demande. L'entreprise s'est tournée vers un bureau de service, qui a imprimé en 3D un couvercle de roulement à l'aide de la technologie de fabrication additive Wire Arc (WAAM). Le procédé WAAM utilise le fil comme matière première. Le fil est acheminé à travers une buse et soudé, couche par couche, dans la pièce finale.

La pièce, qui pèse 13 kg, a été imprimée en seulement 7 heures, offrant à la Deutsche Bahn des avantages tels qu'une pièce accrue disponibilité et des coûts de fabrication considérablement réduits.

Siemens Mobility :outillage imprimé en 3D

Siemens Mobility, société spécialisée dans les systèmes de circulation intelligents et la technologie ferroviaire, a adopté l'impression 3D dans son RRX Rail Service Center pour produire des outillages complexes, en plus des pièces détachées.

Par exemple, le nouveau dépôt de maintenance a imprimé en 3D un outil de connexion essentiel utilisé dans la maintenance des bogies de train (le bogie est le châssis ou la structure qui supporte l'essieu de l'essieu). Il est assez difficile à réaliser en utilisant des méthodes conventionnelles, car l'outil a une forme complexe qui nécessite un haut degré de personnalisation.

Par ailleurs, les bogies pèsent plusieurs tonnes, ce qui signifie qu'ils doivent être réalisés avec des matériaux robustes et durables pouvant résister aux contraintes importantes exercées lors du déplacement du train.

Comme alternative, l'équipe du centre a utilisé la technologie FDM de Stratasys et un ULTEM 9085 de qualité industrielle. L'impression 3D a permis à Siemens Mobility de tirer parti des avantages de personnalisation de l'impression 3D et de remplacer les méthodes de fabrication traditionnelles pour cela application d'outillage.

La société rapporte également que l'outillage imprimé en 3D l'a aidé à réduire sa dépendance vis-à-vis des outils d'externalisation via les fournisseurs et à réduire le coût par pièce.

Exploration de l'impression 3D par Angel Trains 

La société de location de matériel roulant, Angel Trains, s'est récemment associée à Stratasys, cherchant à imprimer en 3D des composants intérieurs de train, tels que des accoudoirs, des poignées de maintien et des tables de dossier.

Les composants choisis sont actuellement testés sur des trains de voyageurs en service. Jusqu'à présent, le procès a été positif. Par exemple, la production de l'accoudoir imprimé en 3D n'a pris qu'une semaine - une diminution de 94 % par rapport à l'utilisation de méthodes de fabrication conventionnelles

La société utilise la technologie Stratasys FDM, en combinaison avec l'ULTEM 9085 à haute température. thermoplastique, pour imprimer en 3D des pièces détachées à la demande. Le filament utilisé serait compatible avec les normes de l'industrie ferroviaire (la norme ferroviaire EN45545-2, en particulier) et aurait une résistance au feu et une durabilité supérieures à celles des thermoplastiques traditionnels.

Dans un autre cas, l'impression 3D a aidé Angel Trains pour produire des remplacements de poignées de maintien. Les pièces de rechange d'origine étaient obsolètes et le fournisseur avait cessé ses activités. La création d'une pièce de rechange, en utilisant une méthode traditionnelle, aurait nécessité la production d'un nouvel outil de fabrication, ce qui pourrait entraîner des coûts allant jusqu'à 15 000 £ et des délais de deux mois et demi.

Cependant, l'utilisation de l'impression 3D FDM a permis à l'entreprise de produire les sept poignées nécessaires aux trains, en seulement trois semaines et à un coût nettement inférieur.

De manière passionnante, Angel Trains explore également de nouvelles possibilités de personnalisation avec l'impression 3D. Par exemple, l'entreprise étudie la possibilité d'imprimer en 3D des tables de dossier de siège en braille, informant le passager que les toilettes sont à dix rangées de leur siège.

En cas de succès, de telles applications pourraient améliorer considérablement la desserte des trains et l'expérience des passagers à l'avenir.

Les réalisations de CAF en impression 3D 

CAF, constructeur espagnol de véhicules ferroviaires, d'équipements et de bus, a également réussi à utiliser l'impression 3D pour la production de pièces détachées et de composants fonctionnels. Depuis septembre 2016, CAF aurait produit environ 2 400 pièces imprimées en 3D destinées à être utilisées dans son matériel roulant, notamment des porte-gobelets, des supports radio, des cadres de fenêtre, des couvre-essuie-glaces et des supports de porte.

La société utilise également l'impression 3D à grande échelle pour produire des pièces externes mesurant jusqu'à plusieurs mètres. Parmi ces pièces se trouve un composant frontal, imprimé en 3D pour un tramway Urbos. Vraisemblablement, la pièce a été imprimée en 3D à l'aide d'une imprimante 3D Super Discovery FFF, développée par le fabricant espagnol CNC Bárcenas.

CAF cite la capacité de produire des pièces, avec différentes dimensions et géométries complexes, comme un avantage clé des technologies d'impression 3D. L'entreprise affirme que cela les aide à rompre la dépendance vis-à-vis des moules et des modèles d'origine lors de la production de composants, réduisant ainsi le délai de mise sur le marché d'une nouvelle pièce.

Autres exemples

Le nombre d'entreprises ferroviaires qui commencent à explorer l'impression 3D augmente.

Par exemple, Bombardier s'apprête à installer une imprimante 3D Stratasys pour accélérer et personnaliser la production de pièces ferroviaires. Le fabricant prévoit d'utiliser la technologie pour imprimer en 3D des pièces intérieures et extérieures de train, telles que des conduits d'air, des boîtiers et des supports de câbles.

Wabtec Corporation, un fabricant mondial pour les industries du rail et du transport en commun, a également sauté dans le train de l'impression 3D. Cet été, la société a investi dans la technologie de jet de liant H2 de GE Additive. Wabtec a déjà identifié des cas d'utilisation pour pas moins de 250 composants dans ses gammes de produits, qui peuvent être fabriqués avec AM.

Impression 3D dans l'industrie ferroviaire :un impact transformateur 

Les avantages de l'utilisation de l'impression 3D dans l'industrie ferroviaire deviennent de plus en plus évidents. Les entreprises du secteur sont impatientes de mettre en œuvre la technologie, de résoudre les problèmes liés aux pièces de rechange obsolètes et aux longs délais de livraison pour l'outillage et les composants d'utilisation finale.

Cependant, les exemples ci-dessus montrent que pour la plupart des entreprises, le parcours de l'impression 3D ne fait que commencer. Il leur faudra à la fois du temps et de l'argent pour comprendre comment utiliser la technologie à son plein potentiel. Mais la récompense qui attend à la fin du voyage promet d'avoir un impact positif et transformateur sur les chaînes d'approvisionnement et les opérations de service du chemin de fer.