Quatre avantages clés de l'allègement pour l'efficacité énergétique

Alors que les préoccupations environnementales deviennent de plus en plus importantes pour les consommateurs, de nombreux secteurs du marché se tournent vers une plus grande conscience énergétique et durabilité. Si des solutions comme les énergies renouvelables, véhicules électriques et matériaux durables reçoivent une attention médiatique significative, des pratiques comme l'allègement, bien que moins spectaculaires, jouent un rôle clé dans le virage du marché vers une plus grande efficacité énergétique.

Le terme « allègement » peut désigner le remplacement de matériaux traditionnels par des matériaux plus légers, la réduction de la quantité réelle de matériau utilisée, et/ou l'optimisation du design d'une pièce ou système pour une combinaison de ces pratiques. L'allègement peut permettre aux équipes produit de réduire le poids et le matériau requis pour une pièce — ou un système entier, comme une automobile — tout en maintenant les exigences fonctionnelles clés. Cela peut créer d'importantes économies pour fabricants et consommateurs, tout en améliorant souvent l'efficacité énergétique et même la fonctionnalité du produit final.

Les industries automobile et aérospatiale utilisent l'allègement depuis des décennies pour réduire la masse des véhicules et améliorer l'efficacité énergétique sans sacrifier fonction critique ou sécurité. La section transversale d'une poutre en I, souvent utilisée dans la construction, est un autre exemple d'allègement en action. Sa forme offre une résistance maximale à la flexion et à la torsion tout en minimisant le matériau nécessaire.

En intégrant des techniques d'allègement dans les processus et méthodologies de design existants, les équipes produit peuvent voir des bénéfices tangibles dans une large gamme d'applications. Voici quelques-uns des avantages clés :

1. Économies de matériau et empreinte environnementale réduite

Les pièces allégées ont généralement des coûts matériau inférieurs à leurs homologues non allégés et peuvent nécessiter moins d'énergie à fabriquer. Réduire la consommation de matériau apporte aussi des bénéfices environnementaux, car le domaine de la fabrication additive n'est pas encore entièrement recyclable (bien que certains matériaux puissent être réutilisés). Le design génératif et l'optimisation topologique offrent diverses façons d'atteindre l'allègement par fabrication additive et permettent la conception de pièces quasi-optimales utilisant le minimum de matériau requis.

2. Plus grande efficacité énergétique (carburant)

Si les pièces plus légères sont souvent souhaitables en ingénierie, elles sont particulièrement précieuses dans l'automobile, où une réduction de 10 % du poids peut engendrer un gain de 6-8 % en efficacité énergétique.

Les fabricants aérospatiaux en bénéficient aussi ; des recherches montrent que l'allègement de wagons ferroviaires procure plus d'économies d'énergie qu'avec les voitures, et les avions peuvent bénéficier de l'allègement jusqu'à 100 fois plus que les wagons. De plus, utiliser intelligemment moins de matériau permet aux équipes d'augmenter le rapport résistance/poids des pièces, crucial pour l'aéronautique.

3. Options de matériaux élargies

Dans de nombreux cas, la densité et le poids d'un matériau par ailleurs souhaitable limitent les choix des équipes produit. Cependant, un allègement intelligent par une méthode comme le treillis peut étendre les capacités de matériaux qui ne conviendraient pas autrement. Le résultat peut être une densité effective de pièce plus faible et même des propriétés mécaniques de masse modifiées. Cela permet aux équipes d'exploiter des matériaux aux propriétés chimiques, thermiques, esthétiques et mécaniques désirables.

4. Performance améliorée

Associer l'allègement à des choix de design stratégiques peut aider à améliorer la performance des pièces. Par exemple, utiliser des structures en treillis pour l'allègement apporte le double avantage de réduire le poids et d'introduire la capacité d'améliorer et d'ajuster le comportement d'absorption des chocs.

Principales considérations pour l'allègement

Lors de l'allègement, la chose principale à garder à l'esprit est que les composants critiques ne doivent pas être compromis. Il est essentiel pour les équipes de définir clairement ce qui est et n'est pas critique pour la fonctionnalité de leurs pièces avant de commencer.

L'allègement est généralement le plus efficace appliqué à des pièces lourdes, rigides et surdimensionnées. Si le coût ou le poids du matériau ne sont pas une préoccupation, ou si les deux sont déjà proches de l'optimal, l'allègement peut ne pas être utile ou nécessaire. À partir de là, des propriétés comme la rigidité, le rapport résistance/poids, la résistance à la traction, et autres caractéristiques aideront à déterminer les matériaux et géométries idéaux pour allégrer une pièce ou composant donné.

La géométrie de la pièce doit aussi être prise en compte, car elle limitera les méthodes de production viables. Des composants simples conçus par design génératif peuvent parfois être outillés ou coulés en uréthane, mais des designs plus complexes requièrent d'autres solutions.

Les treillis, par exemple, sont une solution de design extrêmement efficace pour l'allègement, mais leurs géométries complexes ne peuvent généralement pas être usinées. Heureusement, les procédés additifs comme HP Multi Jet Fusion (MJF) permettent de créer des composants géométriquement complexes à partir de matériaux comme le Polyamide 12 (PA 12) — qui offre résistance supérieure et flexibilité géométrique. Important : les treillis augmentent drastiquement le rapport surface/volume des pièces, ce qui peut impacter la longévité ou la durabilité si on travaille avec des matériaux s'oxydant vite, comme les aciers non inoxydables.

La sécurité est une autre considération clé. De nombreuses pièces solides fournissent plus de leurs caractéristiques désirées que requis — un composant pourrait être 100 fois plus rigide que nécessaire. L'élimination de matériau par allègement pourrait, par exemple, réduire cette rigidité à 25 fois ce qui est requis (ou un autre multiple moindre).

Bien que la pièce reste viable, les équipes ont moins de marge pour assurer la sécurité et la conformité. L'allègement peut donc affecter la performance sous conditions extrêmes — les équipes doivent toujours garder cela à l'esprit.

La solution efficace pour allégrer les pièces

En retirant stratégiquement du matériau des pièces et composants pour réduire leur poids global, les fabricants peuvent tirer parti de bénéfices annexes : efficacité accrue, économies significatives, choix de matériaux élargis.

Historiquement utilisé pour améliorer l'efficacité énergétique des véhicules, plus de secteurs que jamais en profitent — le marché des matériaux légers devrait valoir 243 milliards $ d'ici 2023. Le marché des biens de consommation emballés peut particulièrement bénéficier de l'allègement — et possiblement aider à soutenir des causes comme la réduction des plastiques à usage unique.

Cependant, l'allègement peut exiger un haut degré d'expertise technique — les équipes espérant réduire coûts et maximiser l'efficacité par l'allègement feraient bien de s'associer à une équipe de designers et ingénieurs chevronnés comme ceux de Fast Radius.

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