Des pièces lourdes désormais imprimées en 3D chez Deutsche Bahn

L’impression 3D n’est pas nouvelle pour la Deutsche Bahn. La compagnie publique ferroviaire allemande a en effet commencé à utiliser une imprimante 3D en 2015. Depuis, elle a imprimé près de 7.000 pièces détachées. La DB est le premier opérateur a avoir effectué une certification de l’impression 3D, octroyée par le TÜV SÜD, l’un des principaux organismes de certification dans ce domaine.

Avec l’impression 3D, la DB peut produire des pièces de rechange métalliques en peu de temps, réduisant ainsi considérablement les délais de livraison. « De cette façon, nous pouvons assurer un meilleur approvisionnement en pièces détachées et rendre les véhicules à la disposition de nos passagers plus rapidement », explique Stefanie Brickwede, chef de projet pour l’impression 3D à la Deutsche Bahn. « En particulier, il s’agit de pièces associées à de longs délais de livraison ou qui ne seraient plus disponibles. »

(photo Deutsche Bahn)

De grands développements
Jusqu’à récemment, l’impression 3D semblait ne concerner que des pièces légères en plastiques. L’évolution des technologies d’impression 3D a permit de développer toute une gamme de filaments plastiques hautes performances qui présentent des caractéristiques mécaniques similaires aux métaux. Il existe plusieurs types de matériaux hautes performances qu’on distingue par famille, comme celle des polyaryléthercétones (PAEK) ou encore des polyétherimides (PEI).

Mais les choses évoluent rapidement. L’impression 3D en métal est désormais disponible. Depuis plusieurs années, la technologie du Metal binder jetting, ou injection de liant sur lit de poudre, connaît un développement important. Le procédé est aujourd’hui utilisé par les plus gros acteurs de la fabrication additive métallique. Si l’impression 3D en métal utilise aujourd’hui principalement des technologies de fusion laser sur lit de poudre ou de fusion par faisceau d’électrons, de nombreuses autres technologies sont en train d’émerger, explique le webzine Technique de l’Ingénieur.

Il ne faut cependant pas confondre l’impression 3D avec l’usinage, aussi sophistiquée soit-elle. La principale différence est que l’impression 3D est une forme de fabrication additive, tandis que l’usinage est soustractive. L’usinage commence toujours par un bloc de matériau (appelé ébauche) qu’elle découpe pour créer une pièce finie. Cela produit fatalement de nombreux déchets. La réduction des déchets entre parfaitement dans une politique globale écologique et l’impression 3D peut répondre à ces défis. Mais bien entendu, derrière cela il y a surtout de nombreux avantages financiers.

Aujourd’hui, le marché de la fabrication additive métallique mondial dépasse toutes les prévisions de croissance. Or ce marché intéresse fortement les chemins de fer, qui sont parmi les plus gros consommateurs de métal dans le monde industriel.

Des délais de livraison plus courts, moins de déchets de production, les avantages sont nombreux. Le délai de livraison et d’attente des pièces spéciales lourdes pour l’entretien des véhicules pouvait prendre jusqu’à 24 mois auparavant. Les nouveaux processus d’impression ont considérablement réduit ce timing. « Grâce à la percée de l’impression en métal, nous pouvons désormais progressivement garantir un approvisionnement plus rapide en pièces détachées et nos trains reprennent rapidement la route » explique Sabina Jeschke, membre du conseil d’administration de la DB pour la numérisation et la technologie. « L’objectif est de disposer d’environ 10.000 pièces de rechange différentes disponibles en impression 3D d’ici 2021 ».

(photo Siemens)

Le processus permet non seulement d’économiser du temps, mais aussi des matières premières, car les pièces de rechange ne doivent plus être stockées en grande quantité, mais peuvent être fabriquées si nécessaire. La Deutsche Bahn déclare que cela minimise les déchets de production, réduit les stocks et élimine de nombreux transports. La fabrication additive contribue ainsi à la protection de l’environnement.

Une autre motivation est qu’après 20 ans, les pièces de rechange ne sont tout simplement plus fabriquées. Certains appareillages sont d’ailleurs obsolètes, comme tout ce qui concerne l’électricité. Au fil du temps, l’usure et la fragilité standard affaiblissent progressivement les pièces moulées par injection, ce qui signifie qu’elles doivent être remplacées tous les 10 à 15 ans. Les véhicules ferroviaires sont conçus pour avoir une durée de vie de plus de 25 ans, mais il n’est pas rare qu’un train reste en service pendant 40 à 50 ans, voire plus dans des cas exceptionnels. L’impression 3D permet de refaire des pièces qu’on ne trouve plus.

Le processus d’impression 3D est utilisé pour créer des objets tridimensionnels en appliquant et en solidifiant le matériau en couches minces. Il existe deux processus couramment utilisés :

  • L’impression 3D par dépôt de matière fondue sous le nom de FDM ou Fused Deposition Modeling. C’est un procédé qui utilise un filament continu d’un matériau thermoplastique. La tête d’impression est déplacée sous contrôle informatique pour définir la forme imprimée et dessine l’objet par différentes couches avec un matériau liquide.
  • Le processus de lit de poudre est traité à partir de la matière première sous forme… de poudre. Les couches individuelles sont chacune constituées d’une pincée de poudre. Dans le cas des plastiques tels que le polyamide ou des métaux tels que l’acier et le titane, un laser fond ou chauffe les granulés de poudre individuels avec une précision extrême. Dans le jargon technique, ces processus sont appelés fusion laser sélective (SLM) et frittage laser sélectif (SLS).

Pour qu’une pièce de rechange puisse être produite par un simple bouton, la DB crée des modèles de construction pour l’impression 3D à partir de dessins existants ou d’objets numérisés. La DB peut produire des composants pesant plus de 17 kilos et adaptés même aux trains ICE. L’impression prend environ une heure pour un porte-manteau ou deux jours pour une boîte à câbles. Cela signifie que cette méthode de production est particulièrement adaptée aux productions individuelles, mais qu’elle devient dès lors non rentable à partir de plus de 100 pièces.

L’impression 3D est également testée dans les gares : des panneaux de main courante en braille permettent aux personnes mal voyante de se repérer plus facilement dans les gares.

(photo Deutsche Bahn)

Partenariat et formation professionnelle
Au lieu de mettre en place elles-mêmes des centaines d’imprimantes 3D coûteuses, la Deutsche Bahn s’appuie sur un partenariat avec le réseau Mobility goes Additive . Plus de 40 entreprises – dont des universités mais aussi des start-ups -, se sont réunies pour stimuler ensemble les innovations en imprimante 3D. Des fabricants d’imprimantes et des prestataires de services d’impression, tout comme Siemens et d’autres partenaires, font aussi partie de ce partenariat.

Mobility goes Additive (MGA) a obtenu en décembre 2019 une première approbation pour l’utilisation d’une pièce de suspension de frein fabriquée par impression 3D. Cette pièce très lourde est maintenant utilisée sur le Hamburger Hochbahn.

L’organisme BOStrab, responsable de la réglementation fédérale allemande sur la construction et l’exploitation des systèmes de transport par train léger sur rail, a également participé à l’approbation de la pièce imprimée en 3D. À la suite de cette mise en service, une norme pour les futures approbations sera développée par BOStrab pour accroître l’application des composants et pièces de rechange imprimés en 3D dans le secteur ferroviaire.

La DB intègre également l’impression 3D dans la formation professionnelle pour la première fois. Les quelque 200 jeunes professionnels qui commencent leur apprentissage dans l’un des douze grands ateliers de maintenance en septembre 2019 fabriqueront à l’avenir des pièces en utilisant le processus d’impression 3D. La formation commerciale et technique n’ayant pas encore pris en compte l’impression 3D, la Deutsche Bahn a développé son propre programme de formation à sa sauce.

Normes et sécurité
Il est évident que l’impression 3D doit faire l’objet d’un cadre normatif et légal exigeant. L’impression 3D s’est développée rapidement ces dernières années et son potentiel d’innovation technologique comporte des aspects cachés avec des risques pour la sécurité, pour les droits de propriété intellectuelle, pour l’éthique criminelle et humaine. Il faudra être attentif aux pièces 3D « piratées », sans normes de qualité, comme on en voit dans le secteur de l’automobile. Au niveau des normes, il parait évident que chaque pièce fabriquée en 3D devra obtenir au minimum les mêmes critères de durabilité, d’usure et de qualité que la même pièce originale sortie d’usine.

L’impression 3D comporte un potentiel de développement considérable qui permet d’aider les entreprises ferroviaires à fournir des trains plus fiables, plus rapidement. Eviter des trains annulés ou qui encombrent les ateliers, c’est aussi un critère important pour promouvoir une politique modale. Des trains qui restent le moins possible en atelier, ce sont aussi des actifs qui rapportent plus d’argent…

(photo Deutsche Bahn)

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Chiltern Railways : des pièces en 3D pour moins d’immobilisation du matériel

Le Chiltern Railway (photo Wikipedia)

Chiltern Railways deviant le premier opérateur ferroviaire britannique à tester des pièces imprimées en 3D sur des trains de voyageurs en service.

L’opérateur s’est associé à la société de leasing ferroviaire Angel Trains, ainsi qu’aux principales sociétés d’ingénierie et d’impression 3D, pour lancer l’essai de produire plusieurs pièces imprimées en 3D, tels des accoudoirs ou des poignées de maintien, installés dans ses trains en exploitation.

L’impression 3D devrait permettre aux opérateurs de train d’accélérer le remplacement des pièces obsolètes grâce à un accès plus facile et plus rapide aux innovations et améliorations, permettant ainsi à des sociétés comme Chiltern de remettre leurs véhicules en service plus rapidement et d’éviter de coûteuses immobilisations en atelier. Le délai actuel pour les méthodes de fabrication conventionnelles est d’environ quatre mois pour les accoudoirs et de deux mois et demi pour les poignées, ce qui est évidemment excessif. Les pièces à l’essai comprennent quatre accoudoirs de passager et sept poignées de maintien, installés dans les trains de Chiltern Railways . Le succès de l’essai à ce jour montre que l’impression 3D peut aider les opérateurs de train à accélérer le remplacement de pièces obsolètes, leur permettant de remettre les véhicules en service plus rapidement et de mieux entretenir leurs trains, améliorant ainsi la qualité de service des passagers. Cette nouvelle forme de maintenance des trains doit grandement améliorer la qualité du service à la clientèle.

Rentable et rapide, l’impression 3D est considérée comme un élément potentiellement vital de la future exploitation ferroviaire du Chiltern. Une grande partie de la flotte de l’opérateur approche les 30 ans. La capacité de trouver rapidement et efficacement des pièces de rechange datant d’une autre époque est donc essentielle pour que Chiltern maintienne son service et évite toute perturbation potentielle des clients.

James Brown, ingénieur données et performance chez Angel Trains, le propriétaire du matériel roulant , explique : « Ces derniers temps, les opérateurs se sont montrés de plus en plus préoccupés par le fait que l’approvisionnement en pièces de rechange pour les anciennes flottes de trains à un coût raisonnable et dans un court laps de temps se révélait très difficile. Le problème est que les méthodes de fabrication traditionnelles ne permettent que de rentabiliser la production de gros volumes de pièces de rechange, même si un opérateur n’en a pas besoin ou pour seulement quelques pièces de train obsolètes.  En outre, les délais peuvent prendre des mois.  C’est pourquoi nous nous sommes associés à DB ESG et à Stratasys pour montrer aux opérateurs comment surmonter ces obstacles en utilisant l’impression 3D pour produire la quantité exacte de pièces dont ils ont besoin à une fraction du temps et du coût des méthodes traditionnelles. »

Dans le détail, avec l’impression 3D Stratasys FDM, l’accoudoir final peut être fabriqué en une semaine, ce qui représente une diminution de délais de près de 94%. James Brown pense que des économies pouvant atteindre 50% seront réalisables. De même, dans le cas des poignées de maintien, la pièce de rechange était obsolète et le fournisseur initial n’était plus en activité.  Cela aurait signifier que pour fabriquer davantage de pièces, il aurait fallu un nouvel outil de fabrication coûtant jusqu’à 15 000 £ et un délai de production de deux mois et demi.  En impression 3D, les sept poignées de préhension requises ont été produites à un coût nettement inférieur par pièce en trois semaines.

L’impression 3D permet aussi de personnaliser les trains au fur et à mesure des années d’exploitation, ou en accord avec la politique commerciale des opérateurs, qui peuvent rajouter des éléments propres à leur identité. Après le succès de l’essai à ce jour, cette collaboration intersectorielle entre Angel Trains, DB ESG et Stratasysa met en place un processus reproductible qui permet de produire des pièces conformes aux normes de l’industrie ferroviaire. Avec les réponses positives des opérateurs ferroviaires, le consortium tripartite doit maintenant entamer son prochain essai avec le Great Western Railway, qui prévoit d’intégrer des pièces imprimées en 3D dans une sélection de trains au cours des prochains mois.

L’impression 3D, très prometteuse, doit cependant faire face au problème de certification et aux normes propres au secteur ferroviaire, comme les normes de durabilité, anti-feu, de matière (allergies…), de santé. Martin Stevens, responsable de l’ingénierie mécanique chez DB ESG, s’enthousiasme : « L’obtention de la certification élimine un obstacle majeur qui empêchait jusqu’ici une mise en œuvre plus répandue de l’impression 3D dans les trains britanniques. » Stratasys propose pour ce faire son imprimante 3D Fortus 450mc. Permettant aux fabricants du secteur des transports de produire des pièces complexes destinées à des applications de production en petit volume, cette machine propose des thermoplastiques robustes de qualité technique pour la fabrication de pièces robustes, durables et indéformables.  Cela inclut le nouvel Antero ™ 800 NA haute performance, un thermoplastique à base de PEKK.  L’Antero 800 NA surpasse les autres thermoplastiques hautes performances grâce à sa résistance chimique supérieure, son dégazage ultra-faible, sa résistance aux températures élevées et ses propriétés anti-usure exceptionnelles.

L’imprimante 3D Fortus 450mc (photo Stratasys)

Avec cette technologie, les opérateurs de train peuvent être beaucoup plus réactifs pour remplacer les pièces endommagées ou vandalisées. Une pièce de rechange imprimée en 3D peut être produite à la demande et installée immédiatement, ce qui évite des trains sales et abîmés pendant une semaine, comme on le voit souvent.  La production à faible volume est désormais réalisable à un coût acceptable et on ne doit plus faire appel au fournisseur en urgence, avec quelques pièces apportées par camionnette. Tout bénéfice pour le climat…

L’imprimante 3D fait son entrée dans les dépôts

La numérisation du monde ferroviaire en est encore à ses balbutiements. Mais les choses sont en train de changer dans les dépôts. Démonstration.

C’est une évidence : actuellement, pour fournir une fiabilité maximale au service des trains, des quantités de commande minimales de pièces de rechange sont souvent requises. Elles sont d’ailleurs souvent incluses dans le contrat de commande et encombrent les allées de stockage de certains grands dépôts. Il en résulte dès lors un stock de pièces de rechange ainsi que des outils qui ne sont pas toujours nécessaires au quotidien. Tout cela a un coût, dès l’instant où la plupart des entreprises ferroviaires sont des entreprises étatiques. C’est donc le contribuable qui paye tout cela…

Mais les choses pourraient changer à court terme. La digitalisation, que l’on croit toujours comme étant un peu de la science-fiction, gagne du terrain au sein des dépôts des chemins de fer. Ceux-ci sont appelés à passer à la « fabrication additive ». De quoi s’agit-il ? D’une méthode en impression 3D qui offre la possibilité de développer et de fabriquer des pièces de rechange en petites quantités mais immédiatement, quelle que soit la complexité des composants. Pour arriver à cela, l’imprimante 3D devient essentielle. Au lieu de commander une pièce à un fournisseur et la recevoir 10 jours plus tard, l’imprimante vous fait tout de suite ce dont vous avez besoin. Les dernières avancées en matière de matériel et de matériaux permettent désormais aux opérateurs de transport de surmonter les limites de la fabrication traditionnelle en petites séries, source de coûts et de délais parfois importants. Outre la production de pièces de rechange en fonction des besoins, cette nouvelle méthode permet également aux entreprises ferroviaires de produire de manière flexible, ce qui permet une maintenance et un entretien plus efficace des trains, et donc une meilleure disponibilité du matériel en service.

(photo presse Siemens)

La fabrication additive  (impression 3D) implique la fabrication par addition de matériau. Elle s’oppose à la fabrication soustractive où l’on enlève de la matière pour atteindre la forme désirée. Dans la fabrication additive, les pièces en 3D sont construites par addition de couches successives de matière sous contrôle d’un ordinateur. Ce processus offre des avantages considérables comme, notamment, des économies de coûts, la quasi-élimination des déchets générés généralement par les processus de découpe de matériaux et la liberté de conception en évitant les contraintes que l’on trouve généralement dans les processus de fabrication traditionnels. Ainsi, la préparation et la disponibilité d’un prototype dès les premières étapes d’un projet permettent de gagner du temps et de réduire les coûts.

Avoir recours à la fabrication additive, en particulier dans les applications de pointe, permet non seulement de produire efficacement des composants, mais aussi d’en créer de nouveaux, innovants, qui n’étaient pas réalisables auparavant. Les procédés de fabrication additive commencent tous selon le même principe. Un modèle CAO est d’abord converti au format de fichier .STL pour ensuite être exploité sur une machine de fabrication additive. Lorsqu’il est lu, il est découpé en un certain nombre de couches en fonction de la précision souhaitée. L’utilisation de modèles 3D offre une clarté sur la conception grâce à une visualisation réelle, minimisant les corrections coûteuses ou les erreurs de dessin, avant la découpe en métal ou la fabrication moulée. De plus, en utilisant des matériaux techniques modernes – par exemple des matériaux non métalliques plus légers que les métaux traditionnels – le poids total du véhicule en vient à être réduit, ce qui améliore l’efficacité de la chaîne d’entretien.

Un exemple ferroviaire concret est d’application à Dortmünd-Eving, où Siemens Mobility a récemment ouvert le centre de service pour un nouvel opérateur privé. Ce dépôt dernier cri est destiné à numériser l’ensemble du processus de maintenance et de réparation des trains. Avec près de 100 trains par mois passant par le dépôt, Siemens Mobility vise à répondre aux besoins de maintenance de l’opérateur RRX, rapidement et efficacement, en offrant le meilleur niveau de service et de disponibilité des rames (des Desiros Siemens, ce qui facilite évidemment les choses…). Siemens Mobility est maintenant en mesure de produire des composants reproductibles selon les cahiers de charge ferroviaires et qui possèdent les propriétés matérielles requises selon la certification EN45545-2.

Un autre exemple provient de l’université de Huddersfield. L’équipe du professeur Iwnicki travaille sur la modernisation des véhicules ferroviaires dans le cadre du projet européen Run2Rail. Il s’agit d’un projet collaboratif de 2,7 millions d’euros impliquant quinze partenaires à travers l’Europe. Celui-ci s’inscrit dans le cadre d’un programme plus grand appelé « Shift2Rail ». Le projet Run2Rail pourrait démontrer que cette technologie additive et les matériaux composites répondent plus efficacement aux projets ferroviaires, grâce notamment à la production de pièces plus légères, moins bruyantes et plus respectueuses de l’environnement.

La numérisation n’en est encore qu’à ses balbutiements dans le grand monde ferroviaire, une industrie née au XIXème siècle. Mais elle prend de plus en plus d’ampleur à mesure que les technologies progressent et que les pressions de plus en plus fortes s’exercent sur les transporteurs pour fournir un service de train fiable.