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L'avenier de l'automobile passera-t-il par l'impression 3D ?

27 Janvier 2016, 18:56pm

Publié par Grégory SANT

Découvrez la Blade. Elle passe de 0 à 100 km/h en 2,5 secondes, peut se vanter d’abriter 700 chevaux sous le capot, et possède une vitesse de pointe totalement illégale. Le truc classique des voitures de sport.

Mais les points communs s’arrêtent là. La Blade pèse seulement 635 kilos – plus de deux fois moins qu’une voiture deux places classique – et son cadre souple peut prendre corps grâce à un système simple d’injection de gaz naturel comprimé. Plus important encore, elle est construite grâce à des technologies d’impression en 3D très économes en énergie. Produit tout droit sorti des cerveaux bouillonnants de la Silicon Valley, la Blade a véritablement pour objectif de changer le monde.

Repenser le processus de production

Cette voiture a été imaginée par Kevin Czinger, PDG de Divergent Technologies, une start-up de l’automobile basée à Los Angeles. Si on compare au kilomètre près, une voiture imprimée en 3D telle que la Blade aura un impact négatif sur l’environnement trois fois moins important qu’une voiture électrique de type Crossover telle que la nouvelle Tesla Model X. Czinger. m’assure :

« Si nous ne construisons que des Crossover de plus de deux tonnes, nous allons détruire la planète. Il nous faut construire des voitures plus légères et plus efficaces. »

Il est facile de constater les problèmes posés par les gaz d’échappement que recrachent les grosses voitures et de supposer qu’il s’agit là du plus gros souci à régler sur une voiture. Czinger, lui, affirme que nous passons beaucoup trop de temps à nous inquiéter au sujet des pots d’échappement alors que nous devrions repenser le processus de production dans son intégralité.

Moins d’un tiers de la pollution environnementale causée par des véhicules motorisés traditionnels provient du carburant et de l’utilisation que l’on fait de nos voitures, d’après un rapport [PDF] de 2009 de l’Académie des sciences américaines que Czinger aime citer. Le reste provient du processus de fabrication : l’extraction physique de tout ce métal, son raffinage, son transport, sa découpe et le fait de forer et d’assembler le tout en châssis et panneaux.

Tesla, Leaf... pas si verts que ça

Les voitures électriques sont particulièrement polluantes durant leur processus de fabrication, d’après ce même rapport, avec une surconsommation de 20% d’énergie et d’émissions comparées aux voitures roulant au diesel. Leurs batteries utilisent en outre des métaux tels que le cobalt et le lithium, qui nécessitent une énergie énorme pour l’extraction et le raffinage (et qui proviennent parfois de zones en guerre). Leur processus de fabrication peut exposer les ouvriers à des substances toxiques et leur recyclage reste un problème complexe. Lorsqu’on prend en compte le cycle de vie complet d’une voiture, les Tesla, Leaf et autres modèles Volts prennent d’un coup une couleur un peu moins verte.

La Terre va probablement devoir abriter 2 milliards et demi d’habitants en plus, soit 5 milliards de voitures supplémentaires qui pollueront au carbone. Pas étonnant alors que des sociétés dédiées aux technologies telles que Google et Apple, ainsi que des pépinières de start-up, sautent sur l’occasion pour proposer leur vision des transports du futur, souvent avec le souci de s’attacher aux problèmes de sécurité et d’environnement.

L’avenir du transport

Pour Kevin Czinger, le chemin à suivre est évident :

« Le point essentiel pour réduire de manière significative les émissions de gaz à effet de serre provenant des voitures réside clairement dans la fabrication. Nous devons réduire de manière drastique les coûts de conception et de fabrication d’une voiture, tant sur le plan des matériaux que sur celui de l’énergie utilisée. »

Czinger fait partie d’un petit groupe d’entrepreneurs de l’automobile qui essaient de repenser le processus de production automobile dans son ensemble. Ces entrepreneurs veulent utiliser des imprimantes 3D pour construire des voitures en consommant seulement une infime partie de l’empreinte carbone des chaînes d’assemblage traditionnelles, en utilisant des designs qu’on peut transformer d’une heure à l’autre et en intégrant des technologies de conduite autonome lorsque celles-ci seront disponibles.

Dans le même temps, ils espèrent bien booster l’emploi à l’échelle nationale, réduire le nombre de morts sur les routes et encourager une explosion de la créativité qui augmentera la variété des voitures sur nos routes.

Il faut avoir envie de rêver un peu pour percevoir la beauté réelle de leurs idées, mais le rêve ne se limite pas à de simples paroles. Czinger propose aujourd’hui des petites virées dans une Blade imprimée en 3D et Jay Rogers, PDG de Local Motors, est actuellement en phase de test avec une voiture que sa société a fini de concevoir pas plus tard qu’en août dernier. Rogers :

« L’Histoire nous dirait qu’en matière d’innovation, le processus de rupture va permettre de redynamiser les parties de l’industrie devenues obsolètes. »

Pour comprendre cette toute dernière salve de la Silicon Valley contre Detroit, il est utile de remonter à l’époque où tout a commencé.

La « fabrication additive »

En 1909, à l’aube de l’ère de l’automobile, il fallait douze heures pour assembler péniblement une seule Ford T. Puis Henry Ford découvrit le concept de chaîne d’assemblage mobile dans laquelle des voitures partiellement assemblées pouvaient se déplacer lentement d’un poste d’assemblage à un autre.

En 1914, les chaînes d’assemblage de Ford pouvaient fabriquer une Model T en 90 minutes. On gagna en qualité tandis que les prix dégringolaient, permettant à des millions de particuliers de se déplacer seuls. Aujourd’hui, le pickup Ford F-150, la voiture la plus populaire aux Etats-Unis, sort à la chaîne des usines en un flot ininterrompu de métal, de verre et de plastique, au rythme de 800 000 voitures par an.

Ce rythme-là repose sur un concept : que chaque processus de fabrication, aussi complexe soit-il, peut être effectué plus efficacement s’il est divisé en taches simples et répétitives. Souder cette barre à ce panneau. Placer cette lampe dans son boîtier. Raccorder cette unité. Au suivant !

D’ordinaire, une voiture moderne possède environ 20 000 composants individuels, assemblés en un ballet chorégraphié de machines toutes dédiées à une seule et unique fonction (avec en plus quelques intervenants humains pour superviser et assurer l’entretien des machines). Mais pour ce qui est de construire une usine de voitures de A à Z, il faut bien compter cinq longues années et tabler sur un coût d’un milliard de dollars. Même le réaménagement d’une usine pour fabriquer une nouvelle voiture représente un coût phénoménal – plus de 200 millions de dollars d’après une estimation de Volkswagen.

C’est cette opportunité-là que nos entrepreneurs automobiles veulent saisir, en développant un procédé appelé « fabrication additive ». Cela signifie construire quelque chose en une fois à partir de ses composants. Vous avez sans doute déjà vu des bijoux ou des bibelots imprimés en 3D à partir de machines MakerBot, en chauffant des filaments de plastique qu’on extrude ensuite couche après couche comme du dentifrice.

Assemblage parfait

Le procédé peut créer des structures complexes et particulièrement belles qui vont bien au-delà de ce qu’on peut faire avec des moules traditionnels ou en sculptant à la main. Mais il aura fallu l’imagination d’un fabriquant canadien de tracteurs pour appliquer l’impression 3D à l’industrie automobile. Jim Kor, ingénieur barbu à l’air bonhomme originaire de Winnipeg, est considéré comme l’homme ayant créé la première voiture en recourant à un procédé de fabrication additive.

Kor rêvait depuis longtemps d’une voiture à la ligne allongée hyper économe telle que l’Urbee. En 2007, il reçut le petit coup de pouce qui lui manquait : le lancement de ce qui fut connu sous le nom de Progressive Insurance Automotive X Prize, un concours avec à la clé 10 millions de dollars pour construire une voiture capable de consommer moins de trois litres aux cent.

En s’appuyant sur son expérience dans les équipements agricoles, Kor a tenu à relever le défi comme il l’avait fait en concevant des tracteurs par le passé et a réalisé un modèle en argile à l’échelle 3/5. Il fit scanner le modèle pour pouvoir procéder à des simulations aérodynamiques et planifia ensuite de sculpter laborieusement à la main le corps de la voiture à partir de mousse et de bois ou en utilisant des fraiseuses assistées par ordinateur pas données.

Au lieu de cela, une rencontre fortuite avec des ingénieurs de la société Stratasys, pionnière en matière de fabrication additive, a poussé Kor à envisager l’impression 3D du corps de sa voiture, avec un plastique courant appelé ABS, utilisé dans des produits aussi divers que des tuyaux de tout-à-l’égout, des kayaks ou des pare-chocs.

« Quand j’ai vu la taille des morceaux que Stratasys pouvait imprimer, je me suis dit qu’il fallait tenter le coup une fois. »

Les panneaux en ABS se sont assemblés parfaitement en sortant de l’imprimante.

Construire une minuscule voiture au design allongé est une chose. Mais pour que l’impression 3D soit vraiment utile, il fallait qu’elle soit capable de produire de plus grosses voitures.

La « micro-usine »

C’est là qu’entrent en scène Jay Rogers et Local Motors. Rogers était déjà en train de révolutionner la production automobile en apportant le concept de production participative au monde du design automobile.

La première voiture de sa société, une voiture rugissante aux allures post-apocalyptiques (mais légale pour circuler sur route) baptisée Rally Fighter, a été le fruit du travail collaboratif de 500 volontaires œuvrant en ligne pour tout concevoir, depuis le style jusqu’aux suspensions. Rogers et sa petite équipe d’ingénieurs automobile étaient là pour dire aux volontaires ce dont la voiture avait besoin, par exemple un boîtier de phare, et ils jugeaient ensuite des réponses.

Les voitures ont été assemblées une par une dans des ateliers de petite taille appelés « micro-usines ». La « micro-usine » pilote de 12 000 m² de Phoenix, en Arizona, par exemple, ressemble à un croisement entre un garage, une usine et une salle de classe. Les véhicules sont assemblés individuellement par une équipe de mécaniciens – avec l’aide d’un acheteur éventuel. Une façon de travailler aussi artisanale et méticuleuse implique que la micro-usine ne peut produire qu’une centaine de Rally Fighters à l’année à 100 000 dollars l’unité.

En plus du site de Phoenix, Local Motors a annoncé être sur le point d’ouvrir une autre micro-usine à Knoxville et jusqu’à 50 nouvelles micro-usines ainsi que des laboratoires plus petits dans les cinq prochaines années.

Une voiture en 50 pièces

Rogers a réalisé que l’impression 3D allait peut-être accélérer sa vitesse de production tout en réduisant ses coûts. En 2014, Rogers a donc commencé à travailler sur sa première voiture expérimentale imprimée en 3D, la Strati, avec l’aide du Laboratoire national Oak Ridge basé dans le Tennessee, et de Cincinnati Incorporated, une société fabriquant des machines.

Cincinnati Incorporated avait développé une technologie appelée « fabrication additive à grande échelle », qui utilise la même approche que les imprimantes 3D domestiques : la fonte de plastique ABS, incorporé ensuite à de très fines fibres de carbone pour assurer la solidité, et l’impression en couches successives très précises. Mais là où MakerBot se limite à la fabrication d’ornements de bureau, le procédé de Cincinnati Incorporated permet l’impression de produits de 6 m de long, 2,50 m de large et 1,80 m haut, soit des dimensions suffisantes pour imprimer une Strati presque entière en une seule fois.

La Blade - Divergent Technologies

« Le procédé d’ajout de matières nous a permis de combiner beaucoup de choses en une seule », déclare Lonnie Love, le manager du groupe de recherches sur les systèmes de fabrication au Laboratoire national Oak Ridge.

« Nous sommes passés des 20 000 pièces que vous pouvez trouver sur la plupart des voitures à une cinquantaine seulement. »

Une fois que le corps de la voiture est imprimé, les composants restants – tels qu’un moteur électrique, des batteries, des roues, des lumières, des sièges et des systèmes de contrôle (souvent fabriqués selon les méthodes traditionnelles) – peuvent être montés rapidement manuellement.

Moins de sept heures pour une voiture

Avec un peu d’expérience, ils sont devenus plus rapides. Lorsque le département américain de l’Energie a demandé au laboratoire Oak Ridge de construire un véhicule-test, Love et son équipe ont conçu et imprimé en 3D une réplique entièrement électrique d’une Cobra Shelby modèle Sport en seulement six semaines. Love se réjouit :

« Six semaines entre le moment où on a dit qu’on allait l’imprimer et celui où on a pu avoir un véhicule en état de marche, c’est du jamais vu. Six semaines, c’est fou ! »

L’impression en elle-même prend également de moins en moins de temps. L’équipe est passée de 4,5 kg de matière traitée par heure et six jours pour imprimer une Strati à l’été 2014, à 18 kg de matière par heure et deux jours d’impression. Un an plus tard, le procédé de Cincinnati Incorporated est proche de 45 kg par heure, vitesse suffisante pour arriver à produire une voiture en moins de sept heures.

Plus une voiture peut être imprimée rapidement, moins elle est coûteuse. Une machine qui fabrique par ajout de matières à grande échelle vaut un demi-million de dollars, ce qui correspond à un coût de 100 dollars de l’heure. Ajoutons à cela quelque 225 kg de thermoplastique renforcé à la fibre de carbone à 9 dollars le kilo, et le laboratoire Oak Ridge peut imprimer une Cobra Shelby pour moins de 3 000 dollars (il faudra aussi payer les roues, les sièges, la chaîne cinématique et une bonne peinture vintage). Habituellement, la réplique d’une Cobra revient généralement à plus de 40 000 dollars.

Divergent utilise une technologie différente pour fabriquer sa super Blade par ajout de matières. Au lieu d’imprimer toute l’enveloppe externe de la voiture avec de l’ABS comme pour la Strati, un procédé que Czinger trouve davantage adapté pour les plus grosses voitures, Divergent assemble la structure intérieure de la Blade à partir de tubes en fibres de carbone reliés par des crochets métalliques imprimés en 3D, qu’on appelle des nœuds.

Ces nœuds sont fabriqués par de puissants lasers qui agglomèrent du métal en poudre dans des moules préformés, et les tubes sont ensuite simplement fixés manuellement les uns dans les autres. Vu la solidité et la sûreté du châssis ainsi créé par ces tubes et leurs charnières, les panneaux externes peuvent ensuite être fabriqués à partir de n’importe quels matériaux légers, même du papier, déclare Czinger.

A chacun son design

En changeant simplement le logiciel, la même machine peut aussi bien imprimer une voiture de sport qu’un minivan, explique Czinger.

« Ces structures peuvent être assemblées très rapidement à partir de leurs différents éléments de manière à construire n’importe quel véhicule, depuis une voiture deux places jusqu’à un camion pick-up… et tout cela pour bien moins cher que ce qu’un travail métallurgique classique nécessite. »

Divergent espère commencer à prendre des commandes pour la Blade l’année prochaine et livrer les premières voitures dès 2017. Local Motors nourrit la même ambition et a annoncé au début du mois que sa première voiture imprimée en 3D, la LM3D, serait en vente début 2017 pour environ 53 000 dollars.

L’expérience qu’a fait Love avec la Cobra Shelby l’a totalement galvanisé :

« La société Local Motors est encore plus innovante qu’elle ne le pense. Elle n’élimine pas seulement les équipements de production classiques, mais elle bouleverse complètement toute la chaîne logistique. »

Love remarque qu’une concession automobile coûte plusieurs millions de dollars pour une taille à peu près semblable à celle de la micro-usine de Phoenix de Local Motors. Pourquoi ne pas associer les deux ? Un client pourrait venir, s’asseoir avec un ingénieur, concevoir sa voiture et la faire imprimer en quelques jours.

L’alliance avec la vieille industrie

La chute d’une industrie mondialisée vieille d’un siècle qui pèse aujourd’hui 9 000 milliards de dollars n’est peut-être pas pour demain. Réduire le poids d’une voiture en la faisant passer de plus de deux tonnes à 600 kg soulève d’importants problèmes de sécurité qu’il faut encore approfondir. Agrandir et accélérer l’impression 3D pour pouvoir se retrouver enfin sur le devant de la scène automobile relève encore de la quadrature du cercle. Et personne ne sait vraiment si l’impression 3D à plus grande échelle s’avèrera moins polluante que les techniques existantes. (La technique d’agglomérat par laser, par exemple, utilise environ 40 fois plus d’énergie par kilogramme que le travail de l’aluminium dans la production industrielle classique.) Le premier constructeur automobile va également s’arracher les cheveux quand il voudra actualiser sa voiture en un temps record.

Lorsque j’expose l’idée de venir chercher sa prochaine voiture chez un imprimeur local à Mark Stevens, un expert en production pour le compte du Centre de recherche automobile du Michigan, ce dernier éclate de rire. « L’idée d’imprimer une voiture à la demande ! Ce n’est pas près d’arriver ! » assure-t-il. Le problème, d’après lui, est une question d’échelle.

« Une ligne d’assemblage traditionnelle peut sortir cent véhicules quand ils n’en impriment qu’un seul. »

Kevin Czinger et Divergent reconnaissent que leur « plus gros défi, c’est de convaincre les concessionnaires de travailler avec [eux] ». Il espère signer un accord de développement conjoint avec un gros constructeur automobile l’année prochaine, et cela pour une nouvelle voiture plus grand public que la Blade, avec pour objectif d’en vendre autour de 10 000 par an.

C’est là que le destin de l’Urbee – la toute petite voiture allongée de Jim Kor – peut servir de leçon. Sa petite société a été incapable de tenir les délais imposés par le X Prize et a fini par abandonner la compétition. Lorsque Jim Kor a finalement terminé l’Urbee, l’hybride deux places marchant à l’électricité et à l’éthanol a littéralement explosé les objectifs du X Prize, atteignant 1,4 litre aux cent sur autoroute. Les organisateurs du X Prize n’en sont tellement pas revenus qu’ils ont encouragé Kor à monter son entreprise. Mais après avoir passé une année à courir les investisseurs, Kor n’a pas réussi à réunir l’argent nécessaire. Il pense aujourd’hui que le meilleur moyen de lancer l’Urbee sur le marché est de vendre la licence à d’autres fabricants.

Actualiser sa voiture, comme l’iPhone

Pendant ce temps, Jay Rogers, de Local Motors, aimerait imiter le système d’actualisation du nouvel iPhone d’Apple, dans lequel les utilisateurs américains paient un forfait mensuel pour avoir accès aux derniers modèles.

« Nous allons changer tous ces dispositifs si rapidement qu’il est préférable pour les acheteurs qu’ils ne se considèrent pas comme propriétaires. Je veux être le premier à mettre sur la route une voiture autonome que les clients pourront acheter. Et puis le mois suivant, je veux avoir le nouveau capteur qui la rendra encore plus performante. Et le mois d’après, je voudrai la nouvelle batterie, et ainsi de suite. »

Il y a un problème évident dans tout cela. La fabrication additive a beau réduire les temps de production, les émissions polluantes ainsi que les coûts, et éliminer des machines lourdes, on ne peut pas réduire une voiture à une histoire de logiciel. Il faut une présence physique qui soit efficace et sûre sur plusieurs années dans le monde réel. Si un essuie-glace fait défaut ou qu’une batterie mal conçue surchauffe, on ne peut pas les actualiser virtuellement.

Comment, par exemple, une petite société telle que Local Motors, avec une diffusion limitée, peut-elle développer quelque chose d’aussi complexe que des systèmes de conduite autonome, et les maintenir opérationnels dans le temps sur une gamme dont chaque véhicule peut s’avérer différent ? Rogers, égal à lui-même, suggère de se tourner vers la communauté :

« Et si je donnais la première version de ces voitures à cent personnes de ma communauté, et que je les mettais au défi de m’aider à les développer plus rapidement ? Nous demanderons à la communauté de développer un logiciel anticollision aussi rapidement que Waze a développé son logiciel pour éviter les bouchons et concurrencer Google Maps. »

En retour, les utilisateurs pourraient gagner des genres de bonus, sous forme de points ou d’accès en avant-première à de nouveaux modèles de voitures. Ils pourraient même percevoir un intéressement si la voiture se vend bien, même si Rogers insiste sur le fait qu’il invoquera « les règles chères à Wikipedia plutôt que le Dieu dollar cher à Google. Nous ferons de vous des hommes fiers ».

Pour quand ?

La manière dont les instances de contrôle vont réagir à des logiciels automobiles développés en adoptant la philosophie Wikipedia fait également débat. « Les sociétés doivent encore résoudre le problème qui consiste à fabriquer des voitures toutes différentes et pourtant toutes fiables », m’explique Lonnie Love.

« Je ne peux pas vous dire quand ce problème sera résolu. Cela peut prendre cinq ans comme cinq décennies. »

Mais s’il y a bien une chose que la Silicon Valley aime, c’est l’idée de partir de pas grand-chose avec un coût peu élevé, de bousculer les systèmes de contrôle et d’exploiter le potentiel de la communauté Internet.

Construire une usine de voitures coûte plusieurs aujourd’hui milliards de dollars aux Etats-Unis, et représente dix années de réflexion pour une multinationale. Mettre en place une micro-usine à 20 millions de dollars ne nécessiterait à l’avenir rien de plus que quelques modèles de véhicules innovants, quelques ingénieurs et un gros prêt bancaire. La production automobile deviendrait locale – imaginez plusieurs mini-Detroit – et servirait des besoins purement locaux.

« Jouer sur les brèches qui existent entre les lignes de production des plus gros constructeurs n’est pas restrictif, mais au contraire libératoire », pense Rogers.

« Produire plusieurs milliers de voitures par an dans une micro-usine prend tout son sens, car si l’on peut gagner de l’argent tout en rendant les acheteurs heureux de s’investir dans ce genre de projet, on peut embarquer avec nous toute une communauté. »

Les constructeurs automobiles traditionnels commencent – lentement mais sûrement – à percevoir les avantages d’une impression en 3D ; pour remplacer à la base des outils ou des équipements d’usine fabriqués jusque-là à partir de métaux chers et énergivores. Des marques de luxe telles que Mercedes, Cadillac ou Lexus travaillaient tranquillement depuis des années sur les systèmes de conduite automatisés tels que les régulateurs de vitesse adaptés et les systèmes d’avertissement en cas d’écart de la voiture, tout ça pour finir par se faire honteusement doubler par le concept de conduite autonome de Google et Tesla. L’industrie automobile a désormais à cœur de ne pas rester dans les choux.

Beaucoup de « si », mais...

Pendant ce temps, la fabrication additive avance à la vitesse typique de la Silicon Valley, celle d’un cheval au galop. Si les techniques d’impression 3D continuent à s’améliorer en termes de rapidité, de coût financier et énergétique, si de nouveaux outils informatiques permettent de démocratiser le design et les phases de test, et si les instances de contrôle ainsi que le public adhèrent à l’explosion de l’ère néolithique de l’automobile en matière de diversité des modèles proposés – oui, ça fait beaucoup de « si »… –, il en résultera une bataille qui restera dans les annales.

Les promoteurs des voitures imprimées en 3D en reviennent sans cesse à l’argument d’après eux le plus irréfutable : à savoir que la fabrication additive peut être bien plus économe en énergie qu’une fabrication traditionnelle. Ce seul argument pourrait effectivement mener à l’adoption d’une nouvelle technique de fabrication même si ses avantages restent discutables.

Une baisse de production est compensée par un rythme rapide des innovations. Voir apparaître un projet KissKissBankBank pour une voiture de tourisme n’est qu’une question de temps. Love conclut :

« Je pense que toute l’industrie peut tourner autour d’une innovation rapide dans les transports. Et ça, c’est révolutionnaire. »

Source : rue89.frnouvelobs.com

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