John Deere se tourne vers l'impression 3D de pièces de moteur plus efficaces

Le nouveau tracteur de la série 6R de John Deere est doté d'un robinet de carburant imprimé en 3D.

Les nouveaux tracteurs John Deere qui sortent de la chaîne de fabrication de Mannheim, en Allemagne, présentent une première pour l'entreprise : une pièce de moteur en métal imprimée en 3D.

Le fabricant mondial d'équipements agricoles et de gazon n'est pas étranger à l'impression 3D, l'ayant utilisée pendant plus de 20 ans pour fabriquer des milliers de prototypes, d'outils, de gabarits et d'accessoires dans ses usines mondiales. Mais la soupape en acier inoxydable imprimée en 3D dans le système de carburant du tracteur est une nouvelle direction et fait partie de ce que l'entreprise appelle sa stratégie industrielle intelligente.

Lancé en 2020, John Deere a annoncé sa vision d'intégrer rapidement de nouvelles technologies dans trois domaines prioritaires : les systèmes de production, leur pile technologique et les solutions de cycle de vie.

L'impression 3D s'inscrit dans cette vision, et cette vanne en est l'un des premiers fruits. C'est plus efficace que s'il était fabriqué traditionnellement. C'est environ 50% moins cher et beaucoup plus petit, en utilisant moins de matériel. Mais cela ne fait qu'effleurer la surface de la raison pour laquelle John Deere a choisi d'imprimer cette pièce en 3D.

John Deere a imprimé en 3D des milliers d'inverseurs thermiques pour ses nouveaux tracteurs des séries 6R et 6M.

La première de nombreuses pièces imprimées en 3D

La nouvelle vanne de dérivation thermique des dernières versions des tracteurs John Deere 6R et 6M n'est pas seulement une application innovante de la technologie d'impression 3D métal de plus en plus accessible, c'est l'aboutissement d'environ deux ans de R&D.

Tout a commencé par le défi de s'assurer que les tracteurs John Deere fonctionneraient dans des environnements froids. Les ingénieurs ont été chargés de développer une soupape capable de maintenir la température du carburant sans affecter les performances du moteur.

"Tout d'abord, vous commencez par ce que vous voulez que la pièce fasse", explique Udo Scheff, directeur de l'ingénierie pour les tracteurs de petite et moyenne taille de John Deere, "et travaillez en optimisant la dynamique des fluides computationnelle et en la simulant dans le monde virtuel, puis vous transférez cela dans des conceptions numériques pour un modèle prototype".

Le modèle prototype idéalisé, celui qui laissait le carburant s'écouler avec la plus grande efficacité, avait des canaux internes arrondis et lisses. Une fonctionnalité, dit Scheff, ne peut être créée qu'avec l'impression 3D.

"En dynamique des fluides, lorsque vous avez deux perçages qui se croisent, vous avez toujours des angles vifs si vous utilisez des outils d'usinage. Avec l'impression 3D, vous pouvez avoir des angles arrondis, c'est l'élément qui nous a fait franchir une nouvelle étape dans l'optimisation de la vanne."

Pour tester si la pièce fonctionnerait comme prévu, les ingénieurs de John Deere ont travaillé avec le personnel de fabrication additive de l'allemand GKN Additive (Forecast 3D), un fabricant numérique de pièces et de matériaux métalliques, afin d'optimiser davantage la conception de la soupape de carburant pour l'impression 3D métallique. GKN a imprimé des prototypes de vannes en acier sur la nouvelle imprimante 3D métal de HP HPQ, la solution Metal Jet S100. Cette imprimante utilise l'une des technologies d'impression 3D métal - il en existe plusieurs - appelée jet de liant, où une poudre métallique est assemblée avec un liant couche après couche pour former une pièce qui est ensuite frittée dans un four de qualité industrielle. Ensuite, la pièce est usinée et assemblée.

Ingénieurs de conception à l'usine John Deere de Mannheim, en Allemagne.

La vanne de dérivation thermique a subi des tests rigoureux afin de garantir la qualité de tuyau requise, qui est égale à celle du métal usiné ou coulé à la cire perdue. Les essais sur le terrain de la pièce ont également été un succès.

"C'est donc à ce moment-là que nous avons dû décider comment nous allions fabriquer cette pièce pour répondre aux propriétés du matériau et à d'autres exigences", explique Scheff, qui a également dû tenir compte de son délai serré pour cette pièce, du coût de l'outillage et de la manière dont la pièce s'intégrerait dans le flux de travail d'assemblage.

"Et c'est à ce moment-là que nous avons décidé, d'accord, si cette pièce imprimée en 3D fonctionne dans les tests et que la fabrication additive est rentable, alors elle fonctionnera également en production", explique Scheff.

La création de prototypes dans le même matériau et la même méthode qui seront utilisés pour la pièce de production finale donne aux ingénieurs une plus grande assurance de performance. « Nous avons choisi le procédé à jet métallique de HP car il est beaucoup plus rapide que les autres procédés d'impression 3D métal », ajoute Jochen Müller, directeur mondial de l'ingénierie numérique chez John Deere. "Nous découvrons des opportunités pour fournir des équipements plus efficaces, fiables et durables, et HP nous a fourni la solution parfaite pour cela."

La nouvelle vanne de dérivation thermique du tracteur John Deere imprimée en 3D garantit des températures de carburant constantes.

Impression 3D métal à des volumes de production

Actuellement, plus de 4 000 vannes sont expédiées de GKN à l'usine de tracteurs John Deere pour l'assemblage final à un prix par pièce inférieur à celui du forgeage ou du fraisage. Les tracteurs avec cette pièce imprimée en 3D sont déjà sur le terrain, littéralement.

Müller dit qu'un autre avantage de l'impression 3D de cette pièce particulière au lieu d'utiliser des méthodes traditionnelles est l'agilité ajoutée dans le processus de fabrication. L'impression 3D ne nécessitant ni moules ni outils, les prototypes de pièces étaient plus rapides et moins chers à créer, ce qui accélérait le processus de conception. Le design peut être modifié et amélioré à tout moment. De plus, lorsqu'il s'agit de pièces de rechange, aucun inventaire permanent n'est nécessaire. Le fichier numérique de cette valeur peut être envoyé à n'importe quel fabricant tiers doté de la technologie HP Metal Jet et produit relativement localement et rapidement.

Bien qu'un inventaire numérique complet des réparations et des pièces de rechange pour les équipements John Deer actuels et anciens soit encore un projet futur lointain, l'entreprise en voit déjà les avantages potentiels.

"Nous avons une énorme organisation de pièces de rechange qui est très, très intéressée par l'impression 3D", déclare Müller. Déjà, l'entreprise réfléchit à quelles pièces de rechange et combien peuvent être converties en fichiers numériques imprimables en 3D, ce qui éliminerait l'entreposage. "Habituellement, nous avons des pièces de rechange en stock depuis environ 20 ans, parfois même plus, et il est très difficile de prévoir quoi faire avec le stock disponible et comment réapprovisionner le stock si vous en manquez."

Au-delà de l'impression 3D de pièces de rechange à la demande, Müller envisage un avenir où John Deere pourra analyser les pièces usées ou cassées et imprimer en 3D des pièces personnalisées renforcées pour des cas d'utilisation individuels.

Usine d'assemblage de tracteurs John Deere à Mannheim, en Allemagne.

L'impression 3D éprouvée par le prototypage

John Deere, comme de nombreuses entreprises manufacturières et automobiles, a commencé l'impression 3D dans son laboratoire d'ingénierie avec des prototypes de conception en polymère de pièces et de concepts de véhicules.

L'entreprise a rapidement compris que le fait d'avoir des modèles physiques à manipuler, à ajuster et à comparer aux pièces existantes est inestimable dans la phase de conception. "Les gens de la chaîne de montage peuvent vérifier si votre pièce conceptuelle est réalisable du point de vue de la fabrication", note Scheff.

Ces prototypes sont plus efficaces et nettement plus rapides que l'usinage ou la sculpture du bois, qui était l'une des techniques utilisées avant que John Deere ne se lance dans l'impression 3D en 2000.

"Nos capacités d'impression 3D internes permettent à nos concepteurs de tester facilement leurs idées et de vérifier leurs concepts à un stade très précoce du processus de développement", ajoute Müller. « C'est un état d'esprit de type « échec précoce ». Nous voulons présenter tous les concepts sous forme de modèles physiques et réunir divers groupes afin de proposer le bon concept. Ainsi, l'impression 3D et la fabrication additive, en général, nous permettent de le faire.

La vanne de dérivation thermique n'est que la première des nombreuses pièces de tracteur imprimées en 3D à venir.

Les pièces imprimées en 3D chez John Deere commencent par des modèles numériques.

Gabarits et outils d'usine d'impression 3D

Les imprimantes 3D se trouvent dans presque toutes les usines John Deere du monde entier, produisant des accessoires et des outils d'usine 24h/24 et 7j/7. Scheff affirme que la fabrication traditionnelle a toujours lieu car l'impression 3D ne peut pas tout remplacer, mais lorsqu'il s'agit de pièces aux contours uniques ou d'outils spéciaux, l'impression 3D est la méthode de choix.

Les montages d'usine sont presque toujours uniques à une ligne d'usine et coûteux à usiner en petites quantités. Pour faciliter l'impression 3D de ces pièces, John Deere a établi un réseau mondial d'imprimantes 3D avec différentes technologies d'impression à divers endroits et les grandes usines répondent aux besoins des petites usines.

Dans chaque usine John Deere, le département d'ingénierie de fabrication, chargé de trouver les procédés de fabrication les plus efficaces, propose de nouveaux outils et détermine s'ils sont mieux fabriqués avec des technologies additives ou traditionnelles. Ensuite, le groupe d'ingénierie numérique de Müller développe les modèles numériques qui sont renvoyés à l'usine pour impression 3D ou sous-traités à un service d'impression 3D local.

Des prototypes aux composants finaux, en passant par les outils et les pièces de rechange, l'impression 3D est l'un des principaux atouts de John Deere dans sa quête d'une organisation plus numérique et plus agile, déclare Müller. Il permet aux ingénieurs de développer plus rapidement des concepts allant de l'idée à la pièce physique grâce au prototypage rapide de pièces, et maintenant, avec son dernier projet, de mettre sur le marché des pièces de moteur plus efficaces plus rapidement et à moindre coût.