Prototype pour petites séries: boîtier E-drive de l'imprimante 3D

Plus léger, plus rigide, plus compact : Porsche a pour la première fois produit le boîtier complet d'un entraînement électrique en utilisant l'impression 3D. Le moteur-engrenage fabriqué à l'aide du procédé de fusion laser additif a passé sans aucun problème tous les tests de qualité et de charge. « Nous avons ainsi démontré que la fabrication additive, avec tous ses avantages, convient également aux composants plus gros et très sollicités d'une voiture de sport électrique », déclare Falk Heilfort, chef de projet en développement de la transmission anticipée au Porsche Development Center de Weissach. L'utilisation de l'entraînement électrique optimisé est envisageable, par exemple, dans une super voiture de sport avec de petites quantités.


Avec le prototype, les ingénieurs de pré-développement ont réalisé plusieurs étapes de développement à la fois. Le boîtier en métal léger fabriqué de manière additive pèse moins qu'un composant moulé de manière classique et réduit le poids total de l'entraînement d'environ 10%. Grâce à des structures spéciales qui ne sont possibles qu'avec l'impression 3D, la rigidité dans les zones fortement sollicitées a doublé en même temps. Autre avantage de la fabrication additive: de nombreuses fonctions et composants pourraient être intégrés, ce qui réduit considérablement l'effort d'assemblage et présente des avantages directs pour la qualité des composants.

L'impression 3D ouvre de nouvelles possibilités dans le développement et la production de composants en petites quantités. Porsche encourage intensivement l'utilisation de la fabrication additive pour optimiser les composants fortement sollicités. Il y a quelques mois, de nouveaux types de pistons imprimés au design innovant ont passé leur test pratique dans la voiture de sport haute performance 911 GT2 RS. Le boîtier qui a maintenant été développé pour un entraînement électrique complet répond également à des normes de qualité élevées. Le réducteur à deux étages aval est intégré dans le même boîtier que le moteur électrique. Cette approche hautement intégrée est conçue pour être utilisée sur l'essieu avant d'une voiture de sport.


« Notre objectif était de construire un entraînement électrique avec le potentiel de la fabrication additive. Dans le but d'intégrer autant de fonctions et de composants que possible dans le carter d'entraînement, d'économiser du poids et d'optimiser la structure », déclare Falk Heilfort. Aucun autre processus de fabrication n'offre autant d'options et une mise en œuvre aussi rapide que l'impression 3D. Sans étapes intermédiaires telles que la production d'outils, l'imprimante peut recevoir les données de conception directement depuis l'ordinateur. Les composants sont ensuite créés couche par couche à partir d'un alliage d'aluminium en poudre. En conséquence, des conceptions telles que des boîtiers avec canaux de refroidissement intégrés dans presque toutes les géométries sont possibles. Chaque couche est fusionnée en elle-même et avec la précédente. Il existe un certain nombre de technologies différentes pour cela. Le boîtier d'entraînement a été créé à partir de poudre métallique de haute pureté en utilisant le procédé dit de fusion de métal au laser (LMF). Un faisceau laser chauffe la surface de la poudre en fonction du contour de la pièce et la fait fondre.

L'optimisation de l'entraînement électrique a commencé par l'intégration structurelle des roulements, des échangeurs de chaleur et de l'alimentation en huile. Cela a été suivi de la définition des charges et des interfaces calculées par ordinateur et de la détermination résultante des trajets de charge. L'étape suivante de la méthodologie de développement virtuel consistait à optimiser les chemins de charge en intégrant des structures dites en treillis. Ces structures «à pans de bois» sont calquées sur la nature, comme la structure des os ou des plantes. «Nous avons pu étendre et améliorer nos solutions logicielles et la méthodologie de création de tels composants, et nous pouvons désormais implémenter les composants virtuellement en très peu de temps», déclare Sebastian Wachter, spécialiste de la méthodologie de construction et de l'optimisation de la topologie dans le pré-développement d'entraînement. En lien avec l'intelligence artificielle, il existe des approches intéressantes pour l'avenir en termes d'optimisation des méthodologies de développement.


Cependant, la liberté de création étendue de l'impression 3D est également associée à des exigences de conception particulières. Les ingénieurs doivent tenir compte du fait que les pièces sont créées couche par couche par fusion. Si cela se traduit par des surplombs plus grands dans la géométrie, des éléments de support - par exemple des nervures - peuvent devoir être planifiés, mais ils ne doivent pas faire saillie dans les canaux porteurs de support. Il est donc important de prendre en compte la direction dans laquelle le logement sera construit pendant la construction. Avec la technologie de la machine actuellement disponible, l'impression du premier prototype de boîtier a pris plusieurs jours. De plus, en raison de la taille du composant, l'impression a dû être réalisée en deux processus de construction. Avec la dernière génération de machines, il est possible de réduire ce temps de 90 pour cent et de fabriquer le boîtier complet en un seul processus de construction.

L'intégration des fonctions et l'optimisation de la topologie ont permis de réduire le poids des composants du boîtier d'environ 40%. Cela signifie une économie de poids d'environ 10% pour l'ensemble de la transmission grâce à une construction légère. Dans le même temps, la rigidité a été considérablement augmentée. Malgré une épaisseur de paroi de seulement 1,5 millimètre sur l'ensemble, la rigidité entre la machine électronique et la transmission a augmenté de 100% grâce aux structures en treillis. La structure en nid d'abeilles réduit les vibrations des parois minces du boîtier et améliore ainsi considérablement l'acoustique de l'ensemble de l'entraînement. En intégrant des composants, l'unité d'entraînement est devenue plus compacte, l'ensemble d'entraînement a été amélioré et le travail d'installation a été réduit d'environ 40 étapes de travail. Il en résulte un temps de production d'environ 20 minutes plus court. Un avantage supplémentaire: l'intégration de l'échangeur de chaleur à engrenages avec un transfert de chaleur optimisé améliore le refroidissement de l'ensemble du variateur. Il s'agit d'une exigence fondamentale pour de nouvelles augmentations de performances.


Le boîtier imprimé en 3D montre une fois de plus le potentiel de la fabrication additive pour Porsche dans le domaine de l'innovation produit. Un potentiel supplémentaire se présente dans les domaines de l'innovation de processus - développement agile et production flexible - et dans de nouveaux domaines d'activité tels que l'individualisation avec de nouvelles offres pour les clients et dans le domaine de la fabrication de pièces de rechange. Cette technologie de production est techniquement et économiquement intéressante pour Porsche en particulier pour les séries spéciales et petites ainsi que pour le sport automobile.

Source : Communiqué et Photos Porsche