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Les ingénieurs de Ford troquent leurs outils pour des lunettes 3D
Comment les nouvelles technologies entrent de plain-pied dans le processus de fabrication d'une voiture, et même avant cela, dans la réflexion, l'ergonomie ou le design final ? Voilà ce que les équipes de Ford nous ont expliqué lors d'une visite au centre de recherche et développement à Cologne. Publié le: 24 mai 2013 11:55 Par Marine Goy
Le travail de réflexion autour de la fabrication d'un nouveau modèle de voiture commence bien en amont de la commercialisation. Il faut compter 3 à 5 ans de gestation avant d'assister à la naissance d'une voiture. Grâce aux nouvelles technologies, les concepteurs ont gagné du temps et de l'argent dans la réflexion et la conception d'un nouveau modèle. Comme beaucoup de secteurs industriels, et notamment l'aviation, l'industrie automobile s'est dotée d'imprimantes 3D de haute volée pour développer tout type de pièce maîtresse dans les prototypes de fabrication. Outre ces conceptions maison réalisées en impression 3D, Ford fait appel à un environnement automatisé par ordinateurs pour tester les futurs modèles en réalité virtuelle. Baptisé CAVE, pour Computer Automated Virtuel Environment (environnement virtuel automatisé par ordinateur), ce système reconstitue tout l'environnement extérieur (route, piétons, cyclistes...) pour simuler la voiture en situation et tester la visibilité du conducteur.
Les équipes de Ford nous ont conduits au cœur de leurs usines pour nous présenter ces deux processus technologiques complémentaires que sont la fabrication de pièces par impression 3D et l'expérience virtuelle de la 3D CAVE. Comment ça marche et quels sont les bénéfices ?
L'impression 3D au service du design automobile
Parce que rien ne remplace la sensation bien réelle de l'objet entre les mains, dès 1992, Ford a commencé à utiliser la technologie d'impression 3D, moins chère et plus pratique que la sous-traitance du service de fabrication. Le centre R&D de Cologne est équipé de 5 modèles d'imprimantes 3D conçues pour la production d'objets. Fabriquées à l’unité ou en petits nombres, ces pièces sont nécessaires à la conception, tant au niveau du design que pour évaluer les phases conceptuelles dans la fabrication de prototypes de véhicules. Les pièces imprimées peuvent être analysées individuellement ou intégrées à une maquette de voiture grandeur nature. Ces imprimantes 3D ultra-sophistiquées sont capables de fabriquer pratiquement n'importe quelle forme en utilisant un fichier numérique contenant les données sur la structure de l'objet.
Conception d'une pièce de volant : du fichier numérique à l'impression 3D.
Démonstration vidéo de l'impression d'une pièce en 3D :
Il existe plusieurs méthodes de fabrication, mais toutes reposent sur l'empilement de couches de 0,002 mm d'épaisseur. Ford utilise des machines qui peuvent créer des objets à partir de différentes matières : de la résine de cire, de la poudre plus ou moins endurcie et du métal. Les informations sur la forme et la structure de la matière sont délivrées à l'imprimante 3D par la CAD (Computer-aided-design, la conception assistée par ordinateur). Un logiciel dédié découpe les données en plusieurs couches pour ensuite les transformer en instructions destinées à l'imprimante. Les couches sont ensuite collées ou fusionnées en fonction du matériau.
La technologie limite la fabrication des pièces à 700 mm maximum. Pour les grandes pièces, le logiciel d'impression 3D peut les décomposer en plusieurs formes à assembler.
Exemple d'une grande pièce à emboiter, fabriquée avec une imprimante 3D.
Les avantages de l'impression 3D sont multiples dans le cadre de la recherche et du développement. Rapide et efficace, elle permet de produire des pièces à l'envi, quels que soient le nombre ou la complexité de la forme. Ford affirme que ce processus permet d'économiser du temps et de l'argent par rapport à une fabrication d'usine traditionnelle.
Dans le futur, Ford n'exclut pas la production de masse en impression 3D, partant du principe que si la technologie peut produire des composants de véhicules, elle peut aussi fabriquer des outils voire des équipements de sécurité personnalisés pour les employés, citant des protège-oreilles sur mesure. Plongée en pleine réalité virtuelle avec la 3D Cave Voilà une bien drôle de salle que celle dans laquelle nous avons passé une petite heure. Confortablement installé dans un vrai siège auto ajustable de voiture, lunettes à verres polarisés chaussées sur le nez et manettes (à détecteurs de mouvements infrarouges) en mains, nous voilà totalement immergés dans l'habitacle. Le principe repose sur la reconstitution ultra réaliste de l'environnement extérieur. La pièce dans laquelle nous avons expérimenté l'expérience de la 3D Cave est composée de 4 écrans en verre acrylique composites (3 murs et 1 plafond) capables de nous plonger dans un environnement virtuel 3D à l'échelle et de nous faire vivre une expérience plutôt réaliste. Chaque écran dispose d'un filtre 3D polarisant de 2,9 x 2,4 mètres pour une surface de projection totale de 28 m². Le tout est contrôlé par un ordinateur chargé de transporter l'utilisateur dans divers scénarios. 8 caméras équipées de systèmes infrarouges suivent les mouvements émis par les capteurs disposés sur les manettes et les lunettes du conducteur afin d'assurer l'interaction des mouvements en situation. Ainsi, lorsque le pilote touche un des éléments de la voiture, celui-ci devient bleu à l'écran et les mains sont représentées dans leur position. Démonstration de l'expérience 3D Cave en vidéo :
Expérience de 3D Cave in situ.
Tout près de la scène, pas moins de 8 ordinateurs sont chargés d'assurer le traitement des images, à l'aide de 384 Go de RAM pour traiter jusqu'à 4,5 Go de données. Les processeurs à l'intérieur sont des Nvidia 4 core 6000. Le procédé utilise 8 projecteurs capables de produire plus de 61 millions de pixels combinés. Conformément au principe de la 3D, pour chacun des 4 écrans (3 murs et 1 plafond), un projecteur fournit les images de l'œil gauche et l'autre celles pour l'œil droit. Les lunettes se chargent de recomposer le tout pour immerger le spectateur-testeur dans un environnement réaliste. Basé sur le principe de projection arrière, le procédé de 3D Cave fonctionne comme le procédé otique utilisé au cinéma. 4 miroirs de 1,2 et 1,5 mètre reflètent les images et les projettent sur l'écran.
Derrière la scène.
Pour la Ford Focus, la 3D Cave a permis de valider les dimensions de l'habitabilité arrière, notamment l'espace disponible au niveau des jambes en fonction du réglage des sièges, mais aussi l'espace des coudes en fonction du dessin des portières, l'accessibilité du rétroviseur en fonction du réglage du siège, l'accès à la boite à gants... Tous ces détails déterminants dans la conception d'une voiture. "Grâce au Cave, nous pouvons analyser plus rapidement et plus facilement nos projets de design" affirme Michael Wolf, responsable de la réalité virtuelle pour Ford Europe. "Fabriquer trois montants de pare-brise différents et les intégrer à un prototype nous prendrait une dizaine de jours. Nous pouvons faire la même chose en un ou deux jours avec un simulateur 3D."
Ce dispositif est essentiellement destiné aux ingénieurs et sert également à montrer des prototypes virtuels aux dirigeants, ou encore pour faire des "tests cliniques" à des clients potentiels. Dans ce cas, la configuration sera simplifiée et les gestes que nous avons pu faire durant la démonstration (ouvrir et fermer la boite à gants, allumer la radio, fermer les portes...) ne seront pas disponibles. Il s'agira là d'une expérience simplifiée basée uniquement sur le ressenti du conducteur dans la voiture avec une interaction simplifiée. Les clients potentiels peuvent intervenir à différents stades dans la conception de la voiture.
L'environnement 3D est utilisé pour immerger le conducteur à bord d'une voiture virtuelle, mais sa fonction ne s'arrête pas là. La 3D Cave valide la possibilité d'assembler les différentes pièces, un peu comme dans un puzzle, de s'assurer que les dimensions des objets conçus pour être intégrés à l'intérieur du véhicule (comme les sièges par exemple) sont compatibles avec la taille des portières. Mais l'environnement virtuel est également utilisé pour certifier "des postes de travail sur chaîne" et s'assurer que les mouvements des ouvriers en charge de la fabrication sont les plus confortables et sécurisés possible. Des projets nombreux et ambitieux pour un dispositif très sophistiqué qui n'existe, pour l'instant, qu'à Cologne. Ford dispose d'autres simulateurs aux États-Unis, mais moins sophistiqués.
Un exemple de défi relevé grâce à la 3D Le processus de 3D Cave a récemment été utilisé pour améliorer le confort des passagers à l'arrière de la B-MAX. La mise au point du système d'ouverture Easy Access, qui se distingue par ses portes traditionnelles sur charnières à l'avant et coulissantes à l'arrière, avec montant central intégré, a représenté un des plus grands défis relevés par Ford en termes de technologie. En effet, il a fallu concevoir un habitacle sans montant central, la partie qui assure la solidité en cas de choc latéral. La suppression de cette pièce change intégralement l'architecture de la voiture. Les ingénieurs doivent faire face aux différentes contraintes et assurer la protection des passagers. Le simulateur de réalité virtuelle a permis de mesurer l'impact du dessin des portes sur la visibilité et limiter les reflets à travers les vitres... toutes les questions d'ergonomie ont été testées en situation réelle.
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