Dans le cadre d’une coopération avec le constructeur de voitures de sport Porsche et l’entreprise de construction mécanique Trumpf, MAHLE a produit pour la première fois des pistons en aluminium haute performance en utilisant des techniques d’impression en 3D.

Les pistons ont été testés avec succès sur le banc d’essai du moteur de la voiture de sport 911 GT2 RS de Porsche.

Alors que les pistons forgés standard ont atteint les limites de leur potentiel de performance, il est concevable que la puissance du moteur Porsche de 700 CV puisse être augmentée de 30 CV avec une augmentation associée de l’efficacité.

MAHLE développe spécifiquement son expertise dans le domaine de l’impression 3D, de sorte qu’elle pourra également soutenir ses clients dans le domaine des entraînements alternatifs, y compris les entraînements électriques, en fournissant rapidement les composants appropriés pour les entraînements, la gestion thermique et la mécatronique.

Les résultats du projet confirment le grand potentiel de l’impression 3D et démontrent la compétence particulière de MAHLE dans le domaine des petites séries et des tirages limités à haute performance et en ce qui concerne le prototypage et le marché des pièces de rechange.

—Martin Berger, directeur de la recherche d’entreprise et de l’ingénierie avancée, MAHLE.

Frank Ickinger, chef de projet chez Porsche, commente : « Grâce à l’étroite collaboration de toutes les personnes impliquées, nous avons pu démontrer le potentiel de la fabrication d’additifs dans notre voiture de sport haute performance haut de gamme, la Porsche 911 GT2 RS, ouvrant ainsi la voie à son utilisation dans les futurs véhicules.

En termes de technologie, c’est le début d’un nouveau chapitre pour nous, qui ouvre des possibilités totalement nouvelles en matière de conception et de production ».

Steffen Rübling, chef de projet chez Trumpf, voit également de grandes possibilités pour l’impression 3D dans les futurs processus de fabrication.

«Le projet illustre comment l’impression 3D peut être utilisée pour améliorer encore les composants dont le potentiel de performance a déjà été épuisé par des décennies de développement. De nombreuses autres industries, telles que l’aérospatiale et l’énergie, en bénéficieront.»

La conception bionique réduit le poids du piston et augmente la vitesse maximale du moteur

Le nouveau processus présente l’option de mettre en œuvre une conception dite bionique. Dans cette approche, le matériau est ajouté uniquement dans les zones chargées, la structure du piston étant adaptée à la charge.

Cela permet d’économiser de la matière et de rendre le piston imprimé en 3D jusqu’à 20 % plus léger que son homologue fabriqué de manière conventionnelle, tout en augmentant sa rigidité.

En outre, MAHLE a introduit une galerie de refroidissement positionnée de manière optimale et de forme spéciale à proximité des segments de piston.

La galerie de refroidissement réduit la charge thermique au niveau de ce qu’on appelle la partie supérieure, une partie particulièrement sollicitée du piston, ce qui optimise la combustion et ouvre la voie à des vitesses maximales plus élevées.

Le nouveau procédé de production est basé sur un alliage d’aluminium spécial développé par MAHLE et utilisé avec succès depuis longtemps dans les pistons coulés. L’alliage est atomisé en une fine poudre puis imprimé selon un procédé connu sous le nom de fusion laser des métaux (LMF).

Un faisceau laser fait fondre la poudre à l’épaisseur de couche souhaitée, puis une nouvelle couche est appliquée par-dessus, ce qui permet de construire le piston une couche à la fois.

Grâce à cette méthode, le spécialiste de l’impression 3D Trumpf produit des ébauches de piston composées d’environ 1 200 couches en 12 heures environ.

Ce projet comportait de multiples défis. De la conception du piston à la spécification du matériau et au développement des paramètres d’impression appropriés, nous avons dû procéder à de nombreux ajustements fins pour obtenir un résultat optimal.

— Volker Schall, responsable de la conception des produits en ingénierie avancée, MAHLE

«Nous avons maintenant non seulement maîtrisé l’aspect technique des choses, mais nous pouvons également évaluer comment la méthode peut être intégrée dans les processus de fabrication existants», a ajouté M. Schall.

Une qualité élevée confirmée

L’ébauche de piston est ensuite finie, mesurée et testée chez MAHLE et doit répondre aux mêmes normes strictes qu’une pièce fabriquée de manière conventionnelle.

Une attention particulière est accordée à la zone centrale du piston, appelée jupe, et au point de connexion avec la bielle, l’alésage de l’axe.

Ces zones sont soumises à des tests de pulsation et d’arrachement de la jupe ; les ingénieurs de MAHLE peuvent ainsi simuler les charges qui se produiront lors d’une opération future.

En plus de découper les pistons ouverts pour l’analyse, le partenaire du projet Zeiss a effectué de nombreux essais non destructifs en utilisant des procédures telles que la tomodensitométrie, le balayage 3D et la microscopie.

Les résultats montrent que le piston imprimé atteint le même niveau de qualité qu’un piston de production fabriqué de manière conventionnelle.

En ce qui concerne les essais pratiques, six pistons ont été montés dans le moteur de la Porsche 911 GT2 RS, et l’unité motrice a passé avec succès 200 heures d’essais d’endurance dans les conditions les plus difficiles du banc d’essai.

Cela a représenté environ 6 000 kilomètres à une vitesse moyenne de 250 km/h, y compris les arrêts de ravitaillement, et environ 135 heures à pleine charge. Le parcours d’essai comprenait également 25 heures de charge moteur, c’est-à-dire le mode de dépassement simulé d’un véhicule.

Un refroidisseur d’air de suralimentation supplémentaire pour une efficacité encore plus grande

Une autre preuve des avantages de l’impression en 3D est fournie par un refroidisseur d’air de suralimentation supplémentaire, à nouveau développé dans le cadre du projet conjoint avec Porsche et Trumpf.

Caché dans une conduite d’air entre le turbo et le refroidisseur d’air de suralimentation d’origine, ce composant supplémentaire bénéficie d’une surface de transfert de chaleur nettement plus importante grâce aux possibilités offertes par l’impression 3D.

Cela permet d’optimiser le contrôle du débit et le refroidissement, ce qui se traduit par un air d’admission plus frais, une augmentation des performances du moteur et une réduction de la consommation de carburant.