HONDA R&D CO., LTD.
Développer le moteur automobile de demain grâce à une conception générative
L’AVENIR DE LA FABRICATION
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Les chercheurs mettent au point un prototype de vilebrequin de conception générative deux fois moins lourd que les conceptions traditionnelles
Dans le cadre de la lutte mondiale contre les émissions de gaz à effet de serre, les constructeurs automobiles se sont fixé des objectifs ambitieux pour améliorer les économies de carburant et réduire les émissions de CO2 des automobiles. La conception peut jouer un rôle capital dans l’efficacité énergétique des véhicules; et la réduction du poids constitue un moyen extrêmement efficace pour y parvenir. Pour parvenir à une conception épurée, la structure et les matériaux utilisés dans chaque partie d’une voiture, qu’il s’agisse du châssis, du moteur ou des boulons, doivent être examinés. La dernière cible de Honda R&D, la division de recherche et développement du constructeur automobile, est l’une des pièces les plus fondamentales du moteur à combustion : le vilebrequin.
Un record d’innovation en matière de conception
La branche R&D de Honda au Japon étudie de près les technologies de fabrication de pointe, telles que la fabrication additive, depuis sa création. Lors de recherches sur les technologies de conception telles que l'optimisation topologique, l’unité a découvert la conception générative (la génération et l’exploitation de plusieurs concepts) et sa capacité à transformer considérablement les normes conceptuelles.
La conception générative avait déjà permis à l’industrie de repenser des composants tels que les supports de ceinture de sécurité, les calculateurs de moteur et les cadres de motos. Dans chaque cas, cela a entraîné une réduction significative du poids.
Hirosumi Todaka, Matériaux d’excellence en recherche innovante / Processus chez Honda R&D, présente le prototype de vilebrequin.
L’allègement du vilebrequin soulève des défis bien particuliers en matière de conception. Le vilebrequin constitue l’une des pièces fonctionnelles essentielles du moteur. Il convertit l’oscillation des pistons en force rotatoire. Il doit donc être extrêmement robuste et durable.
« Le vilebrequin doit respecter plusieurs critères fonctionnels », affirme Hirosumi Todaka, concepteur mécanique des fluides et machines du laboratoire de technologie avancée de Honda R&D. « Par exemple, sa structure doit pouvoir résister à des pressions de combustion et l’équilibre rotatoire doit être préservé. Ces facteurs dictent la forme des vilebrequins depuis toujours. Dans la longue histoire du développement des moteurs, leur conception est un fait acquis. Malgré cela, nous nous sommes fixé l’objectif de concevoir un vilebrequin 30 % plus léger que les modèles actuels. »
Apprendre à penser différemment
Honda R&D a lancé son projet, le premier du genre, en collaboration avec Autodesk, dans le but de cultiver une approche plus souple. « Nous devions absolument éliminer les préjugés pour ne songer qu’aux fonctions purement essentielles de la pièce », affirme Hisao Uozumi, chercheur en procédés de production conceptuelle et nouveaux matériaux chez Honda R&D. « Nous avons réalisé un atelier conjoint sur la pensée critique dans le but d’ancrer cette approche. »
« Une nouvelle approche utilisant des méthodes comme la conception générative et la fabrication additive était requise », explique Todaka. « Nous avons dû rejeter les notions préconçues pour renouveler notre vision. »
Honda et Autodesk ont participé à un atelier de conception organisé dans le centre de recherche de Honda à Wakō, dans la préfecture de Saitama, au Japon.
Un vilebrequin amélioré
Autodesk a conçu un modèle de premier lot respectueux des exigences de Honda en utilisant Netfabb et Fusion 360. « Nous avons fourni des données de poids et de contraintes opérationnelles variées, et avons étudié chaque point avec l’équipe d’Autodesk au fur et à mesure que le modèle prenait vie », explique Todaka.
Dans le passé, Todaka se fiait à son expérience pour concevoir des pièces de moteur de véhicules à deux et quatre roues qu’il analysait et affinait par la suite. Le résultat lui a d’abord coupé le souffle. Selon lui, « La pièce avait une forme organique, comme un os humain ». « Cela dépassait mon imagination la plus folle. »
L’équipe de projet de Honda R&D s’est rendue à Londres, où elle a reçu une formation en conception générative, puis elle a visité le Technology Center d’Autodesk à Birmingham et discuté d’autres sujets, dont la fabrication additive. Todaka décrit le centre comme un lieu où « les concepts pouvaient rapidement être transformés en prototypes. J’ai trouvé que le milieu était idéal pour appliquer les retours à notre travail sans attendre. »
Affiner le prototype
Les données sur les prototypes de vilebrequin de conception générative ont permis à Honda de revoir ses critères de disposition et de force des pièces, donnant lieu à de nouvelles conditions limites. L’équipe a poursuivi son travail et créé un modèle de second lot. « L’équipe d’Autodesk comptait plusieurs membres aux expériences variées, dont du secteur aérospatial », explique Uozumi. « Elle a compris ce que nous voulions faire de nos concepts et a donné forme à nos idées en relativement peu de temps. »
Un rendu du modèle de vilebrequin de conception générative. Avec l‘aimable autorisation de Honda R&D.
La conception générative offre un éventail d’options de conception, contrairement à l’optimisation topologique conventionnelle, qui se limite à une seule solution et nécessite des corrections manuelles fastidieuses. Les capacités de conception générative de Fusion 360 ont fourni au concepteur Todaka « une configuration jusqu’alors inimaginable ». Le nouveau concept surpassait les objectifs avec une surprenante réduction de poids de 50 %, mais des doutes persistaient quant à la rigidité de la pièce et à sa force par rapport à d’autres vilebrequins typiques.
Les membres de l’équipe ont assemblé le prototype de vilebrequin sur un moteur pour tester son rendement et obtenir des données. Ils ont transmis les résultats à l’équipe d’Autodesk, qui utilise les données de Honda pour affiner ses processus de conception générative. « L’application de la conception générative à une pièce rotatoire comme le vilebrequin s’est avérée une expérience extrêmement enrichissante pour Honda et Autodesk », affirme Todaka.
Le prototype de vilebrequin de conception générative, créé par impression métal.
Nouveaux modèles pour intégrer la fabrication à la conception
L’intégration de notions de fabrication au processus conceptuel s’est révélée essentielle. « Cela nous a fourni des modèles capables de tenir compte des limites conceptuelles, dont celles introduites par la fabrication additive, le moulage ou l’usinage à cinq axes », explique Todaka.
Pour Honda, ce projet a révélé le potentiel de la fabrication additive. « Si certains émettent encore des réserves quant à cette nouvelle forme, l’intérêt suscité par cette technologie justifie les efforts déployés », affirme Todaka. « Le travail que nous faisons pour alléger les pièces ne s’arrête pas là, mais nous savons maintenant comment aller de l’avant pour atteindre nos objectifs. À l’avenir, je m’attends à ce que tous les produits novateurs soient le fruit de la conception générative. À nous de trouver d’autres applications pour cette technologie dans le cadre de notre travail. »”
Hisao Uozumi, Création d’excellence en recherche innovante pour la fabrication de demain chez Honda R&D, discute du développement du prototype.