Ce sont les principales tendances en matière de conception légère

Les avantages environnementaux et économiques considérables de la poursuite de l'innovation dans la conception légère garantissent qu'elle continuera d'être un domaine crucial d'investissement et de recherche pour de nombreuses industries aujourd'hui et dans les années à venir.

Conception légère Ce sont les principales tendances en matière de conception légère

De Simon Morrison

La conception légère est l’avenir de la fabrication – d’une part, les émissions sont réduites et, d’autre part, de meilleures performances des composants peuvent être obtenues. Nous mettons en évidence les matériaux les plus importants, les technologies tendances et les solutions pour le développement futur de la conception légère moderne.

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Les avantages environnementaux et économiques considérables de la poursuite de l'innovation dans la conception légère garantissent qu'elle continuera d'être un domaine crucial d'investissement et de recherche pour de nombreuses industries aujourd'hui et dans les années à venir.
Les avantages environnementaux et économiques considérables de la poursuite de l’innovation dans la conception légère garantissent qu’elle continuera d’être un domaine crucial d’investissement et de recherche pour de nombreuses industries aujourd’hui et dans les années à venir.

En termes simples, la conception légère consiste à réduire la quantité de matériau dans un composant pour réduire son poids total sans sacrifier la fiabilité ou la fonction.

Les gouvernements et les consommateurs exigent que les industries de divers secteurs réduisent leur consommation d’énergie et leurs émissions de gaz à effet de serre. La conception légère est conçue pour fournir aux fabricants les solutions dont ils ont besoin pour relever les défis posés par le changement climatique tout en améliorant les performances des composants et en améliorant la durée de vie des produits.

Ceci est principalement observé dans les industries automobile et aérospatiale où la conception légère a conduit à des améliorations de l’efficacité énergétique et à de meilleures performances dans les avions et les véhicules électriques. Cependant, il convient de noter que la conception légère stimule également l’innovation dans l’industrie de la construction, les énergies renouvelables et la fabrication de produits électriques et électroniques. Des composants plus légers ont entraîné une réduction des coûts de transport et d’énergie ainsi que des méthodes de production plus économes en ressources dans tous ces secteurs.

Le papier conceptuel "Fonderie d'aluminium : Success story partie 2" analyse entre autres les problèmes actuels de l'industrie de la fonderie et en tire des recommandations d'action.

Les avantages environnementaux et économiques considérables de la poursuite de l’innovation dans la conception légère garantissent qu’elle continuera d’être un domaine crucial d’investissement et de recherche pour de nombreuses industries aujourd’hui et dans les années à venir.

Matériaux populaires pour la conception légère

Alliages d’aluminium

L’aluminium est largement utilisé dans l’industrie automobile pour ses propriétés de légèreté. Les analystes de l’industrie automobile ont déclaré que l’utilisation de pièces en aluminium peut entraîner jusqu’à 50 % de réduction du poids du véhicule sans sacrifier la sécurité ou les performances. La malléabilité, la durabilité et la légèreté de l’aluminium en font également un matériau populaire pour la fabrication de biens de consommation, de produits électroniques et d’avions.

Un rapport de DuckerFrontier, le 2020 North American Light Vehicle Aluminium Content and Outlook, prévoit que l’utilisation d’aluminium sur le marché automobile américain devrait atteindre plus de 233 kilos par véhicule d’ici 2026. Il s’agit d’une augmentation de 12 % par rapport aux niveaux de 2020. La consommation mondiale d’aluminium devrait atteindre 64,2 millions de tonnes métriques d’ici la fin de 2021.

Alors que la tendance vers les véhicules hybrides et électriques se poursuit, les constructeurs automobiles continueront de considérer l’aluminium comme un matériau de choix en raison de son faible coût, de ses hautes performances et de ses propriétés exceptionnelles d’économie de poids.

L'aluminium est une matière première robuste, résistante à la corrosion et à la température.

Alliages de magnésium

33 % plus légers que l’aluminium, 50 % plus légers que le titane et 75 % plus légers que l’acier, les alliages de magnésium s’avèrent être un matériau précieux pour les ingénieurs concepteurs légers. Le magnésium peut être facilement usiné, a une bonne résistance structurelle et est largement utilisé dans les industries automobile et aérospatiale ainsi que pour fabriquer des produits de consommation.

Sa faible densité et sa résistance spécifique élevée signifient que le magnésium est utilisé comme composant léger dans tout, des avions aux missiles en passant par les ordinateurs portables et les téléviseurs. Outre des composants et des éléments structurels, des batteries à base de magnésium sont actuellement en cours de développement pour une utilisation dans l’industrie automobile.

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Cet article décrit trois méthodes d'extraction du magnésium : le procédé Horizontal Pidgeon, le procédé Vertical Pidgeon et la réduction aluminothermique.

Une analyse du US Automotive Material Partnership a déclaré que 113 kilos de magnésium peuvent être utilisés pour remplacer 226 kilos d’acier. 40 kilos de magnésium peuvent remplacer 68 kilos d’aluminium. Cela se traduit par un réduction de 15 % du poids total du véhicule.

La Chine prévoit d’augmenter la quantité de composants en magnésium utilisés dans la production automobile jusqu’à 45 kilogrammes par véhicule d’ici 2030.

Le marché mondial du magnésium était évalué à 4 115,0 millions USD en 2019 et devrait atteindre 5 928,1 millions USD d’ici 2027. La Chine produit environ 85 % du magnésium mondial. Cependant, les fermetures récentes de fonderies entraînent des pénuries de magnésium, ce qui suscite des inquiétudes quant à l’offre et à l’inflation.

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Alliages de titane

Le titane est très résistant à la corrosion, est antimagnétique, offre une bonne protection contre les champs électriques et électromagnétiques, résiste aux températures extrêmes et a une résistance à la traction supérieure à celle de l’acier tout en ne pesant que la moitié du poids.

Il y a eu d’énormes progrès dans la production d’alliages de titane ces dernières années. Ils sont maintenant utilisés pour fabriquer des produits tels que des aubes de turbine, des châssis d’avion, des résistances, des circuits imprimés et des instruments chirurgicaux. L’industrie automobile fabrique des systèmes d’échappement, des moteurs, des transmissions et des cadres légers en titane.

Les alliages de titane modernes sont fabriqués à partir de titane et de soufre et offrent la même résistance à la traction que les métaux à base de titane tout en ayant le même poids. La demande mondiale de titane devrait passer de 24,7 milliards USD en 2021 à 33,5 milliards USD d’ici 2026.

Le XB-1 volera avec des composants en titane imprimés en 3D, dont la plupart effectuent des opérations critiques du moteur.  Toutes les pièces sont fabriquées sur le système Sapphire de VELO3D.

Innovations dans les technologies de conception et de fabrication légères

Les innovations dans les technologies de fabrication commencent à progresser alors que les industries se démènent pour créer des composants plus légers afin d’atteindre leurs objectifs environnementaux.

La rhéocasting remplace désormais largement la thixocasting, car les entreprises recherchent de nouvelles méthodes pour créer des composants à faible coût et hautes performances. L’un des principaux avantages de la rhéocasting est sa capacité à couler du métal dans une large gamme de fractions solides. Rheocasting peut produire de manière efficace et économique des composants légers qui ont une résistance élevée et une bonne ductilité.

Les progrès de la technologie de fabrication additive (impression 3D) offrent aux ingénieurs une plus grande liberté de conception que jamais. La fabrication additive peut permettre aux fabricants de créer des géométries complexes à un coût bien inférieur à celui des techniques traditionnelles de moulage sous pression. La fabrication additive est également utilisée pour réduire le poids des composants en convertissant des géométries solides en structures creuses ou en remplaçant les structures solides par des structures internes en treillis. En effet, il existe désormais une gamme de composants légers qui ne peuvent être produits qu’en utilisant des techniques de fabrication additive.

SAG investit 3,6 millions d'euros dans un système de rhéocasting à la suite de commandes importantes de l'industrie automobile.

Solutions légères futures

L’avenir de la conception légère continuera d’être dominé par l’utilisation d’alliages d’aluminium, de magnésium et de titane, mais intégrera également des matériaux composites tels que des polymères renforcés de fibres de carbone ou de verre. De nombreuses entreprises se concentrent désormais sur le développement de composants légers hybrides à base de plastique destinés à être utilisés dans les industries aérospatiale et automobile.

Les innovations dans les logiciels informatiques et les techniques de fabrication additive permettront le développement de produits, de pièces et de structures encore plus légers. Les ingénieurs peuvent obtenir une optimisation de topologie maximale pour une gamme de composants en utilisant un logiciel spécialisé pour identifier les zones où la réduction de poids peut se produire le plus efficacement. Les modèles 3D numérisés peuvent ensuite tester les performances des pièces légères proposées pour identifier les options de conception optimales.

Le consortium Tucana permettra à Jaguar Land Rover d'aller plus loin dans les futurs véhicules électriques en utilisant des composites avancés tels que la fibre de carbone.

La conception bionique et le biomimétisme peuvent indiquer où se trouve l’avenir de la conception légère. Les ingénieurs et les scientifiques produisent des composants basés sur des structures légères et multifonctionnelles trouvées dans la nature. Les exemples de ceci incluent l’avion concept Airbus 2050 qui incorpore un fuselage basé sur des structures osseuses. Les efforts de recherche récents se sont concentrés sur les exosquelettes d’organismes planctoniques unicellulaires, les structures en nid d’abeilles, les structures en tiges d’herbe et les cellules épidermiques et les ailes des papillons.

En combinant la recherche constante d’innovations technologiques et scientifiques avec une compréhension plus profonde de la nature, les fabricants et les industries continueront à développer des composants plus légers et plus solides qui aideront l’humanité dans notre objectif commun de réduire le CO2 émissions et lutter contre le changement climatique.

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