Fabrication additive pour les systèmes de freinage de nouvelle génération

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Léger et efficace : les avantages supplémentaires de la fabrication additive

En ce qui concerne les systèmes de freinage utilisés dans les trains, la sécurité, la fiabilité et les performances sont toujours la priorité numéro un. Dans ces domaines, Wabtec ouvre la voie avec ses solutions de freinage Metroflexx et Regioflexx. Metroflexx établit la norme pour le secteur des transports en commun, tandis que Regioflexx est notre solution de dernière génération pour les trains de banlieue, interurbains, régionaux et à grande vitesse.

En plus d'être aussi sûrs que possible, les deux systèmes sont également parmi les plus légers et les plus efficaces du marché, ce qui présente des avantages considérables pour les opérateurs ferroviaires. Nos ingénieurs y parviennent grâce à deux caractéristiques majeures de conception et de fabrication : l'utilisation de logiciels au lieu de composants pneumatiques et la fabrication additive. En tirant parti de ces solutions modernes innovantes, nous améliorons la fiabilité et les performances des deux produits de freinage, tout en réduisant les temps et les coûts de maintenance et d'installation, et en créant de multiples gains d'efficacité.

Une approche innovante de la conception et de la fabrication des freins

En développant Metroflexx et Regioflexx, Wabtec a fait un grand pas en avant en remplaçant certains composants pneumatiques qui remplissent des fonctions critiques pour la sécurité dans les systèmes de freinage par une émulation logicielle au même niveau de sécurité. L'avantage est clair : un composant qui n'est pas réellement un produit physique ne génère aucun coût au-delà du développement et de la validation, n'a aucun poids, ne crée aucune contrainte d'installation et ne nécessite aucune maintenance. Alors que les composants pneumatiques nécessitent des paramètres spécifiques au projet, une fois remplacés par un logiciel d'émulation, les paramètres sont remplacés par des paramètres logiciels qui ne doivent être corrigés qu'une seule fois pour le projet.

Ce changement est innovant et Wabtec aurait pu s'arrêter là, mais nous avons décidé d'aller encore plus loin. Nous avons choisi d'explorer l'utilisation de la fabrication additive pour les pièces pneumatiques restantes afin de réduire le poids et de rendre nos produits encore plus avantageux pour les clients.

Lorsque la fabrication additive est ajoutée au mélange

Les composants pneumatiques sont traditionnellement fabriqués en aluminium, soit usinés dans des billettes d'aluminium, soit, lorsque les volumes de fabrication le permettent, coulés. Chaque composant est soit bridé sur un panneau percé ou collé, soit monté sur un tuyau, et chaque interface entre un composant pneumatique et son support nécessite des fixations et des joints d'étanchéité pour assurer l'étanchéité. Bien que ce système permette de démonter facilement les composants pour la maintenance, l'utilisation de pièces supplémentaires a un prix : les joints de chaque interface doivent être remplacés lors de la révision du système de freinage et peuvent être sujets à des fuites. Cela signifie des coûts de maintenance accrus et une fiabilité dégradée, ainsi qu'un poids supplémentaire.

Lorsque Wabtec développait Metroflexx et Regioflexx, la technologie de fabrication additive révolutionnait déjà de nombreux secteurs, notamment les chemins de fer. Alors que nos ingénieurs avaient déjà minimisé le nombre de composants pneumatiques utilisés dans Metroflexx et Regioflexx, nous voulions également tirer pleinement parti de cette nouvelle technologie pour pousser encore plus loin l'intégration physique et minimiser le nombre d'interfaces pneumatiques requises.

Amélioration dans tous les domaines

L'image du haut de la figure 1 ci-dessous montre la conception initiale de la plaque principale Metroflexx avec de l'aluminium moulé et des composants pneumatiques clés bridés sur la plaque, avec des joints à chaque interface pneumatique, ainsi que des vis. L'image du bas montre la conception de la même plaque Metroflexx avec une conception de fabrication additive.

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Figure 1 : La version initiale de Metroflexx avec plaque moulée et la version imprimée en 3D

La technologie additive apporte de nombreux avantages : au niveau du produit lui-même, de la manière dont il est fabriqué et tout au long de son cycle de vie.

Intégration physique

• Le corps des principaux composants pneumatiques est entièrement intégré au corps de la plaque, ce qui limite le nombre d'interfaces pneumatiques et mécaniques. De plus, le nombre de joints est fortement réduit, ce qui améliore la fiabilité et réduit les coûts de maintenance.
• La tuyauterie interne est grandement optimisée, ce qui améliore les performances pneumatiques. Le placement des composants sur la plaque peut également être optimisé, sans contraintes d'usinage, ce qui facilite la maintenance.
• La version imprimée en 3D de Metroflexx fusionne pas moins de 32 pièces distinctes en un seul composant.

Amélioration du poids

Dans les équipements de commande de freinage traditionnels dotés d'une crémaillère électronique, d'un panneau de frein pneumatique et de soupapes de protection contre le glissement des roues, la commande de frein pèse environ 70 kg.

Le Metroflexx, qui remplace l'équipement de commande de freinage traditionnel, pèse 15 kg dans sa conception initiale avec une plaque en aluminium moulé. Lorsqu'il est produit avec une plaque de fabrication additive, le poids du Metroflexx tombe à 10 kg, soit une augmentation de poids de 33 %. La différence de 5 kg n'a pas d'impact majeur sur la charge utile du train, mais fait une énorme différence en termes de maintenance. En tant qu'unité remplaçable en ligne (LRU), pesant 10 kg, le Metroflexx (ou Regioflexx) peut être remplacé dans le train par un seul opérateur en moins de 20 minutes sans aucun outil spécial, ce qui signifie que la réparation ou la révision peuvent être effectuées dans un atelier spécialisé sans affecter la disponibilité des trains. Pesant 10 kg, Metroflexx et Regioflexx sont de loin les commandes de freinage intégrées les plus légères disponibles sur le marché.

Traitement

Le temps d'usinage est réduit de 80 % et l'énergie nécessaire à la production de la pièce est divisée par quatre. Notre chaîne d'approvisionnement devient plus flexible car nous ne dépendons plus des fournisseurs de pièces moulées. Il en résulte une réduction des besoins de transport et la possibilité de commander des quantités selon les besoins, sans exigence minimale.

Évolution du design

La conception est totalement flexible, de sorte que les modifications peuvent être effectuées selon les besoins simplement en modifiant le modèle numérique associé, éliminant ainsi les coûts liés aux modifications d'outillage.

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Figure 2 : La version initiale de Metroflexx avec plaque moulée et la version imprimée en 3D

Des tests exhaustifs pour garantir la sécurité

Lorsqu'il s'agit d'équipements critiques pour la sécurité tels que les systèmes de freinage, Wabtec prend très au sérieux les tests et la validation de ses innovations. La fabrication additive ne fait pas exception. Nos produits ont été soumis aux tests les plus rigoureux pour valider leurs principales caractéristiques de sécurité.

1. Nous avons examiné comment garantir la propreté et l'absence de pollution des canaux pneumatiques, en particulier au niveau de la tuyauterie et des composants.
2. Nos laboratoires ont effectué des tests hydrauliques et de fatigue à haute pression pour garantir la robustesse du produit sous pression.
3. Les produits ont été soumis à des chocs et à des vibrations afin de garantir leur résistance à un environnement ferroviaire réel.
4. Nous avons effectué des tests environnementaux, notamment en exposant les produits à des températures extrêmes et à des embruns salés.

Ce vaste programme de validation nous a permis d'être pleinement convaincus que cette technologie pouvait garantir le même niveau de sécurité et de durabilité que les systèmes et composants pneumatiques fabriqués de manière traditionnelle.

Fabrication additive : des avantages à chaque étape

Les avantages offerts par l'utilisation de la fabrication additive sont innombrables et ne peuvent être surestimés. Cette technologie permet non seulement de réduire le poids des pièces produites, mais elle permet également l'intégration des produits et des fonctions, ce qui limite les besoins de maintenance des équipements. Il réduit les délais de fabrication et les délais de livraison des pièces de rechange, tout en allégeant la chaîne d'approvisionnement. Ces avantages, qui sont avantageux pour les opérateurs ferroviaires, sont également bénéfiques pour l'environnement car ils rendent le processus de fabrication beaucoup plus écologique en réduisant considérablement la consommation d'énergie.

À l'avenir, Wabtec a récemment décidé de construire un centre européen de fabrication additive à Tours, en France. Le site est capable de fabriquer des pièces en polymère et en métal et propose des services pour l'ensemble de la chaîne de valeur, allant du conseil en conception à l'exécution de la preuve de concept, en passant par l'assistance à la validation et à la certification, l'impression 3D et le post-traitement (usinage, peinture, traitement de surface...).

Nous nous engageons à exploiter le potentiel de cette technologie révolutionnaire pour créer des systèmes de freinage toujours plus fiables et efficaces qui aident le secteur du transport ferroviaire à se diriger vers un avenir plus sûr et plus écologique.