Des vélos imprimés en 3D - un rêve ?
Achat d'un vélo 2.0 : celui qui veut un nouveau vélo de course se rend - chez le bikefitter. Celui-ci prend toutes les mesures corporelles nécessaires et envoie les données au centre de production local. Le vélo - cadre, guidon, selle et de nombreuses autres pièces - y est produit et prêt à être retiré deux semaines plus tard. Imprimé en titane et en plastique. Léger, résistant à la corrosion, durable, presque entièrement recyclable et pas plus cher que les vélos actuels en carbone. Un rêve ? Pour l'instant, oui. Mais certains de ces rêves sont déjà devenus réalité.
Lors de l'Eurobike de juin à Francfort, le fabricant hollandais Pilot Cycles a présenté "Seiren" - le prototype d'un vélo de course, imprimé et collé à partir de trois pièces de titane. L'entreprise basée à Eindhoven soude depuis dix ans des cadres conventionnels en titane sur mesure. L'usine la plus récente est le premier cadre dont les tubes sont également imprimés, la production en série devrait commencer à la fin de l'année. Dans un premier temps, les hauteurs de cadre 54 et 56 seront proposées avec une géométrie standard. Équipé de composants de haute qualité, le prix devrait se situer autour de 16.000 euros. Des géométries sur mesure devraient suivre.
Bastion, un fabricant australien, imprime des manchons en titane et y colle des tubes en carbone. Les Australiens se sont inspirés du travail de diplôme de l'Allemand Ralf Holleis, qui a été le premier à utiliser ce procédé (voir l'interview ci-dessous). Bastion affirme pouvoir imprimer un jeu de moufles en deux jours. Les vélos ainsi créés sont fabriqués sur mesure et coûtent environ 17.000 euros. Les vélos de Sturdy Cycles, en Angleterre, se situent également dans des régions comparables. Contrairement à Bastion, ils sont entièrement fabriqués en titane.
Tom Sturdy, ingénieur en aéronautique, vit son rêve de vélo individuel comme personne et soude les tubes dans des manchons en titane. Sturdy imprime également les manivelles, les guidons et les petites pièces et confère à tous les produits une esthétique robuste et particulière par anodisation. Il est à la fois développeur, préparateur de vélos et fabricant. Malgré tout, Sturdy est rapide. Actuellement, le délai entre la commande et la livraison du vélo individuel est d'environ trois mois seulement. Chez Bastion, en revanche, les intéressés doivent compter avec un délai d'au moins un an.
L'impression 3D est (encore) chère
Quand on parle d'imprimer des objets (voir ci-dessous), deux approches techniques entrent en ligne de compte : la fusion ou le soudage d'un matériau de base généralement sous forme de poudre est le procédé habituel pour les objets métalliques. Le plastique est appliqué au moyen d'une buse.
L'impression de métal coûte cher - surtout l'impression de grandes pièces. Johannes Thumm, ingénieur au laboratoire d'innovation de Canyon, rapporte que lors d'un récent salon, un prestataire de services a proposé d'imprimer des cadres en titane à la pièce - pour 15 000 euros l'exemplaire. Un prix qui est peut-être payé pour des pièces de fusée, mais certainement pas pour un cadre de vélo à l'achat. Canyon fait néanmoins des recherches intensives sur le thème de l'impression 3D du titane, dit Thumm : "En fait, nous avons d'abord pensé à des matériaux composites à base de fibres naturelles, mais après l'écho positif rencontré par un cadre en aluminium imprimé en 2021, nous nous sommes penchés sur le titane, car il permet de réaliser un véritable cycle des matériaux".
Le point fort est un partenariat avec la jeune entreprise américaine Iperionx, qui veut exploiter le titane de manière beaucoup plus économique et écologique grâce à de nouveaux procédés - dans le Tennessee, aux États-Unis. Le titane est en fait un métal courant, mais difficile à extraire jusqu'à présent. Iperionx a également mis au point un procédé permettant de recycler le métal en utilisant relativement peu d'énergie, ce qui n'était pas possible jusqu'à présent. Sur cette base, Iperionx a pour objectif d'utiliser le titane en tant que métal durable de manière plus polyvalente que cela n'a été possible jusqu'à présent, non seulement pour l'aérospatiale et la technologie médicale, mais aussi pour l'industrie automobile et les objets de tous les jours.
Le titane pourrait concurrencer le carbone
Il n'est pas encore certain que ce plan aboutisse. En 2022, Iperionx a fait son entrée à la bourse technologique Nasdaq, mais les processus sont tous encore au stade expérimental. Le rapport d'activité indique qu'il peut être risqué d'investir son argent dans l'idée. Mais si ce que l'entreprise annonce se réalise, le titane pourrait concurrencer le carbone. Le métal ne permettra probablement pas d'atteindre le faible poids des cadres optimisés en PRFC, mais il offrirait de nombreux autres avantages, notamment une production locale et un bilan écologique plus favorable.
Pilot Cycles a indiqué que le poids du prototype était de 1150 grammes, la prochaine version devrait être encore plus légère de 100 grammes. Ce serait très léger pour du titane, mais toujours 350 grammes de plus que ce qui est actuellement possible avec du carbone. Il est déjà possible de remporter des courses sur un vélo imprimé. Le cycliste professionnel italien Filippo Ganna a battu le record du monde de l'heure avec le Pinarello Bolide F HR 3D-C, composé de trois pièces d'aluminium imprimées et collées ensemble.
Le cockpit sur mesure, qui soutenait Ganna tout en dirigeant le flux d'air, est imprimé en titane. Ce procédé a donné aux ingénieurs la liberté de tester la qualité aérodynamique de différentes variantes du vélo beaucoup plus rapidement qu'avec le carbone et d'adapter le vélo individuellement à l'athlète. Comme il n'est pas nécessaire de fabriquer des moules, l'étape de la conception au vélo est considérablement plus courte et moins coûteuse qu'avec le carbone.
La personnalisation pour les masses grâce à l'impression 3D
L'impression ne concerne pas uniquement les cadres ou les parties de cadres. Les selles imprimées, par exemple, sont déjà plus répandues aujourd'hui et plusieurs grands fabricants les proposent dans leur programme. Le tchèque Posedla est le seul fournisseur à fabriquer des selles personnalisées sur la base d'une empreinte du postérieur. Coût : 490 euros, avec une garantie de remboursement en cas de non-satisfaction.
Le fabricant anglais Metron, qui a participé à la construction du vélo du record du monde de l'heure de Pinarello, vend des potences et des guidons de vélo de piste sous le label Mythos. Sur 4-frames.de, il est possible d'acheter des pièces de montage imprimées qui permettent d'ajouter aux vélos de course contre la montre de Canyon un espace de rangement à la forme aérodynamique optimale. De petites pièces telles que des porte-dossards sont également en vente dans la boutique en ligne.
La technique d'impression d'objets est donc arrivée dans le monde du vélo, tout comme dans d'autres secteurs de l'industrie où les pièces de rechange, les prototypes, mais aussi les petites séries sont déjà une réalité. C'est notamment dans l'aéronautique que la force de l'impression prend tout son sens, car les structures complexes des pièces de moteur peuvent être regroupées en une seule pièce imprimable, ce qui permet de réduire leur poids.
Selon les experts, l'impression ne sera pas une brève incursion dans l'aventure du réalisable, bien au contraire. A long terme, il est envisageable que les clients achètent directement des données pour l'impression ultérieure de pièces de rechange lors de l'achat de machines, estime l'expert en impression plastique Jens Kruse de l'Institut pour la production intégrée à Hanovre. Cela contribuerait également à une plus grande durabilité et pourrait concerner, pour le vélo, des pièces telles que les capots ou les carénages des vélos de course aéro actuels.
Même les fans de vintage pourraient faire revivre de vieilles pièces à l'identique. Des prestataires de services comme Scanmotion scannent des pièces et développent également des données d'impression à partir de celles-ci. La question de savoir si cela a encore un rapport avec le vintage et l'idée de la conservation des vélos historiques peut faire l'objet de nombreuses discussions autour de la table des habitués. Le fait est que le pouvoir des données a également atteint les sphères de la fabrication de vélos.
Faits d'impression
C'est de cela qu'il s'agit
L'impression de matériaux est en principe comparable à un pistolet à colle chaude qui est guidé par une machine, couche après couche, le corps imprimé est créé. Contrairement aux procédés classiques (de construction métallique) comme le fraisage, seul le matériau réellement nécessaire est utilisé. Les corps creux peuvent être renforcés à l'intérieur par des structures en filet ou en treillis, l'épaisseur des parois peut être adaptée ponctuellement aux contraintes.
Quels sont les matériaux qui peuvent être imprimés ?
Presque tous. Béton, céramique, acier, aluminium, titane, une large palette de plastiques durs et souples et même des renforts en fibres jusqu'à la fibre de carbone continue pour les pièces en plastique soumises à de fortes contraintes.
Quelles sont les procédures existantes ?
On distingue grossièrement les procédés qui utilisent des poudres - c'est le processus courant pour imprimer du métal - et ceux où le matériau est appliqué par une buse, le procédé courant d'impression sur plastique.
Fabrication de filament fondu (Fused Filament Fabrication - FFF)
Ce procédé utilise ce que l'on appelle des filaments, c'est-à-dire des fils de plastique de différents types qui sont déroulés de tambours et traités par une buse. Les matières plastiques les plus diverses sont disponibles, jusqu'au nylon renforcé de fibres de carbone. L'impression s'effectue sur une plaque de support chauffée, dont l'objet est ensuite détaché. Les imprimantes FFF industrielles coûtent à partir de 10000 euros.
Fusion sélective au laser (SLM)
Lors de cette fusion basée sur un lit de poudre, une couche super fine de poudre métallique est appliquée sur le panneau de construction, un ou plusieurs lasers soudent la poudre avec une précision absolue, puis la couche suivante est appliquée, et ainsi de suite. Au final, le corps fini est enseveli sous la poudre non utilisée, qui est aspirée et réutilisée.
Le corps est terminé après l'impression. Les zones avec de très petites tolérances, comme les sièges de palier, sont retravaillées. Il existe également des machines-outils qui combinent les deux techniques, FFF et SLM. La technique est chère, les imprimantes laser coûtent à partir de 100000 euros, et la taille des pièces imprimables est limitée. Les espaces de construction typiques ne mesurent que 30 x 20 x 20 centimètres, c'est pourquoi les cadres de vélo ne peuvent pas être imprimés en une seule pièce.
Faites-le vous-même
Une imprimante FFF qui traite le plastique est disponible à partir de 300 euros environ. L'espace de construction dans lequel le produit peut être créé est relativement petit ; si on l'utilise, l'imprimante peut fonctionner pendant deux jours ou plus. Les petites pièces telles que les supports pour ordinateurs, les lampes ou les dossards sont imprimables sans problème, mais pas les composants vraiment solides et dont le poids est optimisé. L'impression d'une potence ou d'une manivelle est nettement plus compliquée et plus chère. Les imprimantes laser métal pour les pièces très sollicitées sont vraiment chères et ne sont pas faites pour être utilisées à la maison.
Impression sur métal à domicile
Il est également possible de créer des objets métalliques de manière plus économique dans des imprimantes en plastique avec des buses durcies. Pour ce faire, le métal en poudre est lié dans des matières plastiques.
Le composite plastique-métal est traité par des buses, l'imprimante ne faisant d'abord fondre que le plastique. L'ébauche doit ensuite être lavée dans une solution, puis le tout est placé dans un four de frittage où, à très haute température, le plastique brûle et les composants métalliques fusionnent entre eux.
Le corps rétrécit alors d'environ 20 % par rapport à sa taille initiale, ce qui doit être pris en compte lors de la conception. Des prestataires de services proposent le traitement ultérieur. Cette méthode est surtout destinée aux petites pièces d'un maximum de 100 x 100 x 100 millimètres.
Construction
Avant d'imprimer, il faut concevoir. On trouve des données d'impression pour de nombreux objets simples sur des plateformes d'échange sur Internet. Il est même possible de télécharger les données nécessaires à l'impression d'un cadre de VTT en une seule pièce.
Si l'on veut concevoir soi-même, on a besoin d'un logiciel de CAO pour créer un modèle et générer des données d'impression. On peut commencer avec un logiciel de CAO gratuit comme Tinkercad. Pour une utilisation non commerciale, même des programmes professionnels sophistiqués comme Onshape sont accessibles gratuitement - mais les constructions ainsi créées sont alors librement disponibles.
Ces fabricants impriment des pièces de cadre :
- athertonbikes.com
- bastioncycles.com
- falkenjagd-bikes.de
- pouletcycles.com
- pilotcycles.com
- sturdycycles.co.uk
- urwahn.com
Vélos imprimés en 3D - Interview
Ralf Holleis, propriétaire de Huhn Cycles, est un pionnier de l'impression 3D de vélos
Le site Interview a été menée par Robert Kühnen
TOUR : Sur une échelle de un à dix, à quel point faut-il être fou pour utiliser l'impression 3D sur un vélo ?
Ralf Holleis : En 2011, j'étais le premier, à l'époque c'était encore très fou, je dirais huit ou neuf. Depuis, le travail de marketing a été fait et il y a une confiance dans l'impression. Aujourd'hui, tout au plus, c'est encore fou d'un point de vue financier.
TOUR : Qu'est-ce qui vous a donné l'idée d'utiliser l'impression 3D pour le vélo ?
Ralf Holleis : Je voulais absolument construire un cadre, c'était mon rêve à l'université. Mais je n'avais pas d'argent pour suivre un cours de construction de cadres. Une opportunité s'est alors présentée : dans le village d'à côté, une start-up spécialisée dans l'impression 3D a vu le jour. Ils m'ont imprimé gratuitement les manchons du premier vélo que j'ai développé dans le cadre de mon travail de diplôme. Cela a été mon tremplin. Le thème du travail était alors aussi l'adaptation de la roue à l'homme. J'ai développé à cet effet un programme capable d'adapter automatiquement les données de construction.
TOUR : Pourquoi votre premier vélo est-il devenu un vélo de piste ?
Ralf Holleis : J'étais jeune et étudiant, et les fixies étaient à la mode. À l'époque, on conduisait des fixies en ville. Un fixie est aussi la machine la plus banale que l'on puisse construire - pas de freins, rien. Je voulais aussi construire un vélo léger. Le fixie pesait 4,9 kilos.
TOUR : Pourquoi avez-vous collé le premier cadre ?
Ralf Holleis : Au début, je ne connaissais pas ce métier, c'est pourquoi j'ai collé les tuyaux avec les manchons.
TOUR : Vous avez conservé le mode de construction ; quel est l'avantage par rapport au titane soudé bout à bout ?
Ralf Holleis : Les pièces sont plus intelligentes. Je peux intégrer des passages de câbles, des trous filetés et des structures de soutien internes. Je peux optimiser le flux de force, via la forme des pièces et l'épaisseur des parois. Et les manchons font gagner beaucoup de temps au constructeur de cadres. Réaliser des nœuds comme le nœud d'assise en usinant les tubes prend quelques heures. Avec les manchons, c'est beaucoup plus rapide. Les pattes de fixation imprimées permettent également de gagner beaucoup de temps.
TOUR : Combien coûte un kilo de titane imprimé ?
Ralf Holleis : C'est difficile à chiffrer. Cela dépend de la structure de support, du nombre de lasers dans la machine et des retouches nécessaires. La tendance est à la petite série. Un jeu de manchons pour un vélo sur une plaque de construction n'est plus intéressant aujourd'hui, c'est cher et cela prend du temps. Avec les imprimantes à quatre lasers, comme celles utilisées actuellement, le taux d'utilisation est meilleur si j'imprime quatre fois la même pièce. Un kilo de titane imprimé se situe environ entre 2000 et 4000 euros.
