Dans les technicentres de la SNCF, la fabrication additive fait désormais partie du quotidien. Une vingtaine d’imprimantes à dépôt de fil fondu (FDM) y produisent sans relâche outils, guides, modèles et empreintes afin de donner une seconde jeunesse aux trains et rames. Depuis deux ans, une nouvelle catégorie de pièces est apparue dans les chambres d’impression : des pièces détachées qui seront directement installées sur le matériel roulant.
« La 3D est entrée dans nos centres de maintenance via le prototypage, mais elle a passé un cap. Certains procédés sont arrivés à un degré de maturité suffisant pour produire des pièces fonctionnelles, et nous avons qualifié des sous-traitants qui maîtrisent cette technologie », explique Laetitia Kirschner, la responsable projets fabrication additive à la direction du matériel de la SNCF. En 2018, 2 500 pièces de rechange (crochets, brides de transformateur, boîtiers de protection électrique…) ont été fabriquées ainsi. Soit une vingtaine de références.
De nombreuses pièces imprimées sur les rails
« Nous avons de nombreuses pièces imprimées qui roulent dans nos trains », indique Laetitia Kirschner. De son côté, la Deutsche Bahn, première compagnie ferroviaire de l’Union européenne, produit 110 références avec les technologies FDM, de fusion sur lit de poudre (SLM) et de dépôt métallique par arc-fil (Waam). Début 2019, elle s’enorgueillissait d’avoir installé sur ses trains quelque 6 000 pièces issues de l’impression 3D, aussi bien polymère que métal.
Ce virage vers l’impression 3D pour les opérations de maintenance est l’aboutissement d’une réflexion amorcée en 2015 par la Deutsche Bahn et en 2016 par la SNCF, qui engagea un plan national sur le sujet. Pour évaluer la robustesse des procédés et la capacité à mettre en place une filière de sous-traitance pour la fourniture rapide de pièces. « Les délais de fourniture des pièces sont notre principal ennemi lors des opérations de maintenance. Notre mission est de remettre le train sur les rails le plus rapidement possible. Une immobilisation, hors maintenances planifiées, peut se chiffrer à plusieurs dizaines de milliers d’euros par jour », pointe Laetitia Kirschner.
Aider à résoudre le casse-tête logistiques des technicentres
Cela pose un véritable casse-tête logistique aux technicentres : non seulement le nombre de pièces par train est conséquent, mais certaines d’entre elles peuvent être frappées d’obsolescence. Les trains devant être maintenus quarante ans environ, certains éléments peuvent ne plus être fabriqués chez les constructeurs ou les sous-traitants. « L’équation économique est difficile à trouver, soupire Louis-Romain Joly, chef de projet innovation et recherche à la SNCF. D’un côté, un sous-traitant peut nous dire qu’il est capable de nous fournir une pièce en deux mois, et dans ce cas nous devons stocker deux mois de pièces détachées pour répondre aux imprévus. De l’autre, certains fournisseurs peuvent nous dire qu’ils sont capables de nous faire la pièce rapidement, mais en 100 exemplaires, alors qu’il nous en faut seulement une vingtaine. Dans tous les cas, les coûts de stockage peuvent être exorbitants. »
En permettant de produire des pièces à la demande à partir d’un catalogue digital, la fabrication additive et sa chaîne numérique sont considérées aujourd’hui comme un moyen pour réduire les coûts de stockage et pallier les ruptures d’approvisionnement. « Notre objectif : industrialiser la fabrication de pièces mécaniques d’urgence », résume Louis-Romain Joly. Avec une réduction de plus de 50 % des délais de livraison sur certaines pièces, la stratégie est payante. Si le procédé ne concerne actuellement que la production de pièces non critiques, la SNCF estime qu’environ 30 % de son catalogue de pièces détachées pourrait être converti à la fabrication additive.
La technologie Waam pour de grandes pièces
Les pièces de grandes dimensions ont été écartées de ce calcul, compte tenu de la taille des imprimantes 3D actuelles. Le développement de certaines technologies comme le Waam, qui nécessite un espace de travail plus important, pourrait changer la donne. Pour les pièces obsolètes dont la SNCF ou ses sous-traitants ne possèdent plus les plans, il est possible de recourir à la rétro-ingénierie, soit en scannant la pièce pour la numériser, soit en la reproduisant directement dans un logiciel de CAO lorsque sa forme est simple.
Contrairement à d’autres secteurs comme l’aéronautique, où l’intérêt premier de l’impression 3D est de permettre une nouvelle conception des pièces, la maintenance ferroviaire ne cherche pas à tirer parti de la liberté de conception offerte par le procédé. « Le but d’un mainteneur est de mettre un système mécanique, quel qu’il soit, dans un état connu et maîtrisé. Nous remplaçons la pièce défectueuse par la même pièce parce que, même si elle n’est pas parfaite, ses lois d’usure et de défaillance sont bien connues », explique Louis-Romain Joly. Pour Laetitia Kirschner, la réduction des délais de livraisons apporte suffisamment de valeur au procédé pour le rendre rentable. Les designs innovants sont plutôt à chercher du côté des constructeurs des trains qui, eux aussi, sont montés en compétence dans le la fabrication additive.
40 machines pour Alstom
Alstom s’est équipé de 40 machines, principalement en fabrication additive plastique, avec la technologie multijet de HP et des machines FDM, d’abord pour répondre à la demande des clients au niveau des pièces détachées. « C’est un service que nous proposons de plus en plus à nos clients, c’est un axe fort, assure Aurélien Fussel, expert en fabrication additive chez Alstom. Nous pouvons également redessiner certaines pièces, par exemple pour les alléger ou réduire les assemblages. Nous intervenons aussi sur certaines pièces aérodynamiques ou aérauliques pour gagner en performance. »
La division ferroviaire de Siemens Mobility propose également la fabrication additive dans le cadre de son programme Easy sparovation part, qui ambitionne de numériser l’approvisionnement en pièces détachées. En mars, le groupe allemand s’est équipé de deux imprimantes FDM de la gamme Fortus de Stratasys pour assurer la maintenance de la compagnie ferroviaire russe RZD.
Polymères techniques à la norme feu-fumée
Les technologies polymères sont les plus répandues, grâce notamment à l’apparition de polymères techniques qui répondent à la norme feu-fumée (EN 45545-2), stricte dans le secteur ferroviaire. « Cela surprend beaucoup de gens, mais les contraintes liées à la production de fumées lors d’un incendie dans un train sont plus élevées que celles dans l’aéronautique, souligne Aurélien Fussel. Jusqu’à présent, il y a avait peu de polymères pour la fabrication additive qui correspondaient à notre besoin. »
Alstom travaille étroitement avec des producteurs de matières pour mettre au point des mélanges adaptés. La fabrication additive métallique, quant à elle, monte en puissance via le réseau de sous-traitants. « Il y a un nombre de compétences importantes à acquérir dans l’impression métal, comme la gestion des poudres pour le procédé SLM, ou encore le post-traitement, difficile à intégrer dans l’immédiat. Mais cela n’est pas du tout exclu dans un avenir proche », conclut Laetita Kirschner.
Remplacer, mais aussi réparer
La fabrication additive ne sert pas qu’à produire des pièces, elle peut également les réparer. Les procédés DED (direct energy deposit) permettent ainsi de les « recharger » en déposant de la matière de manière ciblée. De nombreuses industries utilisent le dépôt métallique par arc-fil (Waam). Proche d’une soudure à l’arc robotisée, cette technologie consiste à déposer des couches de matériau sur des formes complexes de grandes dimensions. Elle fait l’objet de travaux associant partenaires académiques et industriels. Le projet WAS (Wire additive manufacturing process simulation), piloté par l’IRT SystemX, vise à optimiser ce procédé pour mieux le contrôler. La Deutsche Bahn s’est équipée d’une machine conçue par Gefertec pour remettre à neuf certaines pièces. La SNCF exploite aussi le Waam sans pour autant négliger d’autres solutions DED comme le dépôt de poudre par laser ou la projection à froid (cold spray) qui intéresse par ailleurs ArianeGroup.
