Elles concernent le piston qui a été étudié et réalisé cette année dans le cadre d’EcoMOTION7.

En effet, suite au succès de l’expérience de l’an dernier avec la culasse EcoMOTION6, imprimée en 3D Titane, nous avons eu la chance de pouvoir réitérer avec le même procédé de fabrication, et le même matériau.

Pourquoi un nouveau piston　?
Certaines lectures montrent que plus de 30% de l’énergie de combustion est perdue dans le refroidissement des moteurs à combustion interne. Pendant la phase de combustion, la chaleur est principalement transférée à la chambre de combustion constituée par le piston et la culasse. Ce sont les éléments qui sont directement en contact avec la source de chaleur.

L’objectif du nouveau piston est d’améliorer l’efficacité thermique de notre moteur en essayant de limiter les pertes de chaleur de la combustion.

Pourquoi le Titane　?
À l’heure actuelle, les matériaux les plus utilisés pour les pistons sont les alliages d’aluminium.
Le choix de ce matériau est principalement dicté par sa faible densité (2,7 g / cc).
D’autre part, la température d’utilisation de ces alliages doit être relativement faible (température de fusion 660°C) et ils ont un coefficient de dilatation thermique relativement élevé (23.10-6 / K).
Pour cette raison, un refroidissement intensif est nécessaire.

Nous avons constaté que les alliages de titane présentent plusieurs caractéristiques qui pourraient être très intéressantes dans notre application:
– Température de fusion largement supérieure à celle de l’aluminium (1660°c contre 660°c )
– Limite élastique spécifique supérieure (225 vs 150)
– Faible conductivité thermique (6,7 W / mK vs 250)

Ces caractéristiques devraient permettre　:
– Une température de fonctionnement plus élevée du piston en titane par rapport au piston en aluminium
– D’échanger moins de chaleur avec les gaz et le cylindre

Petit bémol toutefois au niveau de la friction. En effet, un piston de moteur thermique est une pièce qui est soumise à un frottement intensif contre les parois du cylindre pendant certaines parties du cycle. Et le titane n’est pas un matériau qui a de bonnes propriétés de friction.
C’est pourquoi nous avons fait appel au CRM (Centre de Recherches Métallurgiques) pour voir avec eux quel traitement de surface pourrait être appliqué sur la jupe du piston. Après une campagne d’essais, ils nous ont proposé un traitement en plusieurs étapes ayant pour but d’obtenir finalement, sur les surfaces de glissement, une couche extérieure constituée de DLC (Diamond Like Carbon). Cerise sur le gâteau: le DLC devrait nous permettre de réduire également les pertes par frottement du piston, qui représentent un poste important dans ce type de moteur.

Pourquoi l’impression 3D　?
Tout d’abord, avec l’aide des possibilités offertes par les méthodes de fabrication additive en ce qui concerne la conception, nous avons pu garder le poids du piston en titane proche du poids d’un piston en aluminium (à 3 grammes, c’est-à-dire environ 10% près). Les méthodes de fabrication additives permettent de se libérer des règles de fabrication des méthodes traditionnelles. Elles ouvrent la porte à de nouvelles possibilités de conception. Les concepteurs peuvent se concentrer sur la mise en matériau seulement là où il est vraiment nécessaire, créer des formes qui seraient impossibles à mettre en œuvre avec d’autres méthodes.

D’autre part, étant donné que le prix des alliages de titane est élevé par rapport aux alliages d’aluminium et d’acier, nous avons voulu réduire le coût global en:
– limitant la quantité de déchets
– adoptant un processus de fabrication qui diminue la quantité globale d’énergie utilisée pour produire la pièce.
Cela démontre les avantages directs de l’impression 3D:
– Utilisation minimale du matériau: légèreté et durabilité
– Réduction du délai de fabrication, pas d’outillage (excepté hors fraisage)
– Coût réduit

L’innovation repose donc sur trois points :
– L’utilisation d’un matériau qui, bien qu’il présente des caractéristiques intéressantes, se retrouve rarement dans l’industrie automobile: le titane.
– Son implémentation à l’aide d’un processus de fabrication innovant (impression 3D).
– L’élaboration d’un traitement de surface adéquat pour assurer une durée de vie convenable et réduire les frottements.

La réalisation :
Cette fois encore, nous avons pu compter sur l’expérience et l’aide de nos partenaires pour mener à bien ce projet. Permettez nous de les présenter (avec des illustrations) dans l’ordre de leur intervention　:
SIRRIS (http://www.sirris.be), spécialisé, entre autres, en techniques de fabrication additives, s’est chargé de l’impression EBM (Electron Beam Melting).

TECHNOCHIM (www.technochim.eu), spécialisé dans les traitements mécaniques, chimiques et électrochimiques des surfaces métalliques, s’est chargé du traitement électrochimique destiné à améliorer l’état des surfaces intérieures du piston.

Ci dessous un piston brut d’impression (à gauche), et deux pistons ayant subi un traitement plus ou moins prolongé

SIRRIS est de nouveau intervenu au niveau de l’usinage de certaines zones afin d’obtenir  précision dimensionnelle et géométrique là où elles sont nécessaires.

CRM (www.crmgroup.be), centre de recherches spécialisé, entre autres, en coating métallique, s’est chargé du revêtement DLC.

Ci-dessous, le piston traité se trouve à gauche.

Tous nos remerciements à ceux qui ont rendu possible cette expérience, notamment　:
SIRRIS　: Raoul Carrus, Freddy Demonceau, Guy Lagaeysse, Jean Claude Noben
TECHNOCHIM　: François Tosar
CRM　: Florin Duminica , Nicolas Nutal
Merci également à Laurent Odillard ( http://loranenginedev.pagesperso-orange.fr/Contact.htm ) pour ses précieux conseils.