Dans la Formule 1, le rythme des innovations est à l’image des courses. Mais, quand on sait que dans une course de F1 l’écart entre les concurrents se mesure en fraction de seconde, chaque écurie est à l’affût de toutes les solutions qui feront la différence sur la ligne d’arrivée. Dans cette compétition, les développements technologiques sont essentiels. Nos confrères de Computerworld UK ont pu visiter le siège de l’écurie britannique Williams pour voir comment elle se servait de la technologie d'impression 3D, appelée aussi fabrication additive, pour améliorer ses voitures de course. Ils ont également pu se rendre compte que la technologie développée pour la Formule 1 pouvait avoir d’autres applications, parfois très inattendues.

Les voitures de Formule 1 doivent être légères, mais pas trop. Elles sont essentiellement composées de pièces d'aluminium et de fibre de carbone. Au siège de Williams Formula One, on trouve aussi des machines d'impression 3D pour créer des polymères, mais les pièces métalliques sont toujours fabriquées à l'extérieur du site. Actuellement, la majorité des polymères imprimés en 3D servent uniquement à équiper des véhicules d'essai, et l’écurie n'effectue que quatre ou cinq tests en situation réelle par an. Pour tester ces pièces plus rapidement et à moindre coût, l’écurie utilise un véhicule 40 % plus petit que les F1 de course qu’elle place dans une soufflerie. Pour évaluer la portance aérodynamique, la soufflerie projette de l’air vers la voiture posée sur un tapis roulant qui avance à 55 mètres par seconde pour simuler les vitesses des voitures pendant un Grand Prix. L’intérieur du véhicule est bourré d’instruments qui effectuent diverses mesures.

L'impression 3D pour créer des pièces testées sur une réplique de F1

En Formule 1, c’est dans le domaine de l’aérodynamique que l'innovation est la plus essentielle, c’est pourquoi le rôle de l'aérodynamicien est capital. « L'aérodynamicien doit trouver les formes qui permettront d’obtenir le maximum de portance avec le plus faible degré de résistance à l’air », explique Marc Logan, ingénieur en aérodynamique chez Williams Formula One. Il doit calculer les différentes forces qui s'exercent sur la voiture et l'impact qu'elles auront sur sa vitesse. « Les évolutions dans l'aérodynamique sont probablement les plus déterminantes dans la Formule 1. C’est grâce à elles que nous pouvons obtenir une meilleure performance sur piste », a-t-il ajouté. « Donc, plus vite nous pouvons évaluer le concept, tester le véhicule en soufflerie, appliquer les changements au véhicule de course final et le lancer sur la piste, plus vite nos pilotes pourront gagner en performance au moment d’une course ».

« Ces solutions aérodynamiques sont probablement le secret le mieux gardé de tous, car c'est le principal facteur qui permet de gagner en performance ». Il est de notoriété publique que les écuries s'espionnent les unes les autres et essaient de comprendre à quoi sert telle ou telle modification de design. L’écurie rivale peut éventuellement essayer de copier des caractéristiques des écuries concurrentes. Au point que parfois, les concepteurs ajoutent des éléments inutiles qui servent uniquement à détourner l’attention des concurrents et faire perdre du temps aux équipes. C’est souvent le cas, quand une écurie change la position des rétroviseurs latéraux par exemple. Comme l’explique Marc Logan, « quand on regarde une course de Formule 1 à la télévision, on a l’impression qu’en dehors de la couleur et des stickers publicitaires, les véhicules sont presque tous identiques. Certains pensent même que si toutes les voitures étaient peintes en blanc, les écuries auraient du mal à les reconnaître. En réalité, ce sont les différences d’aérodynamique qui ont le plus d’importance, et je peux vous garantir que chaque écurie pourrait parfaitement identifier son véhicule ».

 Plus de 2 000 pièces imprimées en 3D livrées par mois

L’usage de techniques d'impression 3D dans la fabrication des voitures de course présente deux avantages : la vitesse et la flexibilité. « Quand le département d'aérodynamique propose un aménagement de forme, on comprend que l’idéal est de pouvoir le tester sur une voiture le plus rapidement possible », a encore déclaré Marc Logan. « La fabrication additive peut devenir intéressante dans ce cas. Elle nous permet de fabriquer ces pièces, de les installer et de les tester rapidement sur la réplique ». La fabrication traditionnelle permettait à l’écurie d’obtenir des pièces, fabriquées à l’extérieur, en une semaine à une semaine et demie. Désormais, elle peut fabriquer et livrer plus de 2 000 pièces par mois.

Le coût est un autre aspect de la question : fabriquer un certain nombre de pièces en impression 3D coûte moins cher. « Si l’on prend le cas d’un composant unique que l’on fabrique généralement en tant que pièce composite, il faut passer par la conception, la fabrication du modèle, la fabrication du moule et la fabrication de la pièce proprement dite, soit quatre étapes au total », a expliqué Richard Brady, chef d'équipe Advanced Digital Manufacturing (ADM) chez Williams F1. « En utilisant la fabrication additive (AM), on passe directement de la conception à la fabrication - directement au test - ce qui permet d'économiser beaucoup de temps et de main-d'œuvre. Les évolutions dépendront des matériaux disponibles pour l'impression.

Des applications qui dépassent la Formule 1

Actuellement, elles se limitent à l'utilisation de fibre de nylon polymérisée au laser, mais les plastiques structuraux offrent potentiellement un grand nombre de possibilités. « Depuis quelques années, on assiste à des changements révolutionnaires dans le domaine des matériaux », a déclaré l’ingénieur en aérodynamique de Williams F1. « Je dirais que dans 10 ans, la plupart des véhicules de Formule 1 pourraient être fabriqués en 3D ». Cependant, étant donné la nouveauté de ces processus, les ingénieurs pensent qu’il est préférable de réserver pour l’instant l’usage de ces pièces aux tests expérimentaux. « Nous devons faire très attention à l’usage de ces pièces, parce qu’une panne peut arriver facilement, et ce serait un grand pas en arrière pour nous, et les ingénieurs pourraient perdre confiance dans le processus de fabrication additive », a encore déclaré Richard Brady.

Grâce son département Advanced Engineering, Williams Formula One parvient à générer d’autres revenus de ses recherches, l’idée étant de transposer avec des tiers les technologies de la F1 dans d’autres secteurs industriels. On y trouve évidemment tous les secteurs liés à l'automobile, mais aussi des secteurs plus spécialisés et parfois inattendus. « Les partenaires ou les sponsors apprécient beaucoup de pouvoir travailler avec une écurie de Formule 1 à la fois en termes d'actifs marketing et en terme de développement technologique », a déclaré Paul McNamara, directeur technique Advanced Digital Manufacturing de Williams. « Et Unilever en est un bon exemple. Nous sommes intervenus sur des tours de séchage par atomisation et des réfrigérateurs. Ça donne une bonne image de ce mode de partenariat ». Mais Williams a également travaillé avec le secteur de l’armement, les universités, l'aérospatiale et d'autres encore, qui ont pu profiter de ses vastes connaissances en matière d'énergie, d'aérodynamique et de matériaux légers, comme la fibre de carbone et le titane couramment utilisés pour fabriquer les voitures de course.

Des projets choisis avec attention par Williams

L’écurie a également beaucoup collaboré à la mise au point des véhicules électriques. Williams fournit toutes les batteries de Formule E, une déclinaison électrique de la Formule 1, et l’écurie gère et exploite l'équipe Jaguar pour le championnat. Actuellement, Williams participe également au développement de la première voiture électrique d'Aston Martin appelée Rapide, dont elle a conçu le système et fourni les batteries. « Les fournisseurs de batteries pour des constructeurs comme Aston Martin, Lamborghini, Jaguar, ou de véhicules spéciaux sont peu nombreux. C'est un marché de niche que nous pouvons combler », a déclaré Paul McNamara.

Grâce à ses connaissances dans les technologies qui exploitent les fibres de carbone légères et super résistantes, Williams a mis au point un produit appelé Babypod, qui permet de transporter de petits bébés atteints de maladies graves. Mais peut-être que le partenariat le plus étonnant de cette activité hors de la Formule 1 est celui noué entre l’écurie de course et la chaîne de supermarchés britannique Sainsbury's, laquelle utilise la technologie aérodynamique de la F1 pour empêcher l'air froid de s'échapper des réfrigérateurs et refroidir toute une aile. La technologie d’aerofoils - qui devrait bientôt voir le jour - redirige l'air froid vers le réfrigérateur, ce qui permet au supermarché d'économiser de l'électricité. C’est un ingénieur de Sainsbury's qui en a eu l'idée, mais il avait du mal à avancer dans son projet. Williams a apporté au concept un peu de magie de la F1 pour le concrétiser.

« Évidemment, avec ce genre d’expérience, les gens sont beaucoup plus intéressés quand on leur propose de venir voir ce que nous faisons au QG de Williams », a encore déclaré le directeur technique Advanced Digital Manufacturing de Williams. En général, ce sont les organisations ou les entreprises qui s’adressent à Williams pour exposer leur problème et voir ce que peut leur apporter la technologie de la F1. « Nous examinons chaque projet au cas par cas pour savoir si nos connaissances sont applicables ou non », a expliqué M. McNamara. « Nous nous demandons aussi si c’est-ce une bonne chose pour notre image. C’est le cas par exemple des véhicules électriques, aujourd’hui très populaires ». Pour ne pas compromettre la marque Williams, l’écurie choisit avec attention ses participations. « Nous avons une bonne maîtrise sur quasiment tous les projets que nous réalisons. Nous faisons en sorte que ce soit le cas de tout partenariat qui s’appuie sur la marque Williams ».