Comment réduire les émissions de CO2 des systèmes hydrauliques grâce à l’impression 3D ?

Animateur : Aujourd’hui nous allons parler de fabrication additive, ou encore d’impression 3D.
Bosch Rexroth utilise l’impression 3D pour optimiser le rendement énergétique de ses blocs de commande hydrauliques, et donc, réduire les émissions de CO2 des systèmes dans lesquels ils sont utilisés.

L’hydraulique dans la transition écologique

L’industrie génère encore 20% des gaz à effet de serre émis dans notre pays ; elle doit poursuivre ses efforts pour que nous puissions collectivement atteindre la neutralité carbone à l’horizon 2050. La modernisation des systèmes de génération et de transmission de puissance est plus que jamais un sujet d’actualité.
Pour réduire drastiquement les émissions de CO2 de nos usines, il faut à la fois décarboner l’électricité et réduire la consommation des machines. C’est sur ce deuxième point que nous allons nous concentrer dans ce podcast, en faisant un focus sur les systèmes hydrauliques. L’hydraulique est en effet généralement utilisée lorsque l’on a besoin de transmettre des forces et des couples élevés ; donc potentiellement dans des applications qui consomment beaucoup d’énergie.

Commençons en tordant le cou à ce qui pourrait être une idée reçue pour certains : l’hydraulique a toute sa place dans une industrie vertueuse en terme d’émissions de CO2 ! Les systèmes électro-hydrauliques ont énormément évolué et ils vont continuer à gagner en performance énergétique. Mais ce n’est pas tout. Comme nous l’expliquons dans un livre blanc publié récemment, il existe 2 autres leviers qui permettent de réduire les émissions de CO2 des systèmes hydrauliques : la réduction de la consommation de fluide et la réduction de la consommation de matière première dans la fabrication des composants.

Le bloc de commande dans le système hydraulique

Ces 3 leviers d’actions peuvent être utilisés sur un organe central des systèmes hydrauliques : les blocs de commande.
Bosch Rexroth est un expert de la conception et de la fabrication des blocs hydrauliques : nous en avons produit des millions et proposons aussi bien des modèles standard fabriqués en série que des variantes ultra-personnalisées fabriquées parfois en un seul exemplaire. Car il y a presque autant de blocs de commande hydrauliques que d’applications.

La performance d’un système hydraulique se joue en grande partie au cœur du bloc de commande, par l’optimisation du débit de fluide. C’est un logiciel de simulation de l’écoulement du fluide qui va permettre de définir la meilleure géométrie interne.

La géométrie idéale a beau être connue, elle n’est pas toujours celle qui est retenue à l’issue de la phase de conception. Car il faut tenir compte des possibilités et des limites du processus de fabrication des blocs hydrauliques. Jusqu’ici, les seules techniques envisageables étaient l’usinage et la fabrication d’un moule par enlèvement de matière.

L’impression 3D dans la fabrication des blocs de commande

Jusqu’ici seulement. Les choses sont en train de changer avec le développement de l’impression 3D dans les processus de fabrication industrielle.
Bosch Rexroth a participé à plus de 100 projets liés à l’impression 3D et collabore avec des fabricants d’imprimantes, comme client et comme fournisseur de solutions de Motion Control. Nous utilisons de plus en plus l’impression 3D pour la fabrication de composants hydrauliques et avons recours à 2 méthodes : l’impression « directe » du composant par fusion sélective au laser et l’impression « indirecte » dans laquelle c’est un moule qui est imprimé en 3D. Pour la fabrication des blocs hydrauliques, c’est essentiellement l’impression indirecte qui est utilisée.

Le passage de méthodes de fabrication soustractives à des méthodes additives change fondamentalement l’approche de conception et offre beaucoup plus de liberté. Il est désormais possible de « coller » beaucoup plus aux modèles optimisés proposés par les outils de simulation.

Les performances des blocs « imprimés en 3D »

Les bénéfices liés à l’utilisation de l’impression 3D dans la fabrication de blocs hydrauliques sont nombreux. Il est possible par exemple :

• de réaliser des formes beaucoup plus complexes, comme des diamètres variables,
• de positionner les connexions de manière optimale,
• d’intégrer des composants (filtres, accumulateurs) ou des fonctions,
• de limiter les raccordements, les perçages auxiliaires, les bouchons d’obturation,
• de réduire les risques de fuites,
• d’éliminer les angles de perçage.

Avec l’impression 3D, la personnalisation des blocs peut être poussée à l’extrême, y compris pour la géométrie externe. Ce point est capital pour les concepteurs de machines car il permet de loger les blocs dans des espaces exigus, mais aussi de faciliter l’assemblage et la maintenance.

L’association de la simulation d’écoulement de fluide et de l’impression 3D permet d’optimiser chaque débit et d’apporter plus de précision dans les fonctions de commande. Elle résout les problèmes de perte de charge et de cavitation potentiels, ce qui garantit un meilleur rendement énergétique et une durée de vie accrue. Le tout en utilisant un minimum de matière. Parfait pour réduire l’impact sur l’environnement de manière globale.

Gains énergétiques et bilan carbone de ces nouveaux blocs

Nous avons voulu quantifier les gains énergétiques et les réductions d’émissions de CO2 qu’il était possible de réaliser grâce à l’utilisation de l’impression 3D dans la fabrication de blocs de commande hydrauliques. Nous avons donc comparé un bloc traditionnel avec son équivalent, optimisé et imprimé en 3D.

Les résultats sont là : sur 3000 heures de fonctionnement, le bloc optimisé économise 740 kilowatt/heure. Cela peut représenter, selon l’énergie qui est utilisée, jusqu’à 450 kg équivalent carbone, ou encore 3 000 kilomètres en voiture à moteur thermique.

L’utilisation de la fabrication additive permet d’économiser 50 kg de matière première et de réduire d’un tiers les émissions de CO2, soit 130 kg équivalent CO2 gagnés lors de la production du bloc, ce qui correspond à un trajet en voiture de 1000 km.

Avec le coût de l’électricité qui explose, le retour sur investissement que nous avons pu mesurer est de l’ordre de 3 ans et demi. Ce ROI rapide peut tout à fait justifier d’envisager le retrofit des blocs de commande sur des systèmes hydrauliques existants. Bien sûr, les économies d’énergie continuent à s’additionner sur toute la durée d’utilisation du bloc.

Optimisation des systèmes, ouverture sur connected hydraulics

Le potentiel de réduction des émissions de CO2 d’un système hydraulique ne se limite pas à l’optimisation du bloc de commande. Un autre maillon essentiel à l’amélioration de la performance énergétique est le système d’entraînement des pompes : l’entraînement à vitesse variable, qui fournit l’énergie à la demande, permet lui aussi des économies d’énergies substantielles.
Si vous êtes dans une démarche de réduction de la consommation de vos systèmes hydrauliques, sur des machines existantes ou des machines neuves, je vous invite à découvrir toutes les solutions proposées par Bosch Rexroth dans sa gamme Connected Hydraulics. Vous pouvez aussi prendre contact avec nos experts pour leur parler de votre projet.