L'impression 3D SLA et SLS permet de contrôler l'utilisation de l'eau en période de sécheresse

Les effets du changement climatique se font sentir dans le monde entier, et l'impression 3D aide les sociétés à évoluer pour relever le défi. Alors que les réglementations relatives à la consommation d'eau et d'électricité sont mises à jour en réponse aux sécheresses prolongées, aux incendies de forêt plus fréquents et à l'augmentation du smog, les particuliers, les entreprises et les municipalités s'efforcent de communiquer des données exactes et d'améliorer leur consommation d'eau. Comme le dit l'adage, si vous ne pouvez pas mesurer quelque chose, vous ne pouvez pas le changer. C'est là qu'interviennent les compteurs suivants. 

Next Meters est un fabricant de compteurs d'eau connectés dont la mission est d'éduquer et de récompenser les personnes qui économisent l'eau. Ils créent des débitmètres à semi-conducteurs qui mesurent la consommation d'eau des clients résidentiels, commerciaux ou municipaux. Leur défi consiste à créer des équipements qui peuvent se fixer sur la grande variété de compteurs actuellement utilisés. En utilisant plusieurs imprimantes Form 2, Form 3+, Form 3L, et Fuse 1, Next Meters a été en mesure de créer rapidement des prototypes, d'améliorer les conceptions de moulage et de produire des pièces finales pour son équipement.

Nous nous sommes entretenus avec David Clyde, CMO de Next Meters, sur le marché des compteurs d'eau et sur les raisons pour lesquelles l'impression 3D est le complément idéal de leur procédé de fabrication traditionnel.

Historiquement, les compteurs d'eau sont mécaniques et s'appuient sur le débit de l'eau pour faire tourner des engrenages à l'intérieur d'un tube et calculer la consommation à partir de ce débit. Cela pose plusieurs problèmes : les immeubles à plusieurs logements n'ont généralement qu'un seul compteur municipal, et la consommation est répartie de manière égale entre toutes les unités. Cela pénalise ceux qui économisent et récompense ceux qui gaspillent. En outre, les compteurs mécaniques sont moins précis et se dégradent avec le temps, ce qui crée des écarts importants entre la consommation enregistrée et la consommation réelle. 

Next Meters conçoit et fabrique des compteurs d'eau extrêmement précis et entièrement connectés, tels que des débitmètres à ultrasons, des capteurs de détection de fuites et des vannes d'arrêt à distance. Cet équipement permet de détecter les moindres pertes d'eau dues à des problèmes tels que des tuyaux fissurés ou des joints non étanches. En particulier dans les systèmes de distribution d'eau des grandes villes ou des immeubles d'habitation, ces petites fuites peuvent conduire sur le long terme à des pertes massives, ce qui coûte de l'argent aux habitants et entraîne le gaspillage de précieuses ressources en eau.

« Beaucoup de choses stimulent la demande pour nos produits. Il y a de nouveaux mandats d'État : la Californie fait avancer la législation dans ce domaine. La sécheresse qui sévit depuis de nombreuses années fait des ravages dans de nombreuses régions. Les États placent des lois qui exigent le suivi à des fins de conservation, et les gens veulent généralement être mieux informés sur leur utilisation des services publics. »

Le récent pic de la demande exacerbe le défi auquel Next Meters est déjà confrontée : elle doit fournir un équipement de mesure du débit qui peut être supporté par une grande variété de types de compteurs d'eau, chacun ayant une date d'installation et un fabricant différents. Pour réussir à fournir une solution, qu'elle soit publique ou privée, l'équipe de M. Clyde doit identifier le compteur d'eau auquel elle a affaire, puis déterminer lequel de ses propres produits conviendra, ou créer et fabriquer un nouveau compteur. Au fur et à mesure que l'entreprise passait d'un marché exclusivement résidentiel à un marché municipal, le nombre de compteurs qu'elle devait faire correspondre augmentait, ce qui compliquait encore la tâche.

« En entrant sur le marché municipal, nous constatons que de nombreuses villes mélangent plusieurs marques ainsi que l'âge des compteurs. Même dans une petite ville de 3000 foyers, on pouvait voir six ou sept types de compteurs différents. Chaque type de compteur a une forme et des dimensions différentes qui nécessitent un bracket unique pour l'adapter à nos appareils IoT », explique M. Clyde.

Pour créer leurs produits, les ingénieurs de Next Meters ont toujours démarré par des modèles en argile pour concevoir l'aspect général de leurs appareils. Une fois que la conception leur semblait correcte, ils passaient à la modélisation 3D en CAO, puis envoyaient le tout à une entreprise de moulage pour obtenir un prototype du moule. 

« Nos ingénieurs en mécanique étaient littéralement des sculpteurs. Nous sculptons, nous entrons le modèle dans notre logiciel CAO, nous l'envoyons à une société d'approvisionnement, nous nous procurons l'outillage nécessaire, puis nous itérons, tout cela avant même d'avoir testé nos prototypes. Cela prenait du temps et c'était coûteux », a déclaré M. Clyde.

Une solution consistait à prendre les outils existants et à les modifier pour les adapter à un nouveau produit présentant de très légères différences, mais l'équipe de Next Meter s'est heurtée à un obstacle sur ce point également. Chaque fois qu'ils modifiaient un outil, celui-ci s'affaiblissait et, après avoir été modifié plusieurs fois, il fallait le mettre au rebut, alors que le coût de fabrication variait de 5000 à 50 000 dollars et que le remplacement pouvait prendre plusieurs mois. 

Non seulement les outils se comptaient par centaines, mais leur fabrication nécessitait une main-d'œuvre abondante et coûteuse. Les historiques de livraison de solutions complètes ont été repoussés et la société a dû faire face à des coûts considérables. Next Meters s'est tourné vers l'impression 3D pour accélérer son processus d'itération, en commençant par une imprimante Form 2, puis en ajoutant une Form 3, une Form 3+ et une Form 3L. Ils utilisent les imprimantes SLA de Formlabs pour concevoir une preuve de concept pour les moules, et itèrent rapidement, faisant passer leur processus de conception de plusieurs mois à quelques jours.

Environ 80 % des systèmes d'utilité publique sur le terrain appartiennent à quelques grands acteurs. L'équipement de ces derniers peut être moulé par injection de manière efficace. Mais qu'en est-il des 20 % de clients restants, représentés par plus d'une douzaine de petits fabricants supplémentaires ? Next Meters doit encore fournir une solution globale à ses clients. Si une ville doit mettre à jour son système de compteurs et extraire des données d'utilisation pour se conformer à de nouvelles réglementations, il faut que tout soit couvert, et pas seulement ce qui est pratique, sinon l'ensemble des données est inutile.

« Il n'est pas logique qu'une ville ne puisse lire que 80 % des compteurs. Nous devons nous occuper des cas isolés, afin d'offrir aux clients une solution globale et non partielle », explique M. Clyde.

En s'attaquant aux derniers 20 % du marché, Next Meters s'est heurté à un autre problème. Bien que les imprimantes SLA aient accéléré la conception des moules et le processus d'itération, le coût du moulage par injection reste prohibitif en raison des faibles quantités de production nécessaires pour chaque pièce. Bien que Next Meters ait utilisé la gamme de résines Formlabs disponibles sur son parc d'imprimantes SLA, les résines imprimées en 3D ne pouvaient pas être utilisées pour des pièces de production ayant une durée de vie moyenne de 15 ans. Next Meters avait besoin d'une solution rentable pour produire des pièces de production en petites quantités. 

Fin 2021, l'équipe de M. Clyde a acheté une imprimante 3D à frittage sélectif par laser (SLS) Fuse 1, une unité de post-traitement Fuse Sift, et ont ajouté Nylon 12 Powder puis plus tard Nylon 11 Powder à leur gamme de matériaux. Ils utilisent Nylon 12 Powder pour le prototypage des bracket qui maintiennent le compteur, et Nylon 11 Powder pour les pièces sur le terrain.

« Il existe des dizaines de modèles de compteurs dont les quantités sont si faibles que nous ne pourrions jamais amortir les coûts d'outillage. Pour ces compteurs spécifiques, nous imprimons donc les pièces sur la Fuse 1 selon la demande. Nous pouvons désormais fournir des équipements aussi bien pour les compteurs courants que pour les 20 % restants, et nous pouvons le faire beaucoup plus rapidement et à moindre coût grâce à l'imprimante SLS », explique M. Clyde.

La Fuse 1 offre un autre avantage : son lit d'impressionest autoporté. Pour les pièces dans le compteur d'eau à ultrasons lui-même, le frottement est le grand ennemi : l'eau doit circuler dans le compteur sans entrave afin de permettre une lecture précise. Pour les pièces compliquées, Next Meters utilise la Fuse 1 afin que la pièce puisse être produite avec des caractéristiques internes sans supports. 

L'outillage d'un moule pour une pièce aussi compliquée prendrait des mois et le paramétrage de la fabrication des centaines de milliers de dollars, mais grâce à ses capacités de SLS en interne, Next Meters est en mesure de produire un dispositif fonctionnel en quelques jours seulement. 

« Pour les impressions plus complexes, nous les imprimons sur la Fuse 1, nous les récupérons avec la Fuse Sift, puis nous les sablons. Il est possible d'obtenir de meilleurs détails lorsqu'il n'est pas nécessaire de tenir compte des supports, et les pièces peuvent glisser et interagir correctement en tant qu'assemblages fonctionnels. Dans l'exemple d'un compteur d'eau, avec un tube de débit de sept pouces, nous ne pouvons pas nettoyer les supports de ce compteur. Les chocs provoqués par les supports affecteraient le débit de l'eau, créant des turbulences et faussant la lecture », explique M. Clyde.

Pour s'assurer que ses pièces finales sont capables de résister aux exigences imposées sur le terrain, Next Meters dispose de sa propre équipe d'essai interne. Le bracket qu'ils impriment en Nylon 11 Powder pour fixer leur technologie au compteur d'eau existant ne doit pas être soumis à des tests réglementaires externes. Next Meters mène donc son propre processus d'impression pour s'assurer que ses pièces sont performantes sur le terrain.  

À l'aide d'une chambre climatique ultramoderne, ils ont fait passer les brackets de 70 °C à 0 °C, puis à nouveau à 0 °C, plusieurs fois par jour pendant plus de trois mois, simulant ainsi un séjour de 15 ans dans un environnement extérieur. Le succès des tests leur a permis de démarrer la production de ces pièces finales avec leur imprimante Fuse 1 et de passer à l'utilisation de deux matériaux.

Comme la Fuse 1 a rendu rentable la fabrication de pièces sur demande et réduit les coûts de développement et de prototypage, l'équipe de Next Meters peut développer son activité et toucher davantage de communautés. La croissance de la société est en partie due à ses programmes internes de formation et d'évolution de carrière. Alors que de plus en plus de sociétés tirent parti de la fabrication avancée, la main-d'œuvre doit acquérir les compétences nécessaires pour mettre en œuvre la technologie, et Next Meters a trouvé une solution en interne. Chaque employé a l'avantage d'utiliser les imprimantes 3D sur demande, et beaucoup ont profité de cette opportunité pour en savoir plus sur la conception de produits et la fabrication avancée. 

« Nous avons eu plusieurs employés en dehors de notre département d'ingénierie qui ont appris eux-mêmes des compétences en ingénierie mécanique et qui se sont déplacés pour faire progresser la société grâce à ces nouvelles compétences. C'est un plaisir de voir la créativité de notre personnel et de soutenir ceux qui ont envie de découvrir et d'évoluer professionnellement », déclare M. Clyde. 

En outre, M. Clyde est partenaire d'un club local d'impression 3D afin de fournir un accès et un enseignement aux élèves des écoles intermédiaires. Chaque mois, les étudiants viennent au laboratoire de prototypage de Next Meters et ont la possibilité d'imprimer leurs propres conceptions sur les imprimantes FDM, SLA et SLS. M. Clyde y voit l'occasion d'aider à l'adoption de la technologie et d'améliorer le secteur dans son ensemble en enseignant à la future main-d'œuvre.

« C'est amusant de les voir réfléchir à ce processus. L'impression 3D va de toute façon se développer en production industrielle : les enfants l'adoptent déjà et ils conçoivent des pièces spécialement adaptées, contrairement aux ingénieurs mécaniques traditionnels, qui doivent changer leur façon de concevoir. C'est pourquoi nous menons nos activités en soutenant ces groupes de jeunes, ce jeune groupe d'ingénieurs qui, en grandissant, changera l'avenir de la production industrielle », déclare M. Clyde.

En s'appuyant sur leurs nouveaux flux de travail complémentaires de moulage par injection et d'impression 3D, Next Meters peut maintenant faire face à toutes les situations et continuer à permettre aux communautés de suivre avec précision leur consommation d'eau et de récompenser ceux qui conservent cette ressource naturelle de plus en plus précieuse. L'impression 3D a accéléré les délais de prototypage et de développement, réduit les coûts de la phase d'outillage et permis la production de pièces finales, tout en fournissant des outils d'enseignement et de formation à leurs employés et à leur communauté.