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Préparer l’avenir avec des boîtiers Apple Watch en titane imprimés en 3D
Tout a commencé par une idée folle : et si on se servait de l’impression 3D, habituellement utilisée pour créer des prototypes, afin de produire des millions de boîtiers identiques correspondant parfaitement aux normes de conception d’Apple, à partir de métal recyclé de haute qualité?
« Ce n’était pas qu’une idée. C’était une idée qui voulait devenir réalité, a déclaré Kate Bergeron, vice-présidente de la conception de produits chez Apple. Une fois cette question posée, nous avons immédiatement commencé à la mettre à l’épreuve. Nous devions prouver, par le prototypage continu, lÆoptimisation du procédé et la collecte d’une énorme quantité de données, que cette technologie était en mesure de répondre aux normes de qualité élevées que nous imposons. »
Cette année, tous les boîtiers Apple Watch Ultra 3 et boîtiers en titane Apple Watch Series 11 sont imprimés en 3D au moyen d’une poudre de titane de qualité aérospatiale entièrement recyclée, un accomplissement qui était auparavant considéré comme irréalisable à grande échelle. Toutes les équipes d’Apple se sont mobilisées pour réaliser une ambition commune. Le fini miroir poli des boîtiers Series 11 devait être immaculé. Le boîtier Ultra 3 devait conserver sa durabilité et son poids léger pour répondre aux exigences des aventuriers du quotidien. Dans les deux cas, il fallait obtenir un résultat plus sain pour la planète sans compromettre la performance, tout en utilisant des matériaux de qualité égale ou supérieure.
« Chez Apple, chaque équipe fait de l’environnement une valeur centrale, a déclaré Sarah Chandler, vice-présidente de l’environnement et de l’innovation de la chaîne logistique chez Apple. Nous savions que l’impression 3D était une technologie pouvant améliorer l’efficacité en matière d’utilisation des matériaux, ce qui est un aspect essentiel pour réaliser notre plan Apple 2030. »
Le plan Apple 2030 est un ambitieux objectif qui vise à rendre l’ensemble des activités d’Apple carboneutres d’ici la fin de la décennie, ce qui inclut la chaîne d’approvisionnement de fabrication et le cycle de vie des appareils. Déjà, l’ensemble de l’électricité consommée pour fabriquer les montres Apple Watch provient de sources d’énergies renouvelables, comme l’énergie solaire et l’énergie éolienne.
Dans le cadre du procédé additif de l’impression 3D, les couches sont imprimées les unes après les autres jusqu’à ce que l’objet soit aussi proche que possible de la forme finale souhaitée. À l’opposé, l’usinage des pièces forgées est un processus soustractif qui nécessite l’enlèvement d’une grande partie du matériau. Ainsi, cette innovation fait en sorte que les boîtiers Ultra 3 et boîtiers en titane Series 11 requièrent uniquement la moitié des matières premières nécessaires pour fabriquer les boîtiers des générations précédentes.
« Une réduction de cinquante pour cent est une immense réussite – nous obtenons deux montres avec la même quantité de matière qu’il fallait pour en fabriquer une auparavant, a expliqué Sarah Chandler. Quand on fait le calcul, les économies réalisées pour la planète sont considérables. »
Grâce à ce nouveau procédé, Apple estime qu’au total, ce sont plus de 400 tonnes métriques de titane brut qui seront économisées cette année seulement.
Au cours de la dernière décennie, Apple a expérimenté l’impression 3D alors que l’industrie elle-même commençait à prendre son essor. Dans les hôpitaux, les médecins installaient les premières prothèses et premiers organes artificiels imprimés en 3D, alors qu’en orbite, les astronautes découvraient la rapidité et la facilité de l’impression 3D pour produire des outils essentiels pour la Station spatiale internationale.
« Nous avons observé cette technologie mûrir pendant longtemps et nous avons vu les prototypes devenir de plus en plus représentatifs de nos concepts », a déclaré le Dr J Manjunathaiah, directeur principal de la conception de la fabrication pour Apple Watch et Apple Vision. « Nous avons toujours eu comme objectif de réduire l’utilisation de matériaux dans la fabrication de nos produits. Auparavant, nous ne parvenions pas à produire des pièces esthétiques à grande échelle au moyen de l’impression 3D. Nous avons donc commencé à expérimenter avec l’impression 3D de métaux afin de produire des pièces esthétiques. »
Pour Apple, la fonctionnalité, la beauté et la durabilité sont des aspects essentiels. Il faut y ajouter l’évolutivité, des tests de fiabilité rigoureux, la performance et même des percées en matière de science des matériaux, tout en visant l’atteinte des objectifs fixés dans le plan Apple 2030.
Vues d’en haut, des rangées de blocs dépassent du sol comme des gratte-ciels en blocs Lego, dans un bourdonnement constant de jour comme de nuit. Il s’agit des imprimantes 3D qui travaillent pour fabriquer les boîtiers en titane Apple Watch Ultra 3 et Series 11.
Chaque machine est équipée d’un galvanomètre qui abrite six lasers, lesquels fonctionnent tous en même temps pour fabriquer chaque couche successive – plus de 900 – pour terminer chaque boîtier. Avant que les imprimantes puissent se mettre en marche, le titane brut doit être réduit en poudre, un procédé qui nécessite d’ajuster avec précision la teneur en oxygène du titane afin de réduire ses propriétés qui deviennent explosives lorsqu’il est exposé à la chaleur.
« C’était de la science des matériaux à la fine pointe », a mentionné Kate Bergeron
« Les particules de poudre devaient avoir un diamètre de 50 microns, comme le sable fin, a expliqué le Dr J Manjunathaiah. Quand on la soumet à un rayon laser, elle se comporte différemment si elle contient de l’oxygène. Nous devions donc trouver un moyen de réduire le plus possible la teneur en oxygène. »
« Pour obtenir une épaisseur telle que chaque couche mesure exactement 60 microns, il faut étaler cette poudre très finement, a ajouté Kate Bergeron. Nous devons aller aussi vite que possible pour nous assurer de rendre le procédé évolutif, mais en même temps, nous devons aller aussi lentement que possible pour nous assurer de la plus haute précision. Cela nous permet d’être efficaces, tout en atteignant les objectifs de conception. »
Une fois l’impression terminée, on aspire les résidus de poudre de la plaque de montage au moyen d’un procédé appelé dépoudrage grossier. Puisque la pièce obtenue comprend la forme pratiquement finale de tous les dispositifs d’interverrouillage nécessaires, il est possible que de la poudre demeure dans les coins et recoins du boîtier. Un agitateur à ultrasons est ensuite utilisé pour éliminer la poudre n’ayant pas été enlevée lors du dépoudrage grossier.
Au cours du processus de séparation, un mince fil électrifié scie entre chaque boîtier, tandis qu’un liquide de refroidissement est pulvérisé simultanément afin de limiter la chaleur générée par le processus de découpe. Un système automatisé d’inspection optique mesure ensuite chaque boîtier, et s’assure que ses dimensions et son esthétique sont adéquates. Il s’agit de la dernière étape de contrôle de la qualité pour s’assurer que les boîtiers sont prêts pour le traitement final.
« Les spécialistes de l’ingénierie mécanique sont des pros des casse-têtes, estime Kate Bergeron. Il faut prendre le circuit imprimé, l’écran, la batterie – tout ce qui va dans le boîtier durant l’assemblage final – et s’arranger pour que tout rentre. Nous effectuons ensuite des tests pour nous assurer que la montre est fonctionnelle, puis nous y ajoutons des logiciels et la faisons fonctionner pendant un moment pour nous assurer que toutes les fonctionnalités sont à la hauteur de nos exigences. »
Autre amélioration clé apportée par l’impression 3D : la possibilité d’imprimer des textures à des endroits normalement inaccessibles lors du procédé de forgeage. Pour Apple Watch, cela ouvrait la possibilité d’améliorer le procédé d’étanchéification du boîtier de l’antenne pour les modèles avec connectivité cellulaire. Les modèles avec connectivité cellulaire ont dans leur boîtier une fente remplie de plastique pour permettre le fonctionnement de l’antenne, et l’impression en 3D d’une texture particulière sur la surface interne du métal a permis à Apple d’obtenir une meilleure adhérence entre le plastique et le métal.
Assembler les morceaux du casse-tête a été un travail de plusieurs années qui a commencé par une série de démonstrations et de validations de concept visant à affiner la recette, depuis la composition spécifique de l’alliage jusqu’au processus d’impression lui-même. Après des essais menés à une bien plus petite échelle avec les produits des générations précédentes, l’équipe était convaincue qu’elle pourrait relever les défis posés par l’utilisation du titane.
« Nous essayons toujours de prendre des mesures progressives qui nous permettent de passer à l’étape suivante, explique Kate Bergeron. Cela nous a ouvert les portes d’une plus grande souplesse sur le plan de la conception. Maintenant que nous avons réalisé cette avancée à grande échelle, de manière durable, et avec les résultats esthétiques et structurels escomptés, les possibilités sont illimitées. »
Cette souplesse en matière de conception a permis de créer autre avantage qui va au-delà d’Apple Watch : l’ajout d’un port USB-C au nouvel iPhone Air. En créant un tout nouveau port avec un boîtier en titane imprimé en 3D avec la même poudre de titane recyclée, Apple a été en mesure de faire de sa conception ultra fine mais durable une réalité.
C’est là toute la magie qui peut se matérialiser quand les lois de la physique, l’innovation matérielle, une conception inégalée et un engagement indéfectible envers la protection de l’environnement s’alignent.
« Nous sommes extrêmement engagés envers le changement des systèmes, explique Sarah Chandler. Nous ne faisons jamais quelque chose pour ne le faire qu’une seule fois – nous le faisons pour que cela devienne la façon dont tout le système fonctionne. Notre point de mire a toujours la conception de produits meilleurs pour les gens et la planète. Lorsque nous nous rassemblons pour innover sans compromis dans la conception, la fabrication et nos objectifs environnementaux, les avantages obtenus sont immensément plus grands que nous aurions pu l’imaginer. »
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