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Façonner l’avenir avec l’impression 3D des boîtiers d’Apple Watch en titane
Tout a commencé par une idée utopique : et si l’impression 3D, jusque-là utilisée pour créer des prototypes, pouvait être mise à profit pour produire des millions de boîtiers identiques parfaitement conformes aux normes de conception d’Apple, à l’aide de métal recyclé de haute qualité ?
« Ce n’était pas juste une idée en l’air, mais une idée qui avait vocation à se réaliser », explique Kate Bergeron, Vice President of Product Design chez Apple. « À peine avions-nous posé la question, que nous commencions déjà à la tester. Nous devions prouver, par l’élaboration continue de prototypes, l’optimisation des processus et une collecte de données considérable, que cette technologie serait capable de répondre aux normes de qualité élevées que nous exigeons. »
Cette année, tous les boîtiers d’Apple Watch Ultra 3 et d’Apple Watch Series 11 en titane sont imprimés en 3D avec de la poudre de titane de qualité aérospatiale 100 % recyclé, une prouesse auparavant considérée comme impossible à réaliser à grande échelle. Toutes les équipes d’Apple ont uni leurs forces pour atteindre cet objectif commun. La finition miroir du titane poli sur la Series 11 devait être impeccable. L’Apple Watch Ultra 3 devait conserver sa durabilité et sa légèreté pour répondre aux exigences des amateurs d’aventure. Les deux modèles devaient aussi améliorer leur impact sur la planète sans compromettre les performances, et utiliser des matériaux de qualité équivalente ou supérieure.
« Chez Apple, dans toutes les équipes, l’environnement est considéré comme une valeur fondamentale », explique Sarah Chandler, Vice President of Environment and Supply Chain Innovation d’Apple. « Nous savions que l’impression 3D était une technologie très prometteuse en matière d’efficacité des matériaux, ce qui est essentiel pour atteindre notre objectif Apple 2030. »
Apple 2030 est l’objectif ambitieux de l’entreprise d’atteindre la neutralité carbone sur l’ensemble de son empreinte carbone d’ici la fin de cette décennie, ce qui comprend la chaîne de fabrication des produits et l’utilisation tout au long de leur cycle de vie. Actuellement, toute l’électricité utilisée pour la fabrication des Apple Watch provient déjà de sources d’énergie renouvelable, comme l’énergie éolienne et solaire.
Avec le procédé de fabrication additif de l’impression 3D, l’objet est imprimé couche par couche jusqu’à ce qu’il se rapproche le plus possible de la forme finale souhaitée. À l’inverse, l’usinage des pièces forgées utilisé jusqu’à présent est un procédé « soustractif », qui nécessite d’enlever de grandes quantités de matière. Ce changement permet d’utiliser moitié moins de matière pour la fabrication des boîtiers d’Apple Watch Ultra 3 et des boîtiers en titane d’Apple Watch Series 11, par rapport aux générations précédentes.
« Une baisse de 50 % est une avancée gigantesque – on peut fabriquer deux montres au lieu d’une à partir de la même quantité de matière », explique Sarah Chandler. « Si l’on commence à retracer tout le processus, cela fait une différence énorme pour la planète. »
Au total, Apple estime que ce nouveau procédé devrait lui permettre d’économiser plus de 400 tonnes de titane brut cette année.
Au cours des dix dernières années, Apple a expérimenté l’impression 3D alors que le secteur commençait à prendre son envol. Dans les laboratoires hospitaliers, les médecins utilisaient les premières prothèses et organes artificiels imprimés en 3D, et même dans l’espace, les astronautes découvraient avec quelle vitesse et quelle facilité l’impression 3D leur permettait d’imprimer des outils indispensables à bord de la Station spatiale internationale.
« Nous avons attendu longtemps avant de voir cette technologie arriver à maturité et constaté que ses prototypes devenaient de plus en plus proches de nos conceptions », explique le Dr J. Manjunathaiah, Senior Director of Manufacturing Design for Apple Watch and Vision d’Apple. « Notre intention a toujours été d’utiliser moins de matière pour fabriquer nos produits. Avant, nous n’avions jamais réussi à fabriquer des pièces esthétiques à grande échelle avec l’impression 3D. Nous avons donc commencé à tester l’impression 3D de métal pour fabriquer des pièces esthétiques. »
Pour Apple, la fonctionnalité, la beauté et la durabilité sont trois critères indispensables. À cela s’ajoute l’évolutivité, ainsi que des tests de fiabilité rigoureux, des performances et même des avancées majeures dans le domaine de la science des matériaux, tout en veillant à ne pas perdre de terrain dans ses objectifs de décarbonation pour 2030.
Vue d’en haut, des rangées de blocs émergent du sol comme des gratte-ciel blancs en Lego, qui fonctionnent de jour comme de nuit. Voici les imprimantes 3D qui fabriquent sans relâche les boîtiers en titane de l’Apple Watch Ultra 3 et l’Apple Watch Series 11.
Chaque machine est équipée d’un galvanomètre contenant six lasers qui fonctionnent simultanément pour appliquer toutes les couches (plus de 900 au total) nécessaires à la fabrication d’un seul boîtier. Avant la phase d’impression, le titane brut doit être réduit en poudre, un procédé qui consiste à doser avec précision sa teneur en oxygène afin de restreindre ses propriétés qui deviennent explosives lorsqu’il est exposé à la chaleur.
« C’était une science des matériaux de haute précision », a déclaré Kate Bergeron.
« Les particules de poudre devaient faire 50 microns de diamètre, l’équivalent d’un sable très fin », a expliqué le Dr J. Manjunathaiah. « Une fois exposée aux rayons laser, elle se comporte différemment si elle contient de l’oxygène ou non. Nous devions donc trouver un moyen pour que la teneur en oxygène reste faible. »
« Pour obtenir une épaisseur qui fasse que chaque couche mesure exactement 60 microns, nous avons dû la compresser très finement », a ajouté Kate Bergeron. « Nous devions à la fois aller le plus vite possible pour pouvoir le reproduire à grande échelle, mais le plus lentement possible pour garantir la précision. Cela nous a permis d’être efficaces, tout en atteignant les objectifs du design. »
Une fois l’impression terminée, un technicien aspire les résidus de poudre de la plaque de montage dans un procédé appelé dépoussiérage grossier. Étant donné que les pièces sont imprimées dans un état pratiquement finalisé avec toutes les découpes nécessaires sur le boîtier, il est possible qu’il reste des résidus de poudre dans les recoins. On utilise alors un nettoyeur à ultrasons pour éliminer ces résidus de poudre lors de la phase de dépoussiérage fin.
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 la découpe. Un système automatisé d’inspection optique mesure ensuite chaque boîtier pour s’assurer de la précision de ses dimensions et de son aspect. C’est la dernière étape du contrôle qualité qui garantit que les boîtiers sont prêts pour le traitement final.
« Les ingénieurs mécaniques sont des champions du monde des casse-tête », déclare Kate Bergeron. « Leur rôle est de prendre le circuit imprimé, l’écran, la batterie – tout ce qui va entrer dans le boîtier durant l’assemblage final – et de faire en sorte que tout tienne à l’intérieur. Nous effectuons des tests pendant tout le processus pour nous assurer que la montre est fonctionnelle, puis nous ajoutons la partie logicielle et la faisons fonctionner pendant quelque temps pour vérifier que toutes les fonctionnalités sont conformes à nos exigences. »
Autre amélioration majeure apportée par l’impression 3D : la possibilité d’imprimer des textures à des endroits normalement inaccessibles lors du procédé de forgeage. Pour l’Apple Watch, il fallait être capable d’améliorer le processus d’étanchéité du boîtier au niveau du logement de l’antenne dans les modèles à connectivité cellulaire. À l’intérieur du boîtier, les modèles à connectivité cellulaire ont une fente remplie de plastique qui permet le fonctionnement de l’antenne. En utilisant l’impression 3D pour imprimer une texture particulière sur la surface interne du métal, Apple a réussi à obtenir une meilleure adhérence entre le plastique et le métal.
Il a fallu plusieurs années pour assembler toutes les pièces de ce puzzle, en commençant par une série de démos et de preuves de concept pour affiner la procédure, de la composition de l’alliage au processus d’impression lui-même. Après des essais menés à plus petite échelle sur des produits de générations précédentes, l’équipe était convaincue qu’elle pourrait relever les défis liés à l’utilisation du titane.
« Nous essayons toujours de procéder par petites touches avant de passer à l’étape suivante », explique Kate Bergeron. « Cela nous a permis de bénéficier d’encore plus de souplesse qu’auparavant en termes de conception. Maintenant que nous avons réalisé cette prouesse à grande échelle, de manière réellement durable, et avec les résultats esthétiques et structurels voulus, les possibilités sont illimitées. »
Cette souplesse au niveau de la conception a eu un autre avantage qui va au-delà de l’Apple Watch : un port USB-C sur le nouvel iPhone Air. En créant un tout nouveau port avec un boîtier en titane imprimé en 3D à partir de la même poudre de titane recyclé, Apple a réussi la prouesse de créer un design incroyablement fin et résistant à la fois.
Voilà le résultat que l’on peut espérer lorsque les lois de la physique, l’innovation matérielle, un design hors pair et un engagement sans faille envers la protection de l’environnement convergent – et c’est magique.
« Nous sommes pleinement engagés en faveur d’un changement systémique », explique Sarah Chandler. « Nous ne faisons jamais quelque chose juste pour voir ; nous le faisons dans l’optique de modifier le fonctionnement du système. Notre principe directeur a toujours été de concevoir des produits dans un respect accru des personnes et de la planète. Lorsque nous unissons nos talents pour innover sans aucun compromis sur le design, la fabrication et nos objectifs environnementaux, les avantages sont beaucoup plus grands que ce tout que l’on aurait pu imaginer. »
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