Optimisation topologique « freestyle » : les axes de skateboard tracent les nouvelles voies de la conception

Dans le monde du skateboard, les flips (rotations de planche) et les grabs (saisies de planche avec la main) ont certes la cote, mais ces figures ne sont pas aussi « cool » que les sensations que procure une descente en longboard. Pouvant atteindre une vitesse d’environ 150 km/h (à l’instar du record du monde de Pete Connolly), les longboarders marient le skate au surf, dans une recherche d’adrénaline et de vitesse à couper le souffle. Il est clair que pour ces casse-cou de la descente, la solidité de la fixation des roues à la planche revêt une importance capitale.

Dans le jargon du skateboard, le « truck » est un élément de type essieu sur lequel les roues sont fixées. Composé d’un axe, de gommes coussinets (appelées « bushings ») et de vis d’assemblage, il constitue l’interface entre les roues et la planche. C’est grâce à lui que le skater contrôle ses mouvements, en jouant sur la répartition de son poids, l’inclinaison de sa planche et ses réactions aux trajectoires de cette dernière. Nul besoin de préciser qu’il s’agit là d’un composant primordial du skate.

Or voici qu’aujourd’hui, au même titre que les pièces d’avion, les meubles et tant d’autres objets du monde moderne, les trucks de planches à roulettes sont eux aussi promis à de profonds changements grâce à l’optimisation topologique et à la fabrication additive métallique.

Philipp Manger, étudiant en ingénierie de précision et amateur de descente à ses heures, a choisi d’appliquer son expertise à la conception de trucks de skateboard parce que, comme il l’explique : « c’est la seule pièce de skate que je n’aie pas encore fabriquée moi-même et c’est un élément qui se prête merveilleusement bien à l’essai de ces nouvelles technologies ». Mais pas n’importe quel truck : car en se lançant dans cette aventure, dénommée projet TOST (« Topology Optimized Skateboard Trucks »), il s’est concentré sur les trucks de descente en longboard. Contrairement aux trucks de skateboard traditionnel, destinés aux parcours et figures de rue, ceux du longboarding et du skate de vitesse nécessitent plutôt une géométrie inversée. On les surnomme « reverse kingpin trucks », parce que la vis d’assemblage principale (« kingpin ») traverse l’axe des roues pour ressortir du côté inverse par rapport à un truck traditionnel.

Natif d’Allemagne, Philipp Manger a plus de 15 années d’expérience en ingénierie. Après s’être formé aux techniques de CAO et de conception 3D, il a œuvré à de nombreux projets en tant que concepteur technique, travaillant entre autres sur les colonnes de direction de la Mini Cooper.

Son expérience dans l’industrie automobile n’a pas été vaine dans son projet de révolutionner la structure des skateboards. « Cela m’a donné de solides bases, explique-t-il. Peu importe le domaine d’application, l’ingénierie reste de l’ingénierie. Une pièce automobile n’est pas fondamentalement différente d’une pièce de skateboard du point de vue du travail de conception. Les méthodes restent les mêmes, et j’ai eu la chance de beaucoup apprendre sur ces méthodes et ce qu’on appelle la construction ou modélisation paramétrique. J’ai essayé de nombreux outils de CAO, l’approche se révèle vraiment intuitive. »

Après ce gain de compétences dans le secteur automobile, Philipp Manger reprend des études et s’inscrit en ingénierie de précision à l’université technique de Jena en Allemagne. Il se prend alors de passion pour la conception générative, ainsi que pour d’autres techniques d’optimisation de la conception et pour la fabrication additive.

En se penchant sur le problème de réinvention et d’optimisation des trucks à géométrie inversée, Philipp Manger s’est appuyé sur les logiciels Fusion 360 et Netfabb d’Autodesk. Sur la base des paramètres et contraintes qu’il a spécifiés pour obtenir un niveau équivalent (ou supérieur) de rigidité tout en réduisant le poids total, les logiciels ont généré une structure lattice optimisée. Les structures lattices sont des constructions complexes semblables aux tissus osseux, et dont la formation semble avoir nécessité des millions d’années d’évolution naturelle. Améliorer le poids, le comportement et la résistance des pièces est évidemment une question cruciale dans des secteurs tels que l’industrie aérospatiale, mais quel gain de performance un « essieu de skateboard à conception optimisée topologiquement » peut-il bien apporter à une planche à roulettes, qui n’est déjà pas si lourde après tout ?

« En skate de descente, si vous essayez de freiner à 80 km/h sur une planche qui pèse 5 kilos, vous vous rendrez bien vite compte de la difficulté par rapport à une planche de 3 ou 4 kilos. La réduction de poids facilite toutes les manœuvres », explique le concepteur de ces trucks d’un nouveau genre. Un avantage qui ne se limite pas aux glorieux moments de descente : Philipp Manger considère la pratique dans son ensemble et pense aux longboarders qui doivent gravir, leur skate à la main, d’importants dénivelés avant de pouvoir dévaler les pentes. Toute diminution du poids est alors la bienvenue.

Imiter la nature à coups de laser

À la différence des trucks traditionnels, fabriqués en aluminium, ceux conçus par Philipp Manger se servent de titane : celui-ci a certes un poids spécifique beaucoup plus élevé, mais comme la structure lattice nécessite une quantité bien moindre de matériau, le résultat final est un truck considérablement allégé. Comme il l’explique lui-même : « Le titane a une densité quasiment double de celle de l’aluminium, réduire le poids constituait donc une vraie gageure. Mais le principal changement a concerné la partie mobile supérieure du truck, la pièce maîtresse triangulaire qu’on appelle le hanger. Normalement, celui-ci est moulé en aluminium et accueille un axe de roues en acier. Les deux hangers que j’ai conçus sont constitués d’une seule et unique pièce. Et en appliquant la conception lattice aux axes eux-mêmes, il a été possible d’obtenir une structure creuse pour ces derniers aussi. »

Ce processus, que le jeune ingénieur appelle « conception hybride associant formes biologiques et structures lattices », n’est pas sans rappeler les coupes transversales de nos cours de biologie. Si l’on examine de près la composition des os d’un oiseau par exemple, on constate que loin d’être massifs, ils présentent une structure presque entièrement creuse, qui est le produit de millions d’années d’évolution. Ils sont constitués d’un treillis complexe qui assure leur intégrité structurelle tout en minimisant l’emploi de matière, afin de réduire la masse et de rendre possible le vol. La motivation profonde derrière le projet TOST, et Philipp Manger ne s’en est pas caché devant les partenaires potentiels, était bien en effet de « copier la nature ».

Avec des méthodes de fabrication traditionnelle, il ne serait pas possible d’obtenir des pièces à topologie optimisée telles que le truck conçu par Philipp Manger. Les techniques de fraisage ou de moulage n’atteignent pas un niveau de finesse capable de sculpter la matière avec ce degré et cette complexité de détails. Tous les brins formant la structure lattice des prototypes réalisés dans le cadre du projet TOST n’ont jamais eu un diamètre supérieur à un millimètre. Cela excluait non seulement les méthodes traditionnelles, mais créait aussi des conditions d’innovation radicale pour sortir des sentiers battus. Et l’ingénieur de poursuivre : « Un des objectifs était d’explorer les limites des méthodes de fabrication additive métallique : atteindre l’épaisseur minimale des structures. »

Trouver le bon partenaire industriel était donc essentiel à la réussite du projet. En gagnant la collaboration de l’institut Fraunhofer IWU, Philipp Manger s’est adjoint le soutien d’un des grands noms de la R&D allemande en techniques de production. Comme il le reconnaît : « L’institut est spécialisé dans la fabrication additive métallique, ainsi que dans d’autres types de fabrication légère. Il était difficile d’imaginer meilleur partenaire. J’ai été heureux de pouvoir collaborer avec un organisme de cette stature. Ils m’ont soutenu dans mon projet en me permettant d’accéder à leurs équipements de production, notamment à la machine de fusion laser, la GE Concept Laser M2. Mon savoir-faire pratique a considérablement progressé. »

Surfer sur la vague du « cool »

L’ensemble de l’aventure, rassembler des partenaires, faire la collecte et la synthèse des données et se lancer dans la conception, aura finalement été une longue descente tranquille, plus facile que tout ce que Philipp Manger pouvait imaginer. Une seule petite anicroche est à reporter au tableau, comme il l’explique : « Le processus de construction n’a achoppé qu’une seule fois ; à part ça, le truck a été opérationnel dès le premier essai. Cela souligne la qualité des logiciels utilisés ; dès le début, j’ai pu tout analyser et préparer pour la fabrication. »

Pour le moment, Philipp Manger n’a pas de plan de commercialisation précis pour ce truck futuriste. Celui-ci n’est pas encore compétitif sur le marché, face aux trucks fabriqués selon des méthodes traditionnelles (il faudra patienter encore quelques années selon lui). De plus, il a toujours considéré que le projet TOST visait avant tout à apporter une preuve de faisabilité.

Pour lui, le projet a porté ses fruits, s’il en juge par les contacts noués dans l’industrie, le nombre de sociétés qui se sont sérieusement intéressées aux technologies employées, l’attention dont il a été l’objet et la pluie de récompenses reçues lors des rencontres et salons professionnels.

« La finalité du projet, après tout, n’était pas tant de créer un truck de skateboard que de trouver de nouvelles méthodes de conception légère en fabrication métallique additive ». Et de conclure : « Le projet TOST montre le potentiel des nouvelles approches combinant les formes biologiques aux structures lattices. Un truck de skateboard, dans ce contexte, permet d’en faire la démonstration, avec un objet qui parle à un large public. »