Dans le quartier d’Edogawa à Tokyo se trouve un atelier qui fait revivre l’arc japonais avec une touche de modernité, nom de code: Project Sakura. Dirigé par Yoshihisa Nishikawa, président de Nishikawa Seiki Co. Ltd, la quête a commencé par son amour du tir à l’arc et son objectif de toujours de développer l’arc ultime. Le résultat est la contremarche d’arc Nishikawa SH-02, commercialisée l’année dernière. Maintenant, le défi consiste à rendre l’arc encore plus léger grâce à des partenariats qui explorent la conception générative avec des chercheurs de premier plan.

Le SH-02 est conçu pour les archers qui participent à des compétitions de haut niveau. La contremarche, qui est la partie centrale de l’arc comprenant la poignée, présente une conception spéciale dans laquelle les deux ‘branches’ du tremplin sont fixées en haut et en bas de la contremarche. Cela permet de minimiser les oscillations lors du lâcher de l’arc et d’obtenir un lâcher plus précis et plus doux; Nishikawa affirme que cela incarne ‘la joie du tir’.

Sur l'arc Nishikawa SH-02, deux branches sont fixées au sommet et à la base de l'élévateur de conception générique, qui est la partie centrale de l'arc. © Nishikawa Seiki

“Les meilleurs archers s’entraînent dur pour renforcer leur cœur et ont tendance à privilégier les arcs plus lourds, car ils réduisent le flottement”, explique Nishikawa. Mais cette tendance à utiliser des arcs plus lourds a empêché le tir à l’arc de gagner en popularité au Japon. “Les nouveaux venus au tir à l’arc sont souvent frustrés par le poids de l’arc, et ils abandonnent rapidement”, explique-t-il. “Bien sûr, il existe aussi des arcs plus légers, mais ils sont plus difficiles à viser. Si nous pouvions fabriquer un arc léger à hautes performances, le poids pourrait être ajouté au gré de chaque archer. J’ai pensé que c’était l’approche la plus raisonnable pour notre travail.”

Nishikawa Seiki est une entreprise de métallurgie qui fabrique une large gamme de produits, des simples pièces de machines aux systèmes de recherche médicale sur commande. Elle produit également des biens socialement responsables tels que des véhicules de mobilité ultracompacts. Pour ce projet, M. Nishikawa s’est tourné vers son collègue Toshihiro Irie, professeur au département d’ingénierie des machines de précision de la Nihon University College of Science and Technology. Ensemble, ils ont voulu trouver des méthodes pour alléger l’élévateur d’arc tout en conservant sa rigidité.

Concevoir une forme extraordinaire

L’optimisation topologique est une approche permettant d’alléger un produit en éliminant les zones d’une pièce qui ne sont pas soumises à des contraintes. Le design génératif pousse cette idée plus loin. “Nous sommes entourés d’idées préconçues sur ce qui fait l’efficacité ou la qualité d’un produit”, explique Irie.

“Le design génératif peut éliminer ces obstacles pour révéler une forme plus pure. J’ai vu comment certains de mes étudiants travaillant sur le projet d’ascenseur spatial utilisaient la conception générative pour créer des pièces, et j’ai été fasciné par le processus. Lorsque j’ai montré cela à l’équipe de Nishikawa Seiki, elle a été tout aussi impressionnée.”

L’équipe a utilisé les résultats de la mesure de la position en 3D pour observer le mouvement de la corde de l’arc, puis a analysé ces données afin de dériver des équations pour la charge appliquée par chaque tir. La contremarche créée par les étudiants d’Irie à l’aide de la conception générative dans Autodesk Fusion 360 se distingue par sa forme asymétrique.

“Dans le cadre du processus de conception générative, cela devient un problème si le haut et le bas de l’élévateur ont des longueurs différentes à partir de son centre”, explique Irie. “Si vous regardez le produit final, vous pouvez voir comment cela a été pris en compte dans notre conception”.

Anciens arcs développés par Nishikawa Seiki. Le premier modèle (à l'extrême gauche) s'inspire des modèles populaires de l'époque. Cette forme a rapidement évolué vers le SH-02 (au milieu, en or), qui offrait de hautes performances dans un profil épuré. © Nishikawa Seiki

Au tir à l’arc, la vibration créée une fois que la corde est relâchée affecte la stabilité de la poignée, qui détermine la visée et est liée à la rigidité de chaque partie de l’arc. L’équipe d’Irie a utilisé ces données lors de la création de divers modèles de charge, répétant les simulations à la recherche d’une forme qui répondrait à toutes les exigences.

Modèles imprimés en 3D à partir de données créées à l'aide de la conception générative. Cette approche, qui s'écarte radicalement des techniques de découpe classiques, a permis à Nishikawa Seiki de réduire considérablement le poids de l'élévateur. © Nishikawa Seiki

Un design nettement plus léger

Selon Nishikawa, le nouvel élévateur avant est “totalement différent du SH-02 en termes d’approche de la conception, mais il intègre des données numériques et des concepts issus de nos travaux antérieurs. Notre équipe n’aurait pas pu concevoir cette forme incroyable toute seule”.

Grâce au processus de conception générative, un élévateur de 1 531 grammes a été allégé à 633 grammes. Le poids total de la contremarche a été réduit de plus de 50%, et des ajustements ont permis de fixer des branches et d’autres accessoires. Une fois la conception finalisée, la forme complexe a été fabriquée à l’aide de la fraiseuse intégrée 5 axes NTX1000 de deuxième génération de DMG Mori Seiki.

Ryusuke Haruta, étudiant en recherche au College of Science and Technology de l’université de Nihon, s’est chargé de l’opération de FAO. “J’ai pu constater par moi-même l’influence des différents facteurs d’un processus de fabrication sur la pièce finale”, déclare Haruta. “Et nous avons pu atteindre une rigidité suffisante”. Les opérateurs chevronnés de Nishikawa Seiki ont ensuite converti les données, vérifié le processus et fabriqué avec succès la pièce détaillée lors de leur première tentative.

L’équipe avait effectué des simulations, et Nishikawa affirme qu’en tant que petite entreprise, elle a pu fabriquer la pièce rapidement pour effectuer des tests réels. “Rien n’est comparable au fait de tenir la pièce réelle dans sa main, de voir comment elle se comporte et de pouvoir la tester pour la flexion ou la déformation”, dit-il. “Je suis étonné que nous ayons pu obtenir de telles données lors de notre premier essai avec cette technologie.”

La mesure des vibrations du SH-02 a donné des résultats équivalents à ceux des meilleurs modèles disponibles. Lorsque l’équipe de Nishikawa a soumis le riser de conception générative au même test, la vibration horizontale était légèrement supérieure à celle du SH-02, mais la vibration verticale était moindre.

Ambitions mondiales

En examinant les données des tests, Nishikawa affirme que l’équipe a déjà identifié certains points à améliorer. La prochaine étape consistera à appliquer ces données à une conception encore meilleure, en rendant l’élévateur encore plus léger tout en améliorant sa rigidité. “À l’avenir, nous espérons utiliser la conception générative pour fabriquer des arcs recourbés pouvant être utilisés dans les compétitions olympiques, ainsi que des arcs à poulies”, explique-t-il.

M. Nishikawa voit dans le marché de l’arc une occasion unique pour une petite entreprise de réussir. “Pour les grandes entreprises japonaises, le marché du tir à l’arc n’est qu’une goutte d’eau dans l’océan, mais pour une petite entreprise comme la nôtre, c’est comme une vaste étendue d’eau dans laquelle nous pouvons naviguer et découvrir de nouvelles terres”, dit-il.

Le marché intérieur japonais se compte en milliers, mais des millions de personnes dans le monde apprécient le tir à l’arc. M. Nishikawa élabore actuellement une stratégie commerciale pour s’étendre sur ce marché mondial. “Le simple fait qu’une entreprise japonaise revienne sur le marché du tir à l’arc sera remarqué lors des salons professionnels à l’étranger”, explique-t-il. “Et la marque Made in Japan a un poids indéniable qui nous aidera à réussir.”

L'élévateur créé à l'aide du design génératif avec les membres attachés. © Nishikawa Seiki

En bref

  • Nishikawa Seiki a réimaginé l’arc de tir à l’arc japonais en utilisant la conception génératif pour créer la hausse de l’arc.
  • L’utilisation de la conception générative a permis de réduire considérablement le poids total de l’arc.
  • L’équipe a utilisé des données de mesure 3D et des simulations pour déterminer la forme de l’arc et les exigences de rigidité.
  • Nishikawa Seiki va continuer à affiner la conception de l’arc, à créer d’autres modèles d’arc et à chercher à étendre la distribution mondiale.

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