Qu'est-ce que le prototypage rapide ?

Le prototypage rapide, généralement réalisé par le biais de la fabrication additive, permet à un concepteur de développer plusieurs itérations d'un prototype sans les coûts ou le temps supplémentaires liés à l'utilisation de techniques de fabrication et de conception traditionnelles.

Quels sont les différents types de prototypage rapide ?

La fidélité d'un prototype, c'est-à-dire la mesure dans laquelle le prototype correspond au produit final, varie selon le projet, sur un spectre allant de la fidélité la plus faible à la plus élevée.

Qu'est-ce que le prototypage basse fidélité ?

Nous nous référons à une fidélité inférieure lorsqu'un prototype correspond vaguement au produit final. Le prototype peut être utilisé pour tester l'ajustement ou la fonction globale sans optimiser la conception pour le poids, la fabricabilité ou la finition. Le prototype peut également être utilisé pour tester la conception uniquement dans les domaines clés qui préoccupent le concepteur ou pour créer une version réduite du produit final. L'avantage des prototypes moins fidèles est qu'ils prennent généralement beaucoup moins de temps à imprimer.

Qu'est-ce que le prototypage haute fidélité ?

Nous nous référons à une fidélité plus élevée lorsqu'un prototype correspond étroitement au produit final, y compris la géométrie, la tolérance et les propriétés des matériaux. Les prototypes plus fidèles prennent généralement plus de temps à imprimer et ont des coûts associés plus élevés.

Quelle est la bonne fidélité pour votre prototype ?

Le niveau de fidélité approprié pour une itération de conception donnée dépend des objectifs généraux du projet, de la maturité de la conception et des intérêts du concepteur. Déterminer le niveau de fidélité approprié dans le prototypage rapide peut faire gagner du temps dans le processus de conception et également optimiser l'allocation des ressources.

Pour une seule itération, différents attributs de prototype tels que la géométrie, les propriétés des matériaux, l'aménagement et la finition peuvent être pris en compte à différents niveaux de fidélité. Ces considérations ont un impact sur la fidélité globale du prototype.

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Quels sont les processus de prototypage rapide les plus courants ?

Ce résumé de haut niveau présente les techniques courantes de fabrication additive généralement utilisées dans les processus de prototypage rapide.

Le prototypage rapide utilise généralement la fabrication additive pour créer des pièces de test, des modèles ou des assemblages. Cependant, selon les ressources disponibles et les besoins d'un concepteur, d'autres procédés de fabrication plus conventionnels tels que le fraisage, le meulage ou le moulage peuvent être utilisés.

Les processus de prototypage courants peuvent être divisés en cinq groupes :

• Photopolymérisation en cuve

• Fusion sur lit de poudre

• Extrusion de matière

• Jet

• Jet de liant

Plus d'informations pour chaque processus sont détaillées ci-dessous. Pour un aperçu de ces processus de prototypage rapide, apprenez-en plus sur les technologies de fabrication additive .

Photopolymérisation en cuve

Une pièce est créée une couche à la fois en utilisant la lumière pour convertir une résine photopolymère en un solide.

Pièces imprimées SLA sur la table

La stéréolithographie (SLA) peut produire des pièces avec une précision dimensionnelle très élevée et des détails complexes. Cependant, ils sont généralement fragiles et leurs propriétés mécaniques peuvent se dégrader avec le temps, rendant les pièces généralement inadaptées aux prototypes fonctionnels. Ce processus est le mieux adapté au prototypage rapide de la géométrie de conception et à la preuve de concept des interfaces de pièces. Il convient également aux détails lors des premières étapes de la conception et lorsque les propriétés mécaniques ne sont pas l'objectif principal de la conception.

Traitement de la lumière directe (DLP) est similaire à SLA, la principale différence étant le niveau de détail et les propriétés des matériaux. Les pièces produites à l'aide de DLP n'ont pas les mêmes détails complexes que SLA, mais ont une précision dimensionnelle et une résistance de pièce similaires considérées comme égales ou supérieures aux pièces moulées par injection traditionnelles. Le DLP est donc le mieux adapté au prototypage rapide de la géométrie de conception et à la preuve de concept lorsque la conception se concentre sur la géométrie globale plutôt que sur des détails spécifiques, ou lorsque les propriétés mécaniques sont une priorité.

DLP continu (CDLP) , comme avec DLP, produit des pièces qui n'ont pas le même niveau de détail que SLA, mais qui ont une précision dimensionnelle et une résistance de pièce similaires considérées comme égales ou supérieures aux pièces moulées par injection traditionnelles. Le CDLP est donc le mieux adapté au prototypage rapide de la géométrie de conception et à la preuve de concept lorsque la conception se concentre sur la géométrie globale plutôt que sur des détails spécifiques ou lorsque les propriétés mécaniques sont une priorité de conception.

Fusion sur lit de poudre

Les technologies de fusion sur lit de poudre (PBF) produisent une pièce solide à l'aide d'une source thermique qui induit la fusion, par frittage ou fusion, entre les particules d'une poudre plastique ou métallique, une couche à la fois. Les principales variations dans les processus PBF sont déterminées par les différentes sources d'énergie (par exemple, lasers ou faisceaux d'électrons) et les poudres (plastiques ou métaux).

Le frittage sélectif par laser (SLS) utilise des matériaux polymères thermoplastiques qui se présentent sous forme granulaire. Étant donné que les pièces SLS sont imprimées en utilisant de nombreuses couches, de petites variations peuvent se produire entre les pièces. Le SLS peut donc être moins efficace pour les prototypes avec des détails complexes ou de petites tolérances. Une finition de surface lisse est également possible d'obtenir lorsque le post-traitement est utilisé. SLS est le mieux adapté au prototypage rapide lorsque la géométrie de la pièce ou l'ajustement et la fonction globaux sont des priorités de conception. SLS peut également être avantageux pour le marketing ou les prototypes de preuve de concept si le post-traitement est faisable.

La fusion laser sélective (SLM) et le frittage laser direct de métal (DMLS) peuvent être utilisés pour une grande variété de matériaux métalliques et nécessitent généralement un post-traitement pour la finition de surface. Ces processus sont donc mieux adaptés au prototypage rapide lorsque les propriétés des matériaux sont une priorité de conception. Ils peuvent être rentables si la finition de la pièce n'est pas un problème.

Fusion par faisceau d'électrons (EBM) , comme SLM et DMLS, est le mieux adapté au prototypage rapide lorsque les propriétés des matériaux sont une priorité de conception et peut être rentable si la finition de la pièce n'est pas un problème. La principale différence est que l'EBM a des applications matérielles limitées (titane ou alliages chrome-cobalt), mais peut être l'option la plus appropriée pour les industries spécialisées qui ont besoin de ces matériaux, comme dans les secteurs de l'aviation et de la médecine.

Fusion multi-jets (MJF) est très similaire à SLS, mais avec des temps de refroidissement et de post-traitement plus courts et une plus grande précision et détails. Une comparaison approfondie des processus SLS et MJF peut être trouvée ici. Comme avec SLS, MJF est le mieux adapté au prototypage rapide lorsque la géométrie de la pièce ou l'ajustement et la fonction globaux sont une priorité de conception et peut également être utilisé pour prendre en charge un niveau de détails plus élevé ou des tolérances plus strictes que SLS.

La modélisation par dépôt de fil fondu (FDM) est un processus très polyvalent pour une large gamme de matériaux thermoplastiques avec un délai de production court. Un inconvénient est que la précision dimensionnelle et la résolution du FDM sont inférieures à celles des autres procédés de fabrication additive. Le FDM convient mieux au début de la phase de prototypage, lorsque la géométrie de la pièce ou l'ajustement et la fonction généraux sont une priorité de conception. Il convient également mieux lorsque le matériau de la pièce finale est similaire à celui du prototype, mais qu'il n'y a pas de souci pour les détails tels que les tests fonctionnels ou de fiabilité.

Le jet de matière est considéré comme l'une des technologies d'impression 3D les plus précises et peut être utilisé avec un large éventail de matériaux de différentes couleurs et finitions. Cependant, les propriétés des matériaux ne sont pas adaptées aux prototypes fonctionnels. Le jet de matière est mieux utilisé pour le prototypage rapide lorsque la géométrie ou l'ajustement de la pièce est une priorité de conception et que la résistance de la pièce n'est pas requise. Il est également mieux adapté lorsqu'il n'y a pas de souci concernant les propriétés des matériaux, comme la preuve de concept ou les prototypes marketing.

Jet de nanoparticules (NJP) dépose un liquide contenant des nanoparticules métalliques ou des nanoparticules de support sur le plateau de construction en couches extrêmement fines de gouttelettes. L'enveloppe de construction est exposée à des températures élevées, ce qui provoque l'évaporation du liquide et laisse derrière lui la structure de la pièce métallique.

Dépôt à la demande (DOD) Les imprimantes à jet de matériau ont deux jets d'impression :un pour déposer les matériaux de construction (généralement un liquide semblable à de la cire) et un autre pour le matériau de support soluble. Les imprimantes DOD déposent le matériau dans un chemin ponctuel et utilisent un coupe-mouche qui coupe la zone de construction après chaque couche pour préparer la surface pour la couche suivante.

Jet de liant

Les pièces fabriquées par jet de liant ont une finition et une forme élevées, bien qu'elles soient cassantes. Le jet de liant est le mieux adapté au prototypage rapide lorsque l'ajustement global ou la géométrie de la pièce sont une priorité de conception et qu'il n'y a aucune préoccupation concernant les propriétés des matériaux, telles que la preuve de concept ou les prototypes marketing.

Quels sont les avantages et les inconvénients du prototypage rapide ?

Par rapport aux techniques de fabrication et de conception traditionnelles, le prototypage rapide utilise des techniques de fabrication modernes qui améliorent le processus de conception, notamment en termes de coût et de temps. Mais lorsque vous envisagez un prototypage rapide, évitez les pièges de la surutilisation, de la mauvaise utilisation et des fausses déclarations.

Voici un aperçu des avantages et des inconvénients.

Avantages du prototypage rapide

• Visualisation et tests 3D antérieurs

• Plus d'itérations de conception à moindre coût

• Outil rentable pour la conception de produits et la recherche et le développement

Inconvénients du prototypage rapide

• Une utilisation excessive peut ne pas avoir d'impact positif sur les économies de temps ou d'argent

• Pas bénéfique à toutes les étapes du processus de prototypage

Quelles sont les applications commerciales du prototypage rapide ?

Les applications du prototypage rapide pour la conception et la fabrication 3D ne sont limitées que par la créativité d'un concepteur. Ils peuvent être utilisés à toutes les étapes du processus de conception et de fabrication. Les cas d'utilisation les plus populaires sont indiqués ci-dessous.

Preuve de concept

Une application courante est la preuve de concept. Les prototypes 3D peuvent être produits rapidement et plus tôt dans le processus de conception pour évaluer la viabilité du produit, faciliter les discussions de l'équipe de conception, susciter l'intérêt des principales parties prenantes (par exemple, les parties marketing et d'investissement) et comparer différentes alternatives de conception. Le principal avantage des processus de prototypage rapide pour les applications de preuve de concept est l'amélioration du coût et du temps pour les prototypes 3D.

Optimisation de la conception

Le prototypage rapide est également un moyen rentable d'accélérer l'optimisation, y compris la conception de produits et la recherche et le développement. Une équipe de conception peut évaluer la fonctionnalité globale du produit ou se concentrer sur les attributs clés (par exemple, la géométrie, l'ajustement, les propriétés des matériaux, la fabricabilité) plus tôt dans le processus de conception sans encourir les coûts associés aux processus de fabrication traditionnels.

Prototypes haute fidélité

En raison de la polyvalence des processus et des matériaux de fabrication additive, le prototypage rapide peut être utilisé pour créer des prototypes haute fidélité qui correspondent étroitement au produit final. Cela permet souvent aux concepteurs de démontrer la fonctionnalité du produit ou d'effectuer des tests de fiabilité à moindre coût ou plus rapidement que les processus de fabrication traditionnels.

Vous voulez prototyper comme un pro ? Regardez cette vidéo sur l'impression 3D FDM.