Foundry Trend Spotting :Prototypage rapide avec impression 3D

Comment les fonderies utilisent les imprimantes 3D pour la conception rapide de produits

Le développement de produits est un processus passionnant de découverte. Investir dans de nouveaux produits démontre l'engagement d'une entreprise envers les besoins de ses clients. La recherche et le développement peuvent prendre beaucoup de temps, des itérations de construction et d'ajustement de modèles et de prototypes. Il faut du temps pour apprendre ce qui fonctionne et ce qui ne fonctionne pas. L'impression 3D est un outil très utile pour accélérer la conception de nombreux produits manufacturés, y compris les produits métalliques.

Pourquoi prototyper ?

Le prototypage est une étape essentielle dans la fabrication d'un produit, comblant l'écart important entre la conception théorique et le produit de travail final. Il donne aux concepteurs de produits la possibilité de travailler avec des modèles du monde réel et d'en tirer des enseignements. Cela leur permet de tester et d'essayer de nouvelles idées, dans le but d'améliorer et d'affiner le produit final.

Lors de la conception d'un nouveau produit, la forme et la fonction peuvent être testées à différentes étapes. Certains prototypes sont produits uniquement pour examiner la taille et l'apparence. D'autres peuvent être conçus pour tester des caractéristiques spécifiques de fonctionnement et d'ajustement.

Ce que vous devez savoir sur le prototypage rapide

Il existe plusieurs prototypes standards. Traditionnellement, les prototypes les plus élémentaires sont des maquettes de papier, de bois ou de mousse créées par des artisans à partir de dessins ou de conceptions numériques. D'autres étapes de prototypage peuvent être réalisées, de complexité continue, au cours du processus de conception. Avant le lancement d'un cycle de production, les usines effectuent un test, créant un prototype de production pour évaluer la qualité du produit et évaluer le processus en usine.

Les prototypes rapides améliorent l'utilité et l'efficacité de bon nombre des premières étapes de prototypage. Étant donné que les artisans ont traditionnellement réalisé des maquettes et que les prototypes de production ont généralement nécessité un outillage personnalisé, le prototypage a généralement été lent et coûteux. Pouvoir imprimer et ajuster des prototypes à la volée peut raccourcir considérablement ces étapes de conception itératives. Dans certains cas, un prototype en plastique peut être utilisé pour aider à rationaliser le processus de production. Les méthodes de coulée en particulier nécessitent souvent l'utilisation d'un modèle et/ou d'une matrice, ce qui peut être coûteux - et justifiable uniquement lorsqu'une production à grande échelle générera des retours sur investissement - et la création de maquettes de modèles sur une imprimante 3D peut permettre à un concepteur de résolvez les problèmes avant de passer au bois ou au métal à plus grande échelle.

Bien sûr, ces prototypes ne sont pas des prototypes de production. La substitution du plastique au métal pendant cette période signifie que certaines propriétés du métal ne peuvent pas être vérifiées. Imprimer une borne en plastique à taille réelle sur une imprimante 3D est également, à l'unité, beaucoup plus cher que d'en couler une. Cependant, l'impression de modèles à l'échelle donne aux concepteurs quelque chose qu'ils peuvent examiner et manipuler, et tout changement qui en découle ne nécessite rien de plus qu'un ajustement du fichier CAO numérique et une réimpression rapide.

De nombreux prototypes sont également produits à plus petite échelle et/ou avec moins de détails que le produit final. Bien qu'ils ne représentent qu'une partie ou un aspect de la conception finale, ils peuvent néanmoins être utiles pour prendre des décisions au début de la phase de conception, plutôt que plus tard, lorsque cela devient plus coûteux à affiner.

Prototypage rapide avec des imprimantes 3D

Le prototypage rapide par impression 3D utilise des technologies de fabrication additive. Les conceptions numériques, ou modèles CAO, sont généralement « découpées » par l'algorithme informatique en plusieurs couches horizontales minuscules, qui sont ensuite imprimées une par une.

L'impression 3D existe sous diverses formes depuis les années 70 et 80, mais ce n'est que récemment qu'elle a évolué pour être utile à l'échelle commerciale. Bien qu'il y ait des limites, la technologie évolue rapidement. Les imprimantes 3D les plus avancées peuvent imprimer plusieurs matériaux avec des propriétés et des couleurs variées. Les imprimantes à frittage laser direct de métal (DMLS) peuvent même imprimer des produits métalliques.

Les contraintes de taille et la qualité de surface des prototypes imprimés en 3D se sont également considérablement améliorées au fil des ans, ce qui les rend particulièrement utiles pour les concepteurs lorsqu'ils parcourent les phases de développement initiales.

Créer des pièces métalliques avec l'impression 3D

Les imprimantes DMLS défieront-elles les industries de la coulée ou du travail des métaux ? L'industrie 3D est dynamique, avec de nouveaux développements annoncés presque tous les jours. Des projets à grande échelle, comme le pont imprimé en 3D par MX3D à Amsterdam, montrent qu'il y a beaucoup de potentiel même dans la fabrication structurelle. Pourtant, cette forme d'impression n'est pas en concurrence avec la fabrication métallique traditionnelle. Même avec ces développements, l'impression 3D est plus susceptible d'améliorer plutôt que de remplacer la fabrication métallique traditionnelle à grande échelle au cours des prochaines décennies. Même le pont d'Amsterdam est sécurisé avec de l'acier brut traditionnel fournissant un support sur le tablier.

L'impression 3D sur métal ne consiste généralement pas à couler et à superposer des métaux en fusion, bien sûr. Les technologies d'aujourd'hui impriment du métal en incorporant une poudre métallique dans une matrice non métallique qui est chauffée et mise en forme. Dans certains processus (mais pas pour le pont ci-dessus), le métal est ensuite chauffé afin que la matrice s'évapore.

Ce métal imprimé peut fournir plus de résistance que le plastique mais ne peut pas offrir la large gamme d'alliages possibles disponibles dans une fonderie traditionnelle. La chaleur incroyablement élevée et les conditions de refroidissement contrôlées nécessaires pour de nombreuses nuances spécifiques d'acier et de fer signifient que travailler pour obtenir une nuance par rapport à une autre est un équilibre délicat entre température et pression. De plus, une déformation du métal peut être causée si une partie d'un moulage refroidit plus rapidement qu'une autre et doit être contrôlée sur le site d'un joint. L'impression 3D construit un objet en déposant des couches dans l'ordre :même si cela était possible avec l'acier traditionnel quasi fondu requis pour certains alliages ferreux, les contraintes causées par différents niveaux de refroidissement modifieraient fondamentalement les propriétés du métal par rapport à un métal entièrement coulé. morceau.

Même encore, le matériau imprimé par les imprimantes métalliques est plus proche de l'acier que du plastique. Ce qui est passionnant pour la fonderie, c'est que cette technologie d'impression sur métal permettra un jour de tester le fonctionnement d'un prototype rapide. Peut-être qu'une pièce métallique pourrait être imprimée à moindre coût et soumise à une contrainte relative, puis modifiée tout au long du processus de production.

Prototypage rapide pour la fonderie, aujourd'hui

L'équipement et les techniques de moulage ont été améliorés au cours de siècles d'apprentissage et de développement. Le moulage au sable donne aux fabricants un grand contrôle sur le comportement du métal à l'état fondu et au refroidissement, ce qui modifie les propriétés mécaniques du métal. Le métal traité différemment par le processus de coulée peut être cristallisé sous différentes formes, chacune pouvant être travaillée pour des propriétés supplémentaires. Cela représente la gamme de propriétés mécaniques disponibles pour un client grâce à la coulée de métal.

Pourtant, la fabrication des motifs de ces moulages a nécessité une sculpture manuelle laborieuse de motifs en bois à former dans le sable. Ces motifs doivent être créés sans endroits où le métal pourrait «s'accumuler» et donc refroidir plus lentement, créant une contrainte interne sur la pièce. Ils doivent être suffisamment lisses pour sortir du sable qu'ils impriment. La création d'un objet imprimé peut permettre au concepteur et à la fonderie d'envisager des modifications de l'objet qui aideront à créer le motif le plus efficace et le mieux façonné pour le projet.

Le moulage de précision est un procédé polyvalent idéal pour la production à grand volume, en particulier pour les conceptions complexes et lorsque la qualité de la surface est importante. Avec le moulage de précision, une matrice est généralement fabriquée pour produire des modèles de cire, qui sont ensuite enduits pour former des moules en céramique. Les motifs en cire sont facilement fondus, laissant les cavités du moule prêtes pour le métal en fusion.

Cependant, les matrices peuvent être coûteuses à produire, ce qui peut augmenter considérablement les coûts unitaires au début de la phase de conception. Ce que de nombreux fabricants font, c'est imprimer en 3D des modèles de cire pour les prototypes, éliminant ainsi le besoin de matrices personnalisées. Les concepteurs peuvent revoir leur pièce et travailler vers une version finale avant de s'engager dans des outils plus coûteux pour une production à long terme. L'impression de motifs est également plus économique pour les petits tirages et les productions uniques. Dans le moulage de précision, les imprimantes 3D peuvent donc créer le modèle final à utiliser.

Une révolution du prototypage rapide

L'impression 3D est une révolution dans le moulage des métaux, même si elle ne remplace pas la fabrication traditionnelle du métal. Les secteurs traditionnels ne sont limités que par leur imagination lorsqu'ils envisagent comment l'avenir de cette technologie en développement rapide peut améliorer les pratiques de production traditionnelles. Les économies disponibles dans le prototypage permettent plus d'ajustements et de modifications, des itérations supplémentaires avant de passer à la production à grande échelle. Quelle que soit l'avenir de l'impression 3D, ce sera certainement un outil utile pour tous les designers qui cherchent à créer les meilleurs produits pour leur clientèle.