Prototypage métallique rapide : Accélérer le développement produit et le lancement marché

Des produits de qualité progressent — de la conception, à la production, au marché — plus vite que jamais

Lancer un nouveau produit implique un processus complexe de conception, étude de marché, et fabrication. Le prototypage rapide est une partie de ce processus où des pièces composants sont faites pour développer un modèle fonctionnel — testant fonctionnalité et limites. Ces prototypes peuvent être faits du même matériau que le produit final, ou d'un matériau alternatif pour le test.

Quelques méthodes de prototypage métallique :

• Impression 3D
• Moulage en sable (modèle bois)
• Moulage à la cire perdue (modèle cire)
• Fabrication directe depuis barre métallique
• Usinage direct depuis barre métallique

Méthodes et applications de prototypage rapide

Chaque méthode a ses avantages, inconvénients, et facteurs la rendant plus adaptée à certains projets.

Impression 3D

L'impression 3D, aussi appelée fabrication additive — processus d'impression couche par couche jusqu'à construction d'un composant 3D. Chaque couche ~100 microns. L'imprimante est contrôlée par système informatisé, prenant un design 3D en entrée et créant le produit 3D en sortie.

La technologie a évolué, et une grande variété de matériaux sont disponibles. Plastiques, nylons, résines, argent, titane, acier, cire, photopolymères, polycarbonates peuvent tous être utilisés.

Trois principaux types d'imprimantes 3D :

• Frittage laser sélectif (SLS) : matériau en poudre. Chaque couche créée en fondant la poudre par laser. Poudre fraîche roulée sur la partie partiellement terminée, processus recommencé jusqu'à achèvement.
• Dépôt de fil fondu (FDM) : filament thermoplastique fondu pour extrusion. Extrusion contrôlée précisément par ordinateur selon design 3D, imprimant chaque couche en succession.
• Stéréolithographie : utilise aussi un laser, mais ici un produit liquide est solidifié couche par couche par l'action du laser — contrôlé pour correspondre au design.

L'impression 3D est populaire pour le prototypage rapide car le processus est très efficient en ressources. Pas d'outillage de lignes de production requis, main-d'œuvre minimale, très peu de déchets. Inconvénient : peut être chronophage — heures, parfois jours pour pièces complexes. Taille limitée par zone d'impression. De plus, peut ne pas être possible de produire la pièce dans le matériau désiré du fait du point de fusion très haut de certains métaux.

Moulage en sable

En fonderie, les modèles font le moule pour couler la pièce. Un modèle prototype est fait de la façon la plus simple et rentable, pour tester et ajuster si nécessaire. Pour cela, le modèle est souvent utilisé pour faire un moule en sable, le plus rapide et bon marché à produire. De bout en bout, un prototype peut être fait en 2 à 4 semaines avec un modèle en bois libre.

Un modèle en bois libre est fait en bois par un modeleur utilisant tournage, outillage, fabrication de matrices, et menuiserie fine. Le modèle est fabriqué selon le design prototype avec tolérances pour le retrait au refroidissement. Là où le design requiert des parties avec contre-dépouille, ces parties sont faites comme pièces libres du modèle maintenues par goupilles.

Le sable de moulage est spécialement constitué avec le bon mélange pour avoir les caractéristiques nécessaires au moulage métallique. Il doit tenir sa forme, ne pas relâcher trop d'humidité, et donner une bonne finition. Le sable est tassé autour du modèle en bois libre pour former un moule, utilisable pour le prototype métallique.

La coulée d'un prototype métallique est un processus fonderie standard : métal fondu, composition contrôlée, métal en fusion versé dans le moule. Une fois refroidi, le moule est brisé et le prototype métallique prêt pour finition.

Le moulage métallique de prototype rapide avec modèle en bois libre est populaire pour son faible coût de production, et la facilité relative d'ajuster le modèle et recouler si nécessaire. Il est aussi possible de faire le prototype dans le même matériau que le produit final, éliminant des étapes de développement ultérieures. Les fabricants trouvent souvent que le processus de développement du prototype devient la méthode de production finale avec modifications mineures.

Moulage à la cire perdue

Le moulage à la cire perdue est aussi un processus fonderie, mais utilise une technique différente pour le modèle créant le moule. Première étape : création d'un modèle en cire correspondant au design du prototype. Historiquement, modèles en cire faits par machines d'injection ou presses à cire, mais nouveaux matériaux et développement de l'impression 3D ont créé l'opportunité de faire les modèles d'investissement plus facilement et rapidement.

Une fois le modèle fait, il est enveloppé dans un matériau céramique qui prend la forme du modèle en durcissant. Le moule est chauffé jusqu'à ce que la cire fonde et s'écoule du moule de coulée — d'où son nom alternatif, moulage à cire perdue. Processus de coulée standard suivent, où le métal en fusion est versé dans le moule. Quand le métal a refroidi et solidifié, la coque céramique est brisée, laissant le prototype métallique prêt pour finition.

Les avantages de cette méthode sont similaires au modèle en bois libre — avec en plus des tolérances et finitions plus fines.

Fabrication de prototypes métalliques

Les matériaux métalliques en stock incluent tôles, barres, tubes, profilés, fils. N'importe lequel peut être utilisé comme matière première pour fabriquer un prototype métallique comme étape secondaire en aval, plutôt que par fabrication primaire comme coulée ou impression 3D.

Pour la fabrication de prototype en tôle, de nombreux processus peuvent être employés. Par exemple, le modèle physique pourrait être aplati et posé sur tôle comme gabarit, puis lasers ou chalumeaux utilisés pour couper contours, ouvertures, et marquer plis. Presses pour plier aux limites marquées, et équipement de soudage spécialisé pour assembler les parties.

Les tubes peuvent être utilisés pour le prototypage en les traitant par opérations diverses pour créer une pièce prototype correspondant au design :

• Évasement - élargir l'ouverture au bout d'un tube en entonnoir
• Égrenage / Réduction (Swaging) - réduire ou augmenter le diamètre du tube
• Bosselage (Dimpling) - petites déformations sur la surface
• Cintrage (Bending) - créer formes par insertion de plis à points définis
• Aplatissage (Flattening) - comprimer le tube par presse
• Perçage (Piercing) - créer des trous dans le matériau
• Expansion - utiliser chaleur et outils pour ouvrir le diamètre

L'avantage principal de la fabrication d'un prototype métallique depuis matériaux en stock est l'efficacité temporelle. Pas de modèles ou moules nécessaires, matières premières disponibles sur étagère. Inconvénient : certains designs prototypes trop complexes pour processus standards, ne peuvent être faits ainsi.

Usinage de prototypes métalliques

L'usinage est tout processus où une pièce de matière première est coupée en forme et taille finales désirées par un processus de retrait de matière contrôlé — aussi appelé fabrication soustractive. Peut fabriquer divers produits métalliques, ainsi que bois, plastique, céramique, composites. En production moderne, l'usinage est piloté par commande numérique (CNC).

Le CNC est le contrôle informatisé d'équipements d'usinage pour faire une pièce selon un design 3D. Équipements : tours, fraiseuses, routeurs, perceuses, rectifieuses. Matières premières : produits métalliques en stock comme plaques et barres d'acier.

Un design 3D est converti en programme informatique, utilisé par le système de contrôle pour diriger les machines. La matière première doit être plus grande que le prototype car c'est par enlèvement de matière que le prototype est fabriqué. Machines CNC avancées contrôlent opérations sur 3 axes (x, y, z) et peuvent retourner la pièce et changer d'outils automatiquement, résultant en finition de haute qualité et précision.

L'avantage des machines CNC sur autres techniques de fabrication est l'action automatisée basée sur un design 3D. L'intervention humaine est limitée et le prototype correspond au design avec haute précision. Prototypes plus complexes possibles qu'avec opérations manuelles. Inconvénient : la pièce est faite par enlèvement de matière, générant des déchets. Bien que recyclables, il y a des implications de coûts et pertes.

Études de cas sur le prototypage rapide

Industrie automobile

Les développements en impression 3D ont un impact dramatique sur la capacité des ingénieurs à tester leurs idées et lancer produits rapidement. Un article automobile souligne que tester l'aérodynamique de certaines pièces est critique pour mesurer leur impact sur la performance. À mesure que les résultats sont obtenus, ajustements mineurs au design, et nouveau prototype réimprimé très vite. Pour tests aérodynamiques, pas essentiel que la pièce soit dans le matériau final car c'est la forme testée, pas la résistance. L'impression 3D aide les ingénieurs auto à accélérer développement et améliorer efficacité.

Différentes applications conviennent à différentes méthodes. Dans un exemple, un concepteur l'a découvert en fabriquant un anneau assemblé en 2 parties avec espace pour carte micro SD à l'intérieur. Premiers prototypes par frittage laser direct métal (DMLS), mais finition de surface médiocre et assemblage pauvre ont mené à l'investigation de l'usinage CNC avec électro-érosion. La performance améliorée a mis en évidence les avantages du CNC pour cette application spécifique.

Industrie haute technologie

Réduire les coûts de développement est un impératif économique pour beaucoup d'entreprises haute tech lançant nouvelles créations. Quand Icon Aircraft a lancé le projet pour leur avion récréatif A5, ils ont investi temps et énergie à trouver la façon la plus rentable et efficace de construire leurs composants pour prototypage et production de masse. Une étude indique qu'Icon Aircraft a gagné 2 à 3 semaines sur le planning, 2000 $, et 2 jours-personne par pièce de conduit d'air en réduisant le besoin d'outillage spécialisé.

Industrie aéronautique

Le prix de la American Foundry Society pour la coulée de l'année 2017 a été décerné à une entreprise ayant développé une nouvelle coulée pour châssis de siège passager avion. Historiquement, ce composant structurel était fait d'un seul lingot, mais un processus de conception et ingénierie détaillé a abouti à une structure en treillis en magnésium — matériau plus léger que l'aluminium, mais ne pouvant être imprimé en 3D. Le prototype de coulée a donné un produit avec la résistance requise mais bien plus léger que les pièces usinées existantes. Économies de 100k$/an par avion passager calculées sur réduction coûts carburant grâce aux sièges plus légers, et réductions d'émissions associées.

Prototypage rapide et la route à venir

Un nombre croissant de méthodes de fabrication de prototypes rapides sont disponibles pour innovateurs et ingénieurs. Chaque méthode a ses avantages et inconvénients. Les procédés de coulée conviennent aux applications où le prototype doit être dans le même matériau que le produit fini, surtout pour métaux à haut point de fusion. L'impression 3D convient aux composants plus petits en matériaux imprimables — technologie en développement continu. L'usinage peut couper le métal d'un produit en stock où la complexité n'est pas trop sévère et processus standards (fraise, rectifieuse) peuvent encore être utilisés.

Sir James Dyson, inventeur, entrepreneur, ingénieur iconique, célèbre pour son système cyclonique remplaçant les aspirateurs à sac. Dans une interview fascinante à la BBC, Dyson a révélé que son invention a pris 5 ans à perfectionner et un total de 5 127 modifications différentes. Il croit fermement à la devise : « Si au premier essai vous ne réussissez pas, essayez, essayez encore ! » L'histoire de Dyson souligne la réalité que développeurs et ingénieurs ont besoin de multiples itérations pour lancer de nouveaux produits. Les améliorations au prototypage rapide continueront de réduire inefficacités et coûts au bénéfice des innovateurs et consommateurs.

Références

• 3ders. "3D Printing Basics"
• Marlin Steel. "3D Printing versus Traditional Manufacturing"
• Mechanical Inventions. "Types of Patterns"
• Mechanical Engineering. "Molding Patterns / Sand Casting Patterns / Patterns and Molds"
• miBot. "Making Sand Molds and Patterns"
• The Library of Manufacturing. "Investment Casting"
• Foundry Management and Technology. "Making Investment Casting a Better Investment"
• Thomas Net. "More about CNC Machining"
• Rapid Sheet Metal. "Rapid Prototype Fabrication"
• Creative Mechanisms. "Everything you need to know about CNC machines"
• Wikipedia. "Machining"