Rendez-vous accrocheur :Prototypage rapide pour la métallurgie

Les produits de qualité progressent (de la conception à la production, en passant par le marché) plus rapidement que jamais

L'introduction d'un nouveau produit sur le marché implique un processus complexe de conception, d'étude de marché et de fabrication. Le prototypage rapide est une partie de ce processus où les composants sont fabriqués afin de développer un modèle de travail du produit, en testant ses fonctionnalités et ses limites. Ces prototypes peuvent être fabriqués à partir du même matériau que celui du produit final, ou un autre matériau peut être utilisé pour les besoins du cas de test.

Certaines méthodes de prototypage de métal incluent :

• Impression 3D
• Moulage au sable (motif en bois)
• Moulage de précision (motif en cire)
• Fabriquer la pièce directement à partir d'un stock de métal
• Usinage de la pièce directement à partir d'un stock de métal

Méthodes et applications de prototypage rapide

Chaque méthode de prototypage a ses avantages et ses inconvénients, ainsi que des facteurs qui la rendent la mieux adaptée à certains projets.

Impression 3D

L'impression 3D est un processus relativement nouveau également connu sous le nom de fabrication additive - le processus d'impression d'une couche de produit à la fois jusqu'à ce qu'un composant 3D soit constitué par les nombreuses couches. Chaque couche peut avoir une épaisseur d'environ 100 microns. L'imprimante est contrôlée par un système informatisé, qui prend une conception 3D en entrée et crée le produit 3D en sortie.

La technologie a évolué au fil du temps et une grande variété de matériaux est devenue disponible pour l'impression. Les plastiques, les nylons, les résines, l'argent, le titane, l'acier, la cire, les photopolymères et les polycarbonates peuvent tous être utilisés comme matériau d'impression 3D.

Il existe trois principaux types de machines d'impression 3D :

• Frittage laser sélectif (SLS) utilise du matériel d'impression fourni sous forme de poudre. Chaque couche de la pièce est créée par fusion de la poudre à l'aide d'un laser. De la poudre fraîche est roulée sur le dessus de la pièce partiellement terminée et le processus est recommencé jusqu'à ce que la pièce entière soit construite.
• Modélisation des dépôts en fusion (FDM) utilise un filament thermoplastique et le fait fondre pour l'extrusion. L'extrusion est contrôlée avec précision par l'ordinateur conformément à la conception 3D, en imprimant chaque couche successivement.
• Stéréolithographie utilise également un laser, mais dans ce cas, un produit liquide est solidifié une couche à la fois par l'action du laser. Il est contrôlé pour correspondre à la conception.

L'impression 3D est populaire pour le prototypage rapide car le processus est très économe en ressources. Aucun outillage des lignes de production n'est requis, les besoins en main-d'œuvre sont minimes et très peu de déchets sont générés. L'inconvénient de l'impression 3D est qu'elle peut prendre du temps - prendre des heures, voire des jours, pour construire des pièces complexes. La taille de la pièce est limitée par la zone d'impression de la machine. De plus, il peut ne pas être possible de produire la pièce dans le matériau souhaité en raison du point de fusion très élevé de certains métaux.

Moulage au sable

Dans les fonderies de métaux, les patrons sont utilisés pour fabriquer le moule qui servira à couler la pièce métallique. Un modèle prototype est réalisé de la manière la plus simple et la plus économique, afin que la pièce puisse être testée et ajustée si nécessaire. Pour cette raison, le modèle est souvent utilisé pour fabriquer un moule en sable car c'est le moule le moins cher et le plus rapide à produire. Du début à la fin, un prototype peut être réalisé en 2 à 4 semaines en utilisant un patron en bois lâche.

Un modèle en bois lâche est fabriqué à partir de bois par un modéliste utilisant des techniques telles que le tournage, l'outillage, la fabrication de matrices et le travail du bois fin. Le modèle est fabriqué conformément à la conception du prototype avec certaines tolérances intégrées pour le retrait, qui se produit lorsque le métal refroidit. Lorsque la conception du prototype nécessite des pièces avec backdraft, ces pièces sont fabriquées sous forme de pièces détachées du modèle maintenues en place par des broches.

Le sable de moulage est spécialement constitué avec le bon mélange de composants afin qu'il ait les caractéristiques nécessaires à la coulée des métaux. Il doit conserver sa forme, ne pas dégager trop d'humidité et donner une finition de bonne qualité. Le sable est tassé autour du modèle en bois lâche pour former un moule, qui peut ensuite être utilisé pour fabriquer le prototype en métal.

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

La coulée de métal d'un prototype rapide avec un motif en bois lâche est populaire en raison du faible coût de production et de la relative facilité d'ajustement du motif et de la refonte si nécessaire. Il est également possible de fabriquer le prototype à partir du même matériau que le produit final, éliminant ainsi d'autres étapes de développement en aval. Les fabricants constatent souvent que le processus de développement d'un prototype devient souvent la méthode de production finale avec des modifications mineures.

Casting d'investissement

Le moulage de précision est également un processus de fonderie de métaux, mais utilise une technique différente pour créer le modèle de création du moule. La première étape est la création d'un modèle en cire qui correspond à la conception du prototype. Historiquement, les modèles en cire ont été réalisés avec des machines de moulage par injection ou des presses à cire, mais de nouveaux matériaux et le développement de l'impression 3D ont créé une opportunité pour que les modèles de moulage de précision soient réalisés plus facilement et plus rapidement.

Une fois le motif réalisé, celui-ci est gainé d'une matière céramique qui prend la forme du motif au fur et à mesure de sa prise. Le moule est ensuite chauffé jusqu'à ce que la cire fonde et s'écoule du moule de coulée, d'où son nom alternatif, coulée à la cire perdue. Les processus de coulée de fonderie standard suivent, où le métal en fusion est versé dans la fonte. Lorsque le métal a refroidi et solidifié, le moulage en céramique est cassé, laissant le prototype métallique prêt pour la finition.

Les avantages de cette méthode de prototypage rapide sont similaires à ceux du modèle en bois libre, avec l'avantage supplémentaire de tolérances et de finitions plus fines.

Fabriquer des prototypes métalliques

Les matériaux métalliques courants comprennent les tôles, les tiges, les tubes, les barres et les fils. N'importe lequel d'entre eux peut être utilisé comme matière première pour fabriquer un prototype métallique en tant qu'étape secondaire en aval, plutôt que par le biais de la fabrication primaire comme le moulage ou l'impression 3D.

Pour la fabrication de prototypes de tôlerie, de nombreux processus différents peuvent être utilisés pour fabriquer un prototype. Par exemple, le modèle physique pourrait être aplati et disposé sur une tôle pour l'utiliser comme gabarit, puis des lasers ou des torches pourraient être utilisés pour découper les contours et les ouvertures, et pour marquer les virages. Des presses peuvent être utilisées pour plier le métal aux limites marquées, et un équipement de soudage spécialisé peut être utilisé pour assembler des pièces.

Les tubes peuvent être utilisés pour le prototypage en les traitant par un certain nombre d'opérations diverses pour créer une pièce prototype qui correspond à la conception :

• L'évasement - élargir l'ouverture à l'extrémité d'un tube en forme d'entonnoir
• Estampage - réduire ou augmenter le diamètre du tube
• Bossures - petites déformations sur la surface métallique
• Pliage - créer des formes en insérant des coudes à des points définis dans le tube
• Aplatir - à l'aide d'une presse pour comprimer le tube
• Perçage - créer des trous dans le matériau
• Développement - en utilisant la chaleur et des outils pour ouvrir le diamètre du tube

Le principal avantage de la fabrication d'un prototype métallique à partir de matériaux de stock est le gain de temps. Les modèles ou les moules ne sont pas nécessaires et les matières premières sont disponibles sur étagère. L'inconvénient est que certaines conceptions de prototypes seront trop complexes pour les processus de fabrication standard et ne pourront donc pas être réalisées avec cette technique.

Usinage de prototypes métalliques

L'usinage est tout processus dans lequel une pièce de matière première est découpée dans une forme et une taille finales souhaitées par un processus d'enlèvement de matière contrôlé, également appelé fabrication soustractive. Il peut être utilisé pour fabriquer divers produits métalliques, ainsi que des matériaux tels que le bois, le plastique, la céramique et les composites. Dans la production moderne, l'usinage est effectué par commande numérique par ordinateur (CNC).

La CNC est le contrôle informatisé d'un équipement d'usinage pour fabriquer une pièce selon une conception 3D. Les équipements d'usinage comprennent les tours, les fraiseuses, les défonceuses, les perceuses et les meuleuses. La matière première des machines CNC est constituée de produits métalliques en stock, tels que des plaques et des barres d'acier.

Une conception 3D est convertie en un programme informatique, qui est ensuite utilisé par le système de contrôle pour diriger les machines. La matière première choisie doit être plus grosse que le prototype en cours de fabrication car c'est par enlèvement de métal par usinage que le prototype est fabriqué. Les machines CNC avancées contrôlent les opérations sur les 3 axes (x, y et z) et peuvent retourner la pièce et changer d'outil d'usinage automatiquement, ce qui se traduit par une finition de haute qualité et un niveau de précision.

L'avantage des machines CNC par rapport aux autres techniques de fabrication est l'action automatisée basée sur une conception 3D. L'intervention humaine est limitée et le prototype fabriqué correspond à la conception avec une grande précision. Des prototypes plus complexes peuvent être fabriqués à l'aide de machines CNC que par des opérations manuelles. Un inconvénient de l'usinage de pièces est que la pièce est fabriquée en enlevant du métal de la matière première, ce qui entraîne des déchets. Bien que les déchets puissent être recyclés, il y a des implications financières et des pertes qui se produiront.

Études de cas sur le prototypage rapide

Industrie automobile

Les recherches montrent que les développements de l'impression 3D ont un impact considérable sur la capacité des ingénieurs à tester leurs idées et à mettre rapidement des produits sur le marché. Un article automobile souligne le fait que tester l'aérodynamisme de certaines pièces automobiles est essentiel pour mesurer leur impact sur les performances de la voiture. Au fur et à mesure que les résultats des tests sont obtenus, des ajustements mineurs peuvent être apportés à la conception et un nouveau prototype est réimprimé très rapidement. Pour les essais aérodynamiques, il n'est pas indispensable que la pièce soit fabriquée à partir du matériau final car c'est la forme qui est testée, pas la résistance. L'impression 3D aide les ingénieurs automobiles à accélérer leur développement et à améliorer leur efficacité.

Différentes applications sont adaptées à différentes méthodes de fabrication. Dans un exemple, un concepteur l'a découvert lors de la fabrication d'un ensemble d'anneaux en 2 parties avec un espace pour une carte micro SD dans l'espace interne. Les premiers prototypes ont été fabriqués par frittage laser direct de métal (DMLS), mais une finition de surface de qualité inférieure et un assemblage médiocre ont conduit à une enquête sur l'utilisation d'une machine CNC avec usinage par décharge électrostatique. L'amélioration des performances du prototype a mis en évidence les avantages de la CNC dans cette application spécifique.

Industrie de haute technologie

La réduction des coûts de développement est un impératif économique pour de nombreuses entreprises de haute technologie alors qu'elles commercialisent leurs nouvelles créations. Lorsque Icon Aircraft a lancé le projet de leur avion de loisirs A5, ils ont investi beaucoup de temps et d'énergie pour trouver le moyen le plus rentable et le plus efficace de construire leurs composants pour le prototypage et la production de masse. Une étude de cas indique qu'Icon Aircraft a gagné 2 à 3 semaines sur le calendrier de production, 2 000 $ et deux jours-personnes par pièce de conduit d'air en réduisant le besoin d'outillage spécialisé.

Industrie aéronautique

Le prix de l'American Foundry Society pour le moulage de l'année 2017 a été décerné à une entreprise qui a développé un nouveau moulage pour un cadre de siège de passager d'avion. Historiquement, ce composant structurel était fabriqué à partir d'une seule billette, mais un processus de conception et d'ingénierie détaillées a abouti à une structure en treillis en magnésium, un matériau plus léger que l'aluminium, mais qui ne peut pas être imprimé en 3D. Le prototype de coulée a donné un produit qui a la résistance requise mais qui est beaucoup plus léger que les pièces usinées existantes. Des économies de 100 000 $/an sur un avion à passager unique ont été calculées sur la base de la réduction des coûts de carburant grâce à des sièges plus légers, ainsi que des réductions d'émissions associées.

Prototypage rapide et chemin à parcourir

Un nombre croissant de méthodes de fabrication rapide de prototypes sont à la disposition des innovateurs et des ingénieurs. Chaque méthode a ses propres avantages et inconvénients. Les procédés de fonderie sont adaptés aux applications où le prototype doit être réalisé dans le même matériau que le produit fini, notamment pour les métaux à haut point de fusion. L'impression 3D convient aux composants plus petits fabriqués à partir de matériaux imprimables spécifiques - cette technologie se développe et s'améliore continuellement. L'usinage peut être utilisé pour découper le métal d'un produit en stock où la complexité n'est pas trop sévère et les processus standard tels que le fraisage et le meulage peuvent toujours être utilisés.

Sir James Dyson est un inventeur, entrepreneur et ingénieur emblématique, surtout connu pour son développement du système d'aspiration cyclonique qui a remplacé les systèmes d'aspiration à sac dans les systèmes de nettoyage domestique. Dans une interview fascinante avec la BBC, Dyson a révélé que son invention avait mis cinq ans à se perfectionner et un total de 5 127 ajustements et modifications différents. Il croit fermement à la devise séculaire :« Si au début vous ne réussissez pas, essayez, essayez encore ! L'histoire de Dyson met en évidence la réalité selon laquelle les développeurs de produits et les ingénieurs ont besoin de plusieurs itérations de développement et d'amélioration pour mettre de nouveaux produits sur le marché. Les améliorations apportées au prototypage rapide continueront de réduire les inefficacités et les coûts au profit des innovateurs et des consommateurs.

Références

• 3ders. "Bases de l'impression 3D"
• Marlin Steel. "L'impression 3D par rapport à la fabrication traditionnelle"
• Inventions mécaniques. "Types de motifs"
• Génie mécanique. "Modèles de moulage / Modèles de moulage au sable / Modèles et moules"
• miBot. "Créer des moules et des motifs en sable"
• La bibliothèque de fabrication. « Casting d'investissement »
• Gestion et technologie de la fonderie. "Faire du casting d'investissement un meilleur investissement"
• Thomas Net. "En savoir plus sur l'usinage CNC"
• Tôlerie rapide. "Fabrication rapide de prototypes"
• Mécanismes créatifs. "Tout ce que vous devez savoir sur les machines CNC"
• Wikipédia. "Usinage"