Jigs and Fixtures :6 façons d'améliorer l'efficacité de la production avec l'impression 3D

Qu'il s'agisse de gabarits, de fixations ou de poignées, l'outillage reste une partie vitale, bien qu'apparemment banale, du processus de fabrication. Quelle que soit la complexité de vos produits, la productivité et l'efficacité de votre production dépendent de la disponibilité d'outils d'outillage de haute qualité.

Au cours des dernières années, il y a eu un changement radical dans la façon dont ces aides à l'outillage sont produites :de Volkswagen à Boeing, Jabil et plus encore, les principaux fabricants ont vu les avantages de l'impression 3D comme moyen de fabrication d'outillage.

Alors, comment l'impression 3D de ces aides à la fabrication peut-elle aider les fabricants à atteindre un processus de fabrication au plus juste ?

L'importance des gabarits et des montages

Maximiser l'efficacité et la productivité de la production est une préoccupation majeure pour les fabricants. Les gabarits et les montages sont des aides à la fabrication utilisées pour augmenter la fiabilité, la précision et la qualité du processus de fabrication tout en minimisant les temps de cycle de production et en améliorant la sécurité des travailleurs.

Fondamentalement, le but des gabarits, des montages et des aides à la fabrication est de fournir un processus de fabrication précis, reproductible et interchangeable tout en réduisant le temps de production et les erreurs humaines.

Jigs

Un gabarit est un outil qui maintient et supporte la pièce tout en guidant l'outil de coupe ou d'usinage pour une opération spécifique. Le type de gabarit le plus courant est le gabarit de perçage, qui guide le foret jusqu'à l'emplacement souhaité.

Montures

Les fixations maintiennent, soutiennent et localisent la pièce (mais ne guident pas l'outil de coupe) pendant le processus d'usinage ou d'assemblage. Les appareils sont généralement attachés à la machine, et chaque appareil doit être construit pour s'adapter à une pièce ou une forme particulière.

Les gabarits et les montages sont essentiels pour optimiser les processus de fabrication, et les avantages incluent :

• Réduction des rebuts
• Améliorer la précision et la répétabilité des processus
• Réduire le niveau de compétence requis (pour faire fonctionner les gabarits et les appareils)
• Augmenter la productivité

Outils imprimés en 3D :rompre avec la tradition

En 2021, plus de la moitié (57 %) des entreprises interrogées par Jabil déclarent utiliser l'impression 3D pour l'outillage, les gabarits et les montages, contre 30 % en 2017 et 37 % en 2019. 

Les méthodes de fabrication traditionnelles nécessitent que les gabarits et les accessoires soient usinés CNC ou soudés et assemblés manuellement. Ce processus peut prendre des jours (ou des semaines s'il est externalisé), notamment parce que l'usinage des pièces nécessite une planification intensive et des opérateurs de machine qualifiés.

Sans surprise, l'utilisation de méthodes de fabrication traditionnelles entraîne de longs délais et des coûts de production élevés et offre peu de flexibilité dans les nouvelles modifications de conception.

L'impression 3D, cependant, est une alternative idéale. Avec une imprimante 3D, vous pouvez fabriquer des gabarits et des accessoires à la demande, pour une fraction des coûts des matériaux, et pouvez itérer selon vos besoins.

Pourquoi l'impression 3D ?

1. Des délais de livraison plus rapides

L'un des principaux avantages de l'impression 3D est la rapidité avec laquelle les pièces peuvent être produites. Étant donné que l'impression 3D est un processus de fabrication numérique qui utilise des modèles CAO 3D, il suffit de télécharger ledit modèle CAO, et votre pièce pourrait potentiellement être imprimée en quelques heures.

Cela présente des avantages significatifs pour la production de gabarits et de montages. Avec la fabrication traditionnelle, la production d'outillage peut prendre des jours voire des semaines et implique plusieurs étapes de traitement. Cependant, avec l'impression 3D, une grande partie du processus de fabrication est automatisée, nécessitant moins d'intervention humaine et accélérant le processus de production.

Les cas concrets sont nombreux :Volkswagen Autoeuropa, la plus grande usine automobile du Portugal, a fait état d'un gain de temps de 89 % grâce à l'impression 3D de gabarits et d'accessoires. Les recherches menées par Stratasys racontent une histoire similaire :selon le fabricant, les gabarits et les montages d'impression 3D peuvent entraîner des réductions de délais allant jusqu'à 90 %.

La vitesse à laquelle les gabarits et les montages peuvent être produits avec l'impression 3D signifie qu'il est également idéal pour faire plusieurs itérations d'un appareil, facilitant ainsi de nouvelles modifications de conception innovantes.

Fréquemment, plusieurs itérations peuvent être conçues et imprimées le même jour. Comparez cela aux coûts élevés et aux délais prolongés de l'utilisation d'un fournisseur extérieur, et les avantages de la fabrication additive sont clairs.

Ces avantages signifient que les ingénieurs n'ont pas à subir des cycles de développement prolongés et de longs délais entre la réception des itérations de l'atelier d'usinage. Ils ont la liberté et la flexibilité d'intégrer les modifications de conception jusqu'à la production.

2. Coûts réduits

Outre un gain de temps, l'impression 3D offre une réduction significative des coûts de production. Souvent, la production de gabarits, de montages et d'autres équipements d'outillage est sous-traitée à des fournisseurs externes.

En revanche, l'impression 3D remet en cause cette approche en permettant aux fabricants d'apporter la technologie en interne. Cette nouvelle stratégie de fabrication d'outillage en interne à faible volume signifie que les fabricants peuvent réduire leurs dépenses d'externalisation.

Par exemple, Liberty Electronics, un atelier de fabrication en sous-traitance produisant des assemblages haut de gamme pour les industries militaire et aérospatiale en Pennsylvanie, a économisé 85 % du coût d'un outil personnalisé en l'imprimant en 3D en interne au lieu de l'externaliser.

L'inventaire est un autre domaine où les fabricants peuvent réduire considérablement leurs dépenses grâce à l'impression 3D. Au lieu de stocker des équipements d'outillage, la fabrication additive permet une fabrication à la demande, de sorte que les outils peuvent être produits en cas de besoin.

Enfin, étant donné que l'impression 3D est un processus additif et non soustractif, les fabricants peuvent facilement minimiser le gaspillage de matière, réduisant ainsi les coûts de matière.

3. Ergonomie améliorée

Étant donné que les gabarits et les montages nécessitent une manipulation physique par les travailleurs sur le plancher de production, la création de pièces légères et faciles à manipuler devrait être une priorité pour les fabricants.

Ici, l'impression 3D peut grandement aider à réduire le poids. Les matériaux hautes performances, par exemple, sont une excellente alternative aux procédés de coupe du métal et offrent une option plus légère. Des outils plus légers signifient également une plus grande facilité d'utilisation pour les travailleurs de l'atelier de production.

La fabrication additive permet aux ingénieurs de créer des outils améliorés pour répondre aux exigences exactes des travailleurs.

L'environnement d'assemblage est difficile et les tâches répétitives peuvent être extrêmement éprouvantes pour les employés, déclare Bob Heath, ingénieur d'applications AM chez Eckhart, l'un des leaders des solutions industrielles avancées. La conception d'outils personnalisés et ergonomiques qui sont également beaucoup plus légers que les outils de conception traditionnelle est l'un des avantages du processus additif chez Eckhart.

L'entreprise améliore constamment l'ergonomie des outils avec l'impression 3D en incorporant les commentaires des utilisateurs finaux, tout en rendant les tâches plus légères, plus sûres, plus reproductibles et plus précises pour les travailleurs de la chaîne de montage.

Par exemple, c'est un cauchemar ergonomique pour un monteur qui doit installer un balai d'essuie-glace sur un nouveau véhicule entrant dans la station toutes les 45 secondes.

Ainsi, Eckhart s'est associé à Stratasys pour développer un gabarit imprimé en 3D qui localise le corps du moteur de l'essuie-glace - aidant l'opérateur en aspirant l'outil sur le pare-brise du véhicule.

L'emplacement fixe résultant du nouveau gabarit permet une installation cohérente du balai d'essuie-glace par l'assembleur et élimine toute reprise ou problème de qualité en aval.

Lire aussi :Entretien avec l'ingénieur d'application de fabrication additive d'Eckhart sur l'impression 3D, l'automatisation et l'industrie 4.0

4. Plus grande variété de matériaux

Une large gamme de matériaux est disponible en impression 3D, des plastiques et métaux aux caoutchoucs et cires. L'impression 3D multi-matériaux est un domaine d'intérêt en croissance rapide, avec des matériaux combinés pour créer de nouveaux matériaux aux propriétés mécaniques améliorées. Par exemple, les pièces imprimées en 3D peuvent être résistantes aux produits chimiques et à la chaleur ou posséder une stabilité aux UV.

L'une des implications les plus importantes pour les gabarits et les fixations est le développement de matériaux hautes performances, tels que le PEKK ou l'ULTEM et les composites, qui peuvent créer des pièces d'outillage solides et légères avec des propriétés mécaniques améliorées.

5. Performances améliorées

L'impression 3D peut aider à améliorer les performances des gabarits et des fixations en offrant un moyen plus simple de créer des conceptions nouvelles et améliorées. Auparavant, y parvenir était une tâche colossale en raison du niveau d'effort et des dépenses requis pour produire de nouveaux montages de fabrication avec des méthodes traditionnelles

AM permet d'ajouter des fonctionnalités, telles que des numéros de série, des dates de fabrication et d'autres données clés, permettant une gestion et un suivi des stocks améliorés.

Les composants qui seraient séparés dans le processus d'usinage peuvent être combinés lors de l'impression 3D. Cela minimisera l'espacement et l'accumulation indésirable de poussière et de copeaux (par exemple pour un outil d'usinage).

6. Personnalisation

Enfin, l'impression 3D facilite la création de produits personnalisés. Couplée à la capacité de créer des géométries complexes, la technologie peut facilement être utilisée pour produire des outils complexes et personnalisés qui seraient autrement impossibles à réaliser avec les méthodes de fabrication traditionnelles.

Et les opportunités de personnalisation présentent des avantages dans un large éventail d'industries, par exemple dans le domaine des dispositifs médicaux. Ici, l'impression 3D est déjà utilisée pour créer des guides chirurgicaux, ce qui réduit le temps opératoire et offre une meilleure expérience au patient.

Jigs et montages imprimés en 3D en action

De nombreux fabricants utilisent déjà à leur avantage les avantages économiques et de productivité de l'impression 3D pour la production d'outillage.

Fabrication

Jabil

Jabil est une entreprise mondiale de services de fabrication avec 100 installations réparties dans plus de vingt pays à travers le monde. Avec son arsenal de systèmes Ultimaker AM, la société explore déjà l'impression 3D pour produire des gabarits et des montages. Son usine d'Auburn Hills dans le Michigan est pionnière dans la production d'outillage par fabrication additive.

"Il me semble qu'à long terme, tous les montages et gabarits seront imprimés en 3D, certains seront en plastique, d'autres en métal, mais en fin de compte, c'est tout à fait logique." – John Dulchinos, Jabil.

Grâce à cette technologie, l'entreprise peut produire des lots uniques de gabarits et de montages avec plusieurs itérations de conception sans aucune contrainte de coût. L'usine peut désormais réduire le coût de l'outillage jusqu'à 30 % et réduire le temps requis de 80 %, tout en augmentant la satisfaction du client.

« Les outils et accessoires imprimés en 3D sont un domaine dont la plupart des fabricants peuvent bénéficier lors de l'application de l'impression 3D dans leurs processus existants », selon le directeur de la fabrication additive de Jabil, Tim DeRosett.

Aérospatiale

Moog Aircraft Group

Le fabricant de l'aérospatiale et de la défense, Moog Aircraft Group, utilise la technologie de modélisation par dépôt de fusion (FDM) pour imprimer en 3D les appareils de la machine de mesure des coordonnées (CMM). Selon l'entreprise, l'externalisation de la production des montages MMT a entraîné un délai de quatre à six semaines, de la conception à la pièce finale. Avec l'impression 3D, cependant, l'entreprise peut produire les mêmes luminaires en interne en environ 20 heures. Le prix des luminaires MMT imprimés en 3D est également passé de 2 000 £ à quelques centaines de livres.

Boeing

Cependant, l'impression 3D n'est pas seulement bénéfique pour les petites aides à la fabrication. En 2016, un projet de collaboration entre Boeing et le laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) du ministère de l'Énergie dans le Tennessee, a produit un impressionnant outil de coupe et de perçage imprimé en 3D pour l'avion 777X de Boeing, établissant à l'époque un record mondial pour le plus grand Objet imprimé en 3D.

Auparavant fabriqué avec des méthodes de fabrication traditionnelles utilisant du métal, l'outil de coupe et de perçage a été imprimé en 3D avec de l'ABS renforcé de fibres de carbone en seulement 30 heures. La production rapide a été obtenue grâce à la machine propriétaire de fabrication additive Big Area (BAAM), développée principalement pour les applications AM à grande échelle.

Lire aussi :4 applications impressionnantes de l'impression 3D à grande échelle

Automobile

BMW

L'outillage imprimé en 3D est également largement utilisé dans le secteur automobile. BMW en est un exemple notable :le constructeur automobile allemand a utilisé la modélisation par dépôt de fusion pour produire des outils à main destinés à l'assemblage et aux tests, comme alternative aux méthodes de fabrication traditionnelles par coupe de métal comme le fraisage ou le tournage. Grâce à l'impression 3D, le poids des outils ergonomiques a été réduit de 72 %, ce qui facilite leur utilisation pour les travailleurs et améliore les fonctionnalités de l'appareil.

Renault Sport F1

L'impression 3D a également été une solution précieuse pour la fabrication d'outillages chez Renault Sport Formula 1. Parmi ses nombreuses applications de l'impression 3D, l'entreprise a utilisé la stéréolithographie (SLA) pour produire des gabarits pour le système d'échappement de sa voiture de course.

Avant d'adopter la fabrication additive, Renault utilisait l'usinage CNC pour fabriquer ses gabarits, ce qui pouvait prendre des jours – et l'assemblage de pièces pré-usinées pouvait prendre une semaine. En revanche, avec la fabrication additive, 15 gabarits peuvent être produits du jour au lendemain, ce qui représente un gain de temps considérable.

Lectures complémentaires :Impression 3D et Formule 1 : 5 tendances dans le sport automobile

Comment tirer le meilleur parti de l'impression 3D de gabarits et d'accessoires 

Optimiser la conception des outils 

Une impression 3D réussie d'aides à la fabrication commence dès la conception. Prenez le temps de réfléchir aux fonctionnalités supplémentaires qui peuvent être intégrées au gabarit ou au montage au stade de la conception pour tirer parti de la flexibilité de conception de la FA. Les petites caractéristiques qui seraient difficiles à usiner et les géométries considérées comme impossibles en raison du jeu de l'outil en fraisage ou en tournage relèvent toutes des processus de FA.

Ce qui est intéressant, c'est que les entreprises de fabrication additive développent désormais activement des solutions automatisées pour accélérer le processus de conception et permettre aux ingénieurs d'évaluer rapidement les options de conception avant d'imprimer quoi que ce soit sur la machine. Un tel outil pourrait être bénéfique pour la conception d'outils.

Par exemple, Ford a montré comment l'automatisation peut réduire le temps de conception des outils de quelques heures à quelques minutes.

En s'associant à une société de logiciels allemande, Trinckle, le constructeur automobile a eu accès à un logiciel capable de générer automatiquement la géométrie de l'outil pour s'adapter au contour de la voiture et former la base du nouveau gabarit. D'un simple clic, les ingénieurs pouvaient également ajouter des éléments tels que des poignées, des supports magnétiques pour la fixation et des guides de bord.

L'automatisation du processus de conception de cette pièce a permis d'économiser plusieurs heures de travail, réduisant le processus de conception à seulement 10 minutes. Ford pense que cette approche a le potentiel d'économiser des milliers d'euros par outil.

Le fabricant de matériel, Stratasys, développe également des solutions d'automatisation de la conception d'outils 3D en collaboration avec l'éditeur de logiciels nTopology.

Appelée Fixture Generator, cette nouvelle solution permet aux ingénieurs de préparer des pièces d'outillage par simple glisser-déposer. Pour ce faire, il utilise le moteur logiciel d'optimisation de la topologie de nTopology, qui optimise la conception des pièces en tenant compte de l'application finale. Vous pouvez demander l'accès au générateur de luminaires ici.

Numériser l'inventaire pour réorganiser facilement les outils imprimés en 3D

Si vous imprimez régulièrement de nombreux outils, vous devriez alors envisager de rationaliser le flux de travail pour leur commande.

De nombreuses entreprises mettant en œuvre des gabarits et des montages imprimés en 3D stockent souvent les fichiers de conception dans des dossiers partagés, tandis que les ingénieurs doivent envoyer des demandes par courrier électronique pour commander leurs outils. Dans le même temps, les chefs de service 3D doivent trier les e-mails et parcourir les dossiers et les feuilles de calcul pour trouver les fichiers demandés et leurs exigences de production pour les envoyer en production.

Il est clair que ce flux de travail n'est pas très efficace :il n'est pas convivial pour les ingénieurs qui commandent des pièces, et il prend du temps et est sujet aux erreurs pour les techniciens d'impression 3D.

Une solution alternative, plus efficace, serait de créer un catalogue numérique complet avec des fichiers de conception 3D ET des exigences de production. En le mettant à disposition des ingénieurs, les entreprises peuvent simplifier la commande et la planification de la production si le catalogue est également intégré à un système MES additif.

Lire aussi :4 façons d'utiliser l'inventaire numérique pour prendre en charge vos opérations AM

L'avenir de l'outillage est l'impression 3D

Bien que les gabarits et les accessoires ne soient pas l'aspect le plus glamour de la fabrication additive, ils restent essentiels au processus de fabrication. La FA est une alternative idéale pour assurer un processus de production efficace, aidant à produire des gabarits, des montages et d'autres aides en une fraction du temps et du coût.

À l'avenir, alors que la fabrication d'outils devient davantage une entreprise personnalisée, les fabricants qui ont déjà adopté l'impression 3D récolteront les avantages d'un processus de fabrication plus rationalisé et connaîtront de grandes améliorations en termes d'efficacité et de qualité au sein des chaînes de production et d'assemblage.