Prototypage rapide :l'évolution de l'impression 3D

Prototypage rapide est, depuis sa création, l'un des principaux atouts de la fabrication additive. Alors que les prototypes pouvaient prendre des jours, des semaines ou même des mois en utilisant des technologies antérieures, avec la fabrication additive, les prototypes peuvent être produits pratiquement du jour au lendemain, accélérant considérablement la phase de conception et de développement du produit.

La capacité de créer un concept ou durable , des prototypes fonctionnels en une fraction du temps font de l'impression 3D la solution idéale pour passer beaucoup plus rapidement de l'idéation à la production. Aujourd'hui, nous allons examiner l'évolution du prototypage rapide et de la FA, et leur valeur pour la phase de développement du produit.

Qu'est-ce que le prototypage rapide ?

Le prototypage rapide fait référence à la production rapide de modèles et de prototypes à l'aide de données CAO. Ces modèles sont visuellement et/ou fonctionnellement testés et validés au cours de la phase de développement du produit.

Le prototypage rapide présente de nombreux avantages, notamment parce qu'il offre un moyen rentable d'évaluer et de tester les performances avant de produire le produit final. Alors que d'autres méthodes telles que le moulage par injection peuvent être utilisées pour le prototypage, cela peut ne pas toujours être la bonne option, en raison des coûts d'outillage élevés impliqués et de l'incapacité d'apporter des modifications de conception rapides.

La quête de solutions de conception plus innovantes et d'une mise sur le marché plus rapide a donc conduit au développement de procédés plus efficaces particulièrement adaptés à la création rapide de prototypes – c'est ainsi qu'est née l'impression 3D.

Porter le prototypage à un nouveau niveau

Avec l'avènement de l'impression 3D, les concepteurs de produits et les ingénieurs ont un moyen de faire passer le prototypage au niveau supérieur. La technologie est sans outil (éliminant le besoin d'un outillage coûteux), bien adaptée à la production à faible volume et peut produire des pièces dans un temps beaucoup plus court. Cela signifie que les prototypes peuvent être produits beaucoup plus rapidement et à moindre coût - et comme toutes les pièces imprimées en 3D proviennent de fichiers CAO numériques, les conceptions peuvent également être mises à jour et modifiées beaucoup plus facilement.

Le prototypage rapide peut également aider les ingénieurs à décider de la conception finale avant de passer à la production, réduisant ainsi le risque d'erreurs coûteuses. Par exemple, les concepteurs de produits de Wöhler, un fabricant allemand de technologie de métrologie et d'inspection, ont récemment imprimé en 3D un prototype fonctionnel d'un appareil de mesure de l'humidité du bois, avec une esthétique proche du produit final. Le prototype de l'appareil était composé de composants rigides et flexibles et devait être fabriqué à partir de différents matériaux. Pour cela, la société a utilisé des résines de qualité technique stéréolithographie (SLA) pour créer un prototype durable capable de résister aux tests fonctionnels sans aucun dommage.

Les prototypes fonctionnels sont particulièrement cruciaux au stade du développement du produit, permettant de tester les propriétés mécaniques d'une pièce finale.

Prototypage rapide :les technologies d'impression 3D

L'émergence des technologies d'impression 3D a porté la notion de prototypage vers de nouveaux sommets. Des prototypes fonctionnels peuvent désormais être produits en quelques heures et dans une gamme de plastiques et de métaux, grâce aux développements de la technologie FA.

Stéréolithographie

L'émergence de la stéréolithographie (SLA) dans les années 1980 a marqué le début de l'ère du prototypage rapide. La technologie utilise un laser ultraviolet pour durcir et solidifier des couches ultrafines de résine photopolymère, et est un choix pour les prototypes qui nécessitent une précision ou une finition de surface lisse. Les premières imprimantes SLA étaient de grosses machines peu fiables, produisant des modèles avec des surfaces rugueuses. Trois décennies plus tard, cependant, SLA est devenu un outil bien établi et rentable pour produire des pièces avec une précision dimensionnelle élevée et une finition de surface lisse. Il existe désormais de nombreuses offres de machines SLA sur le marché, des imprimantes de bureau aux machines industrielles plus grandes. SLA propose également une grande variété de matériaux, avec une large gamme de matériaux en résine.

Bien que SLA soit considéré comme l'une des technologies d'impression 3D les plus rapides disponibles, les récents progrès des technologies de polymérisation en cuve (à laquelle SLA appartient) ont conduit au développement de processus potentiellement plus rapides. Un exemple est la technologie de production d'interface liquide continue (CLIP) de Carbon. Lancé en 2015, CLIP peut être utilisé pour créer des prototypes fonctionnels et des pièces finales avec des propriétés mécaniques, une résolution et des finitions de surface très similaires aux pièces moulées par injection.

Frittage laser sélectif

Le frittage laser sélectif (SLS) est une autre technologie d'impression 3D précoce, apparue à la fin des années 1980. Le processus implique la fusion de matière plastique en poudre à l'aide d'un laser puissant. Il est le plus souvent utilisé dans des industries comme l'aérospatiale et la médecine, où les propriétés matérielles du prototype sont critiques.

Au fil du temps, SLS est devenu une technologie de fabrication mature offrant une combinaison de haute précision, vitesse, durabilité et manque de structures de support requises - c'est pourquoi il est généralement choisi pour des prototypes fonctionnels plus complexes. Bien que la technologie ne puisse initialement produire que de petits objets, les systèmes SLS peuvent aujourd'hui produire des prototypes de différentes tailles, certaines des plus grandes machines imprimant des pièces d'un mètre de long ou plus. Une large gamme de matériaux, du nylon et de la céramique à divers métaux, peut également être utilisé avec SLS, ce qui en fait une excellente option de prototypage pour les applications commerciales

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Les systèmes SLS ont toujours été plus coûteux à acquérir pour les entreprises (coûtant des centaines de milliers de dollars). Cependant, en 2014, le brevet de la technologie a expiré, donnant naissance à des alternatives plus abordables, telles que l'imprimante 3D de table Formlabs Fuse 1.

Modélisation par dépôt de fusion

Depuis son apparition sur le marché par Stratasys dans les années 90, le Fused Deposition Modeling (FDM) est devenu la technologie d'impression 3D la plus utilisée. Cela s'explique en partie par l'expiration de plusieurs brevets FDM en 2009, qui a depuis donné naissance à une vague d'imprimantes 3D de bureau FDM à un prix nettement inférieur – faisant de la technologie un excellent point d'entrée pour les amateurs et les entreprises.

Avec FDM, les filaments thermoplastiques sont extrudés sur la plate-forme d'impression une couche à la fois. La gamme de matériaux adaptés au FDM s'est également considérablement élargie :aujourd'hui, les fabricants peuvent choisir entre des thermoplastiques aux propriétés diverses, du TPU élastique à l'ABS durable et renforcé, en passant par des matériaux hautes performances comme le PEEK, permettant plus de flexibilité dans la production de prototypes fonctionnels.

Prototypage couleur et multi-matériaux

Liant et jet de matériau

L'émergence de l'impression 3D couleur et multi-matériaux au début des années 2000 a créé des opportunités passionnantes pour créer des prototypes qui sont une réplique exacte de la pièce finale. Le liant et le jet de matériaux sont deux technologies clés de plus en plus utilisées pour créer des modèles pouvant représenter l'aspect et la convivialité d'une pièce finale. Les possibilités multicolores de ces procédés contribuent également à rationaliser les étapes de post-traitement telles que la peinture. La principale différence entre les deux technologies réside dans le fait que le jet de liant utilise un agent liant pour fusionner les poudres plastiques, tandis que le jet de matériau fonctionne en déposant des gouttelettes de résines photodurcissables.

Avec le jet de matériaux, non seulement des prototypes de différentes couleurs peuvent être imprimés en 3D, mais également des pièces qui combinent différentes propriétés de matériaux (par exemple flexibles et rigides simultanément). Cela ouvre de nombreuses opportunités pour créer des modèles qui effectuent l'ajustement et la fonction de la pièce finale. Par exemple, l'imprimante 3D J750 de Stratasys est la dernière-née des systèmes de projection de matériaux de l'entreprise. Le J750 s'appuie sur la technologie PolyJet exclusive de Stratasys et offre une impression 3D multicolore et multi-matériaux avec 6 matériaux différents simultanément.

L'impression 3D couleur de haute qualité se développe à un rythme rapide, en particulier avec l'émergence de la technologie HP Multi Jet Fusion (MJF), qui fonctionne de manière similaire au Binder Jetting. On dit que MJF ajoute encore plus de précision, d'éclat des couleurs et de qualité de surface aux pièces imprimées en 3D, produisant des prototypes fonctionnels en nylon en aussi peu qu'une journée. La technologie Multi Jet peut également être utilisée pour créer des moules d'injection afin de produire des pièces à tester, pratiquement identiques à la pièce finale.

Prototypage métallique

Certaines applications, comme dans les domaines de l'aérospatiale et de l'automobile, nécessitent des prototypes métalliques uniques et fonctionnels pour valider les performances d'une pièce. Heureusement, l'impression 3D a rendu le prototypage économique non seulement avec les plastiques, mais aussi avec le métal. La combinaison d'une réduction des déchets de matériaux, d'une production sans outil et d'une plus grande liberté de conception a fait de l'impression 3D métal une option attrayante pour le prototypage.

Et les développements au sein de l'impression 3D métal ont eu des implications pour la production de prototypes métalliques fonctionnels. Markforged, par exemple, a son système Metal X, capable d'imprimer des pièces métalliques à l'aide du moulage par injection de métal (MIM) en une fraction du temps et du coût des imprimantes 3D métalliques traditionnelles.

Mise en garde :l'utilisation de technologies conventionnelles comme l'usinage CNC ou le moulage peut être préférable lorsque de plus grandes quantités sont nécessaires, bien que l'impression 3D soit souvent le choix le plus pratique pour de petits lots de prototypes avec des caractéristiques internes complexes.

Où le prototypage rapide est-il utilisé ?

Médecine, automobile, aérospatiale, biens de consommation, etc. – presque tous les secteurs industriels bénéficient déjà de l'utilisation de l'impression 3D pour produire des prototypes.

Prenez le secteur automobile, par exemple, où le prototypage rapide reste la principale application de la technologie additive. Constructeur automobile Ford  a pu gagner des mois en délai en utilisant l'impression 3D pour le prototypage. Les ingénieurs de Ford peuvent utiliser l'impression 3D pour produire plusieurs copies d'un prototype simultanément, chacune avec une caractéristique unique. Cela leur permet d'effectuer des tests parallèles, d'accélérer et d'améliorer le développement des pièces. Récemment, Ford s'est lancé dans le prototypage rapide de pièces automobiles plus grandes. À l'aide de l'imprimante 3D Infinite Build de Stratasys, la société prévoit de développer de nouvelles pièces légères dans le but d'améliorer l'efficacité énergétique.

Le prototypage rapide par impression 3D est également de plus en plus utilisé pour développer l'électronique, en particulier les cartes de circuits imprimés. (PCB). PHYTEC , un fournisseur de solutions de pointe pour le marché de l'embarqué industriel, s'est tourné vers l'imprimante 3D DragonFly 2020 de Nano Dimension pour développer des circuits imprimés fonctionnels.

La machine utilise la technologie d'impression 3D multi-matériaux, qui dépose des encres conductrices et peut imprimer en 3D un PCB en 12 à 18 heures - 10 à 15 fois plus rapide que la commande et la fabrication de PCB avec les méthodes traditionnelles. Cela permet à l'entreprise de recevoir des prototypes fonctionnels plus tôt au cours de la phase de développement, réduisant considérablement le temps de cycle de développement et améliorant finalement la qualité du produit final.

RP et impression 3D – toujours en évolution

L'impression 3D pour le prototypage rapide a parcouru un long chemin depuis les années 1980 et est devenue une solution de fabrication robuste. Pour les entreprises novices dans la technologie, l'impression 3D offre une solution idéale pour produire des prototypes fiables et fonctionnels et accélérer la phase de conception et de développement du produit. Les questions clés seront de savoir comment intégrer la technologie dans les cadres et processus existants, afin de garantir que les entreprises puissent mieux tirer parti des avantages des technologies de fabrication numérique.

Bien sûr, si nous nous sommes penchés sur l'évolution de l'impression 3D pour le prototypage rapide, le marché constate également une évolution vers l'impression 3D pour les pièces finales. À l'avenir, l'impression 3D poursuivra sa progression vers la production finale, devenant une solution de fabrication flexible à toutes les étapes du développement et de la production.