Guide de prototypage rapide pour le développement de produits

Le prototypage est une partie cruciale du processus de développement de produits, mais traditionnellement, il s'agit d'un goulot d'étranglement.

Les concepteurs de produits et les ingénieurs créaient des modèles de preuve de concept de fortune avec des outils de base, mais la production de prototypes fonctionnels et de pièces de qualité de production nécessitait souvent les mêmes processus que les produits finis. Les processus de fabrication traditionnels tels que le moulage par injection nécessitent un outillage et une configuration coûteux, ce qui rend les prototypes personnalisés à faible volume d'un coût prohibitif.

Le prototypage rapide aide les entreprises à transformer leurs idées en preuves de concept réalistes, fait évoluer ces concepts vers des prototypes haute fidélité qui ressemblent et fonctionnent comme des produits finaux, et guide les produits à travers une série d'étapes de validation vers la production en série.

Grâce au prototypage rapide, les concepteurs et les ingénieurs peuvent créer des prototypes directement à partir de données CAO plus rapidement que jamais, et exécuter des révisions rapides et fréquentes de leurs conceptions sur la base de tests et de retours d'expérience réels.

Dans ce guide, vous découvrirez comment le prototypage rapide s'intègre dans le processus de développement de produits, ses applications et quels outils de prototypage rapide sont disponibles pour les équipes de développement de produits d'aujourd'hui.

Qu'est-ce que le prototypage rapide ?

Le prototypage rapide est le groupe de techniques utilisées pour fabriquer rapidement un modèle à l'échelle d'une pièce ou d'un assemblage physique à l'aide de données de conception assistée par ordinateur (CAO) en trois dimensions. Étant donné que ces pièces ou assemblages sont généralement construits à l'aide de techniques de fabrication additives par opposition aux méthodes soustractives traditionnelles, l'expression est devenue synonyme de fabrication additive et d'impression 3D.

La fabrication additive est un match naturel pour le prototypage. Il offre une liberté de forme presque illimitée, ne nécessite pas d'outillage et peut produire des pièces avec des propriétés mécaniques correspondant étroitement à divers matériaux fabriqués avec des méthodes de fabrication traditionnelles. Les technologies d'impression 3D existent depuis les années 1980, mais leur coût élevé et leur complexité limitent principalement leur utilisation aux grandes entreprises, ou obligent les petites entreprises à sous-traiter la production à des services spécialisés, en attendant des semaines entre les itérations suivantes.

Grâce à l'impression 3D, les concepteurs peuvent rapidement parcourir les conceptions numériques et les prototypes physiques, et passer plus rapidement à la production.

L'avènement de l'impression 3D de bureau et de paillasse a changé ce statu quo et a inspiré une vague d'adoption qui ne montre aucun signe d'arrêt. Grâce à l'impression 3D en interne, les ingénieurs et les concepteurs peuvent rapidement parcourir les conceptions numériques et les prototypes physiques. Il est désormais possible de créer des prototypes en une journée et d'effectuer plusieurs itérations de conception, de taille, de forme ou d'assemblage sur la base des résultats de tests et d'analyses en conditions réelles. En fin de compte, le processus de prototypage rapide aide les entreprises à commercialiser de meilleurs produits plus rapidement que leurs concurrents.

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Avantages du prototypage rapide

Réaliser et explorer les concepts plus rapidement

Le prototypage rapide transforme les idées initiales en explorations de concepts à faible risque qui ressemblent à de vrais produits en un rien de temps. Il permet aux concepteurs d'aller au-delà de la visualisation virtuelle, ce qui facilite la compréhension de l'aspect et la convivialité de la conception et de comparer les concepts côte à côte.

Communiquer efficacement les idées

Les modèles physiques permettent aux concepteurs de partager leurs concepts avec des collègues, des clients et des collaborateurs pour transmettre des idées d'une manière impossible en visualisant simplement les conceptions à l'écran. Le prototypage rapide facilite les commentaires clairs et exploitables des utilisateurs qui sont essentiels pour que les créateurs comprennent les besoins des utilisateurs, puis affinent et améliorent leurs conceptions.

Concevoir de manière itérative et intégrer instantanément les changements

La conception est toujours un processus itératif nécessitant plusieurs séries de tests, d'évaluation et de raffinement avant d'arriver à un produit final. Le prototypage rapide avec l'impression 3D offre la possibilité de créer plus rapidement des prototypes plus réalistes et de mettre en œuvre des modifications instantanément, élevant ainsi ce processus crucial d'essais et d'erreurs.

Itérations consécutives d'un robot préhenseur pick and place prototypé sur des imprimantes Formlabs SLA.

Un bon modèle est un cycle de conception de 24 heures :concevoir pendant le travail, imprimer en 3D des pièces de prototype pendant la nuit, nettoyer et tester le lendemain, peaufiner la conception, puis recommencer.

Économisez du temps et de l'argent

Avec l'impression 3D, il n'y a pas besoin d'outillage et de configuration coûteux ; le même équipement peut être utilisé pour produire des géométries différentes. Le prototypage rapide en interne élimine les coûts élevés et les délais associés à l'externalisation.

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Testez minutieusement et minimisez les défauts de conception

Dans la conception et la fabrication de produits, la détection et la correction précoces des défauts de conception peuvent aider les entreprises à éviter des révisions de conception coûteuses et des changements d'outillage en cours de route.

Le prototypage rapide permet aux ingénieurs de tester en profondeur des prototypes qui ressemblent et fonctionnent comme des produits finaux, réduisant ainsi les risques de problèmes d'utilisabilité et de fabrication avant de passer à la production.

Applications du prototypage rapide

Grâce à une variété de technologies et de matériaux disponibles, le prototypage rapide aide les concepteurs et les ingénieurs tout au long du développement du produit, des modèles de concept initiaux à l'ingénierie, aux tests de validation et à la production.

Le processus de développement du matériel. Source :Ben Einstein, Bolt

Prototypes et modèles conceptuels de preuve de concept (PoC)

Les modèles conceptuels ou les prototypes de preuve de concept (POC) aident les concepteurs de produits à valider les idées et les hypothèses et à tester la viabilité d'un produit. Les modèles de concepts physiques peuvent démontrer une idée aux parties prenantes, créer une discussion et susciter l'acceptation ou le rejet à l'aide d'explorations de concepts à faible risque.

Le prototypage PoC se produit dès les premières étapes du processus de développement du produit, et ces prototypes incluent la fonctionnalité minimale nécessaire pour valider les hypothèses avant de faire passer le produit aux étapes de développement suivantes.

Une preuve de concept doit être simple, juste suffisante pour imiter le fonctionnement du produit. Par exemple, le POC d'un support de charge peut simplement être un boîtier imprimé en 3D connecté à un câble de charge USB standard.

La clé d'une modélisation de concept réussie est la vitesse ; les concepteurs doivent générer une mine d'idées avant de construire et d'évaluer des modèles physiques. À ce stade, la convivialité et la qualité ont moins d'importance et les équipes s'appuient autant que possible sur des pièces du commerce.

Les designers du studio suisse de design et de conseil Panter&Tourron ont utilisé l'impression 3D SLA pour passer du concept à la présentation en deux semaines.

Les imprimantes 3D sont des outils idéaux pour prendre en charge la modélisation de concept. Ils offrent un délai d'exécution inégalé pour convertir un fichier informatique en un prototype physique, permettant aux concepteurs de tester rapidement des concepts supplémentaires. Contrairement à la majorité des outils d'atelier et de fabrication, les imprimantes 3D de bureau sont adaptées au bureau, épargnant le besoin d'un espace dédié.

Prototypes similaires

Les prototypes ressemblants représentent le produit final à un niveau abstrait mais peuvent manquer de plusieurs de ses aspects fonctionnels. Leur objectif est de donner une meilleure idée de ce à quoi ressemblera un produit final et de la façon dont l'utilisateur final interagira avec lui. L'ergonomie, les interfaces utilisateur et l'expérience utilisateur globale peuvent être validées avec des prototypes ressemblant à des prototypes avant de passer un temps considérable de conception et d'ingénierie pour développer pleinement les fonctionnalités du produit.

Le développement de prototypes similaires commence généralement par des croquis, des modèles en mousse ou en argile, puis passe à la modélisation CAO. Au fur et à mesure que les cycles de conception progressent d'une itération à l'autre, le prototypage va et vient entre les rendus numériques et les modèles physiques. Au fur et à mesure que la conception est finalisée, les équipes de conception industrielle visent à créer des prototypes ressemblant exactement au produit final en utilisant les couleurs, les matériaux et les finitions (CMF) réels qu'ils spécifient pour le produit final.

Ressemble à des prototypes de l'imprimante 3D Form 2 SLA avec différentes solutions pour le placement des cartouches.

Prototypes fonctionnels

Parallèlement au processus de conception industrielle, les équipes d'ingénierie travaillent sur un autre ensemble de prototypes pour tester, itérer et affiner les systèmes mécaniques, électriques et thermiques qui composent le produit. Ces prototypes fonctionnels peuvent sembler différents du produit final, mais ils incluent les technologies et fonctions de base qui doivent être développées et testées.

Souvent, ces fonctions essentielles sont développées et testées dans des sous-unités distinctes avant d'être intégrées dans un prototype de produit unique. Cette approche de sous-système isole les variables, ce qui permet aux équipes de répartir plus facilement les responsabilités et d'assurer la fiabilité à un niveau plus granulaire avant de regrouper tous les éléments.

Premiers prototypes fonctionnels de l'imprimante 3D SLA grand format Form 3L.

Prototypes d'ingénierie

Le prototype d'ingénierie est l'endroit où la conception et l'ingénierie se rencontrent pour créer une version minimale viable du produit commercial final, conçu pour la fabrication (DFM). Ces prototypes sont utilisés pour les tests utilisateurs en laboratoire avec un groupe sélectionné d'utilisateurs principaux, pour communiquer l'intention de production aux spécialistes de l'outillage lors des étapes suivantes et pour servir de démonstrateur lors des premières réunions de vente.

A ce stade, les détails deviennent de plus en plus importants. L'impression 3D permet aux ingénieurs de créer des prototypes haute fidélité qui représentent avec précision le produit fini. Cela facilite la vérification de la conception, de l'ajustement, de la fonction et de la capacité de fabrication avant d'investir dans un outillage coûteux et de passer à la production, lorsque le temps et le coût des modifications deviennent de plus en plus prohibitifs.

Le fabricant de caméras de plongée Paralenz a utilisé l'impression 3D pour créer des prototypes fonctionnels qui ont été testés à plus de 200 mètres sous le niveau de la mer.

Les matériaux d'impression 3D avancés peuvent correspondre étroitement à l'aspect, au toucher et aux caractéristiques des matériaux des pièces produites avec des procédés de fabrication traditionnels tels que le moulage par injection. Divers matériaux peuvent simuler des pièces avec des détails et des textures fins, des surfaces douces au toucher, lisses et à faible friction, des boîtiers rigides et robustes ou des composants transparents. Les pièces imprimées en 3D peuvent être finies avec des processus secondaires comme le ponçage, le polissage, la peinture ou la galvanoplastie pour reproduire n'importe quel attribut visuel d'une pièce finale, ainsi que filetées pour créer des assemblages à partir de plusieurs pièces et matériaux.

Les ingénieurs de Wöhler ont construit un prototype ressemblant à un travail d'un humidimètre à partir de plusieurs matériaux avec un boîtier rigide et des boutons tactiles.

Les prototypes d'ingénierie nécessitent des tests fonctionnels et d'utilisation approfondis pour voir comment une pièce ou un assemblage fonctionnera lorsqu'il sera soumis à des contraintes et aux conditions d'utilisation sur le terrain. L'impression 3D propose des plastiques techniques pour des prototypes hautes performances pouvant résister aux contraintes thermiques, chimiques et mécaniques.

Test de validation et fabrication

Le prototypage rapide permet aux ingénieurs de créer de petits lots, des solutions personnalisées uniques et des sous-ensembles pour l'ingénierie, la conception et la validation de produits (EVT, DVT, PVT) afin de tester la fabricabilité.

L'impression 3D permet de tester plus facilement les tolérances en gardant à l'esprit le processus de fabrication réel et d'effectuer des tests complets en interne et sur le terrain avant de passer à la production de masse.

L'outillage rapide imprimé en 3D peut également être combiné avec des processus de fabrication traditionnels tels que le moulage par injection, le thermoformage ou le moulage de silicone, pour améliorer les processus de production en améliorant leur flexibilité, leur agilité, leur évolutivité et leur rentabilité. La technologie fournit également une solution efficace pour créer des gabarits et des montages de test personnalisés afin de simplifier les tests fonctionnels et la certification en rassemblant des données cohérentes.

La société de conception de dispositifs médicaux Coalesce utilise des gabarits personnalisés pour les tests internes.

Avec l'impression 3D, la conception n'a pas à se terminer lorsque la production commence. Les outils de prototypage rapide permettent aux concepteurs et aux ingénieurs d'améliorer continuellement les produits et de répondre rapidement et efficacement aux problèmes sur la ligne avec des gabarits et des montages qui améliorent les processus d'assemblage ou d'assurance qualité.

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Outils et méthodes de prototypage rapide

Fabrication additive

Le prototypage rapide est essentiellement devenu synonyme de fabrication additive et d'impression 3D. Il existe plusieurs procédés d'impression 3D disponibles, les plus couramment utilisés pour le prototypage rapide étant la modélisation par dépôt de fusion (FDM), la stéréolithographie (SLA), le frittage laser sélectif (SLS).

Modélisation du dépôt par fusion (FDM)

L'impression 3D FDM, également connue sous le nom de fabrication de filaments fondus (FFF), est une méthode d'impression 3D qui construit des pièces en faisant fondre et en extrudant un filament thermoplastique, qu'une buse d'imprimante dépose couche par couche dans la zone de construction.

La FDM est la forme d'impression 3D la plus largement utilisée au niveau du consommateur, alimentée par l'émergence d'imprimantes 3D pour amateurs. Cependant, les imprimantes FDM professionnelles sont également populaires auprès des concepteurs et des ingénieurs.

La FDM a la résolution et la précision les plus faibles par rapport aux autres processus d'impression 3D plastique et n'est pas la meilleure option pour imprimer des conceptions complexes ou des pièces avec des caractéristiques complexes. Des finitions de meilleure qualité peuvent être obtenues par des procédés de polissage chimique et mécanique. Certaines imprimantes 3D FDM professionnelles utilisent des supports solubles pour atténuer certains de ces problèmes.

Le FDM fonctionne avec une gamme de thermoplastiques standard, tels que l'ABS, le PLA et leurs divers mélanges, tandis que les imprimantes FDM plus avancées offrent également une gamme plus large de thermoplastiques techniques ou même de composites. Pour le prototypage rapide, les imprimantes FDM sont particulièrement utiles pour produire des pièces simples, telles que des pièces qui peuvent généralement être usinées.

Stéréolithographie (SLA)

Les imprimantes 3D SLA utilisent un laser pour durcir la résine liquide en plastique durci dans un processus appelé photopolymérisation. Le SLA est l'un des processus les plus populaires parmi les professionnels en raison de sa haute résolution, de sa précision et de la polyvalence des matériaux.

Un prototype rapide imprimé en 3D d'une montre produite à l'aide de l'imprimante 3D Form 3 SLA à côté du produit final.

Les pièces SLA ont la résolution et la précision les plus élevées, les détails les plus clairs et la finition de surface la plus lisse de toutes les technologies d'impression 3D sur plastique, faisant de la SLA une excellente option pour les prototypes d'apparence haute fidélité et les prototypes fonctionnels qui nécessitent des tolérances strictes.

Cependant, le principal avantage du SLA réside dans la polyvalence de sa bibliothèque de résines. Les fabricants de matériaux ont créé des formulations innovantes de résine photopolymère SLA avec une large gamme de propriétés optiques, mécaniques et thermiques pour correspondre à celles des thermoplastiques standard, techniques et industriels.

Avec Draft Resin, l'impression 3D SLA est également l'un des outils de prototypage les plus rapides, jusqu'à 10 fois plus rapide que l'impression 3D FDM.

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Frittage laser sélectif (SLS)

Le frittage laser sélectif est la technologie de fabrication additive la plus courante pour les applications industrielles, à laquelle les ingénieurs et les fabricants de différents secteurs font confiance pour sa capacité à produire des pièces solides et fonctionnelles.

Les imprimantes 3D SLS utilisent un laser haute puissance pour fusionner de petites particules de poudre de polymère. La poudre non fondue soutient la pièce pendant l'impression et élimine le besoin de structures de support dédiées. Cela rend SLS idéal pour les géométries complexes, y compris les éléments intérieurs, les contre-dépouilles, les parois minces et les éléments négatifs. Les pièces produites avec l'impression SLS ont d'excellentes caractéristiques mécaniques, avec une résistance semblable à celle des pièces moulées par injection.

L'impression 3D SLS peut produire des prototypes fonctionnels solides et fonctionnels et des prototypes d'ingénierie pour des tests fonctionnels rigoureux des produits.

Dans le prototypage rapide, l'impression 3D SLS est principalement utilisée pour les prototypes de travaux et les prototypes d'ingénierie pour des tests fonctionnels rigoureux des produits (par exemple :conduits, supports) et les commentaires des clients sur le terrain.

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Outils CNC

Les outils à commande numérique par ordinateur (CNC), contrairement au FDM, au SLA ou au SLS, sont des processus de fabrication soustractifs. Ils commencent par des blocs solides, des barres ou des tiges de plastique, de métal ou d'autres matériaux qui sont façonnés en enlevant de la matière par coupe, perçage, perçage et meulage.

Les outils CNC incluent l'usinage CNC, qui enlève de la matière soit à l'aide d'un outil de filage et d'une pièce fixe (fraisage), soit d'une pièce de filage avec un outil fixe (tour). Les découpeuses au laser utilisent un laser pour graver ou couper à travers une large gamme de matériaux avec une grande précision. Les découpeuses à jet d'eau utilisent de l'eau mélangée à de l'abrasif et à haute pression pour couper pratiquement n'importe quel matériau. Les fraiseuses et tours CNC peuvent avoir plusieurs axes, ce qui leur permet de gérer des conceptions plus complexes. Les découpeuses au laser et au jet d'eau sont plus adaptées aux pièces plates.

Les outils CNC peuvent façonner des pièces en plastique, métaux mous, métaux durs (machines industrielles), bois, acrylique, pierre, verre, composites. Par rapport aux outils de fabrication additive, les outils CNC sont plus compliqués à configurer et à utiliser, tandis que certains matériaux et conceptions peuvent nécessiter un outillage, une manipulation, un positionnement et un traitement spéciaux, ce qui les rend coûteux pour les pièces uniques par rapport aux processus additifs.

Dans le prototypage rapide, ce sont des conceptions simples idéales, des pièces structurelles, des composants métalliques et d'autres pièces qui ne sont pas réalisables ou rentables à produire avec des outils additifs.

Comparaison rapide des outils de prototypage

	Modélisation des dépôts de fusion (FDM)	Stéréolithographie (SLA)	Frittage laser sélectif (SLS)	Outils CNC
Résolution	★★☆☆☆	★★★★★	★★★★☆	★★★★★
Précision	★★★★☆	★★★★★	★★★★★	★★★★★
Finition de surface	★★☆☆☆	★★★★★	★★★★☆	★★★★★
Facilité d'utilisation	★★★★★	★★★★★	★★★★☆	★★★☆☆
Conceptions complexes	★★★☆☆	★★★★☆	★★★★★	★★★☆☆
Volume de génération	Jusqu'à 300 x 300 x 600 mm (imprimantes 3D de bureau et de paillasse)	Jusqu'à 300 x 335 x 200 mm (imprimantes 3D de bureau et de paillasse)	Jusqu'à 165 x 165 x 300 mm (imprimantes 3D industrielles de paillasse)	Selon l'outil
Matériaux	Les thermoplastiques standard, tels que l'ABS, le PLA et leurs divers mélanges.	Variétés de résine (plastiques thermodurcissables). Standard, technique (de type ABS, PP, silicone, flexible, résistant à la chaleur, rigide), coulable, dentaire et médical (biocompatible).	Les thermoplastiques techniques, généralement le nylon et ses composites (le nylon 12 est biocompatible + compatible avec la stérilisation).	Plastiques, métaux mous, métaux durs (machines industrielles), bois, acrylique, pierre, verre, composites.
Applications	Modèles de preuve de concept de base, prototypage à faible coût de pièces simples.	Quick prototypes, high-fidelity looks-like prototypes and functional works-like prototypes requiring tight tolerances and smooth surfaces.	Complex geometries, functional works-like prototypes and engineering prototypes.	Simple designs, structural parts, metal components.
Price Range	Budget printers and 3D printer kits start at a few hundred dollars. Higher quality mid-range desktop printers start around $2,000, and industrial systems are available from $15,000.	Professional desktop printers start at $3,500, large-format benchtop printers at $11,000, and large-scale industrial machines are available from $80,000.	Benchtop industrial systems start at $18,500, and traditional industrial printers are available from $100,000.	Small CNC machines start around $2,000, but professional tools go well beyond that. Basic engravers are available for less than $500, while mid-range laser cutters start around $3,500. Water jet cutters start around $20,000.

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