L'impression 3D peut-elle remplacer le moulage par injection ? Pourquoi ce n'est pas prêt d'arriver

Si vous avez lu les actualités au moins une fois dans la dernière décennie, vous connaissez la soi-disant révolution de l'impression 3D. Bien que la fabrication additive soit utilisée dans l'industrie depuis les années 1980, elle n'était pas largement accessible aux amateurs jusqu'à récemment.

La création du projet RepRap, en plus de l'expiration de plusieurs brevets, a permis une baisse accélérée du coût des imprimantes 3D loisir.

Maintenant que presque tout le monde peut mettre la main sur une imprimante 3D, beaucoup se demandent quelles sont les limites de cette technologie, et surtout si elle va éventuellement remplacer les méthodes de production traditionnelles comme le moulage par injection.

Bien que l'impression 3D ait définitivement sa place dans l'espace industriel, elle ne va pas remplacer la production traditionnelle par moulage-injection, du moins dans les années à venir. Les deux technologies ont leurs avantages et inconvénients et peuvent surpasser l'autre dans des domaines spécifiques. Alors que l'impression 3D est excellente pour les petites séries et la création de prototypes, le moulage par injection reste le plus rentable pour les grandes productions.

Du fait du coût inférieur des matériaux et de l'efficacité énergétique du moulage par injection, c'est la technologie de production recommandée quand on produit plus d'environ 100 kg d'unités en plastique du même produit.

Pourquoi l'impression 3D est-elle plus chère que le moulage par injection ?

En supposant que vous ayez déjà un moule pour commencer la production, le moulage par injection est beaucoup moins cher que l'impression 3D par unité. Cela est dû au coût réel du plastique pour les deux techniques et à l'efficacité énergétique de chaque technologie.

Efficacité énergétique : impression 3D vs moulage par injection

La consommation moyenne d'une imprimante 3D en fonctionnement à 200 °C avec plateau chauffant à 60 °C est d'environ 125 W/h. Cela signifie que l'impression 3D consomme en moyenne 9,61 kW par kilogramme de plastique, alors qu'on n'aurait besoin que de 1,5 kW en moyenne pour produire la même quantité via moulage par injection.

Avec un tarif moyen de 13 cents par kW/h (prix raisonnable aux USA), le coût de production d'1 kg de plastique devient 1,25 $ pour l'impression 3D et 0,19 $ pour le moulage par injection.

Bien que ces chiffres soient une approximation brute, et que le coût exact dépende de la machine spécifique et des modèles produits, on peut conclure que le moulage par injection est plus efficace énergétiquement pour un rendement similaire (par un facteur de plus de 6).

Les estimations de consommation électrique sont basées sur nos propres mesures d'une Ender 3 v2 (consultez l'article de Facundo sur le sujet). Vous avez deviné que ni lui ni moi n'avons de machine de moulage par injection à la maison, donc j'ai basé ces calculs sur une moyenne de plusieurs sources fiables.

Coût du plastique : impression 3D vs moulage par injection

Le coût par kilogramme de matériau pour imprimantes 3D est environ 20 fois plus cher que les granulés plastiques utilisés pour le moulage par injection.

Si vous avez déjà acheté du filament, vous conviendrez qu'il n'est pas rare de payer 20 $ pour une bobine de PLA ou ABS. Comparez ça au coût moyen de 1 $ pour un kilogramme de granulés ABS et on comprend pourquoi la plupart de nos appareils quotidiens ne sont pas imprimés en 3D.

Le moulage par injection est-il toujours moins cher que l'impression 3D ?

Bien qu'on ait déterminé que le moulage par injection est bien plus rentable pour produire de grandes quantités, les imprimantes 3D ont aussi leur place dans l'industrie.

Souvent, il n'est nécessaire de produire qu'une petite à moyenne série d'un produit. Cela peut être un prototype ou un produit pour un marché de niche avec demande limitée.

Pour de petites quantités, le coût du moule lui-même est très important. En gros, un moule monocavité (simple) peut coûter entre 1 000 et 2 000 $, alors que les grands et complexes peuvent coûter jusqu'à 75 000 $.

Demander le prix d'un moule, c'est comme demander le prix d'une voiture : l'éventail est énorme. La valeur de ma voiture est probablement inférieure au prix d'une Ferrari. Néanmoins, pour comparer les deux technologies, je comparerai en supposant un coût de moule de 10 000 $.

Comme on le voit sur le graphique ci-dessous, le moulage par injection devient plus rentable que l'impression 3D à environ 500 kg d'articles produits.

Ce point d'inflexion (500 kg) dépend grandement du coût du moule. Si on refait les calculs avec un moule à 2 000 $ (moule monocavité simple), on devrait passer de l'impression 3D au moulage par injection à environ 100 kg.

Quand dois-je utiliser une imprimante 3D au lieu du moulage par injection ?

La fabrication additive est plus pratique quand la production requise n'est que de quelques dizaines de kilogrammes. Elle est aussi recommandée pour le prototypage rapide de nouveaux modèles, car elle permet aux designers d'itérer et d'optimiser sans coûts significatifs.

La technologie d'impression 3D permet aussi de concevoir des formes impossibles à produire avec les méthodes traditionnelles. La Tour Eiffel suivante que j'ai imprimée avec ma Ender 3 v2 est impossible à produire par moulage par injection.

L'impression 3D est-elle plus lente que le moulage par injection ?

Une imprimante 3D est définitivement plus lente qu'une machine de moulage par injection. Par exemple, il n'est pas rare que ces machines produisent jusqu'à 3 000 bouchons de bouteille par heure. Une imprimante 3D sortirait une unité du même article en environ 15 minutes, ce qui signifie qu'il faudrait 750 imprimantes pour égaler le même taux. À l'inverse, on pourrait aussi attendre 750 heures pour imprimer la même quantité.

Cela dit, une imprimante 3D est définitivement plus rapide et pratique pour les itérations rapides et petites séries. C'est aussi très pratique pendant le prototypage. Grâce à la fabrication additive, on peut faire des sprints de conception séquentiels et optimiser rapidement nos modèles, chose impossible avec le moulage par injection.

Le plus important : la fabrication d'un moule peut prendre jusqu'à 10 semaines, ce qui signifie qu'il faudrait attendre au moins ça pour voir notre première unité produite. De l'autre côté, si on a déjà le G-Code de notre design sur une clé USB, on peut s'attendre à avoir notre premier article le jour même.

Le plastique d'impression 3D est-il le même que celui du moulage par injection ?

Les machines d'impression 3D utilisent des bobines de filament pour produire les unités désirées, alors que le moulage par injection utilise généralement du plastique sous forme de petits granulés. Cela dit, certains thermoplastiques sont utilisés dans les deux technologies.

Le polystyrène (HIPS), l'ABS et le Nylon sont des matériaux populaires dans les deux. Le PLA est le choix le plus populaire en impression 3D, mais a presque aucun cas d'usage en moulage par injection.

D'autres plastiques courants en moulage par injection sont l'acrylique, le polypropylène, le polyéthylène, entre autres. Ceux-ci ne sont pas compatibles avec les imprimantes de bureau amateurs, principalement à cause des hautes températures d'extrusion requises.

Les imprimantes 3D industrielles, comme celles de Stratasys ou 3D Systems, sont compatibles avec la plupart des thermoplastiques. Petit bémol : elles coûtent quelques centaines de milliers de dollars.

Avantages et inconvénients de l'impression 3D et du moulage par injection

Les deux technologies ont leurs applications où elles surpassent l'autre, donc les deux techniques seront utilisées dans les années (ou décennies) à venir.

Bien qu'on ait déjà couvert la plupart des avantages et inconvénients, résumons-les rapidement.

Avantages de l'impression 3D sur le moulage par injection

• Permet itérations rapides et améliorations de design
• Parfaitement adaptée aux petites et moyennes séries
• Permet des pièces uniques personnalisées
• Permet formes et designs impossibles avec d'autres technologies
• Ne nécessite pas de coûts initiaux (moule)
• Adaptée aux amateurs et prosumers

Avantages du moulage par injection sur l'impression 3D

• Très rentable pour grandes quantités
• Consomme moins d'électricité par kg de plastique
• Produit des pièces de haute qualité avec détails fins
• Grandes quantités d'unités produites par heure
• Compatible avec une large gamme de thermoplastiques
• Pièces plus solides et résistantes

Conclusion

En résumé, l'impression 3D ne remplacera pas les techniques traditionnelles de moulage par injection. Le fait que les imprimantes 3D d'aujourd'hui ne puissent atteindre la même qualité et robustesse qu'on attend de pièces moulées pose un énorme désavantage à la fabrication additive. De plus, la technologie elle-même ne permet pas les taux de production incroyables atteignables avec les méthodes traditionnelles.

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