Prototypage rapide expliqué : types, processus et avantages

Qu'est-ce que le prototypage rapide ?

Le prototypage rapide est la fabrication rapide d'une pièce physique, d'un modèle ou d'un assemblage à l'aide de la conception assistée par ordinateur (CAO) en 3D. La création de la pièce, du modèle ou de l'assemblage est généralement réalisée par fabrication additive, plus communément appelée impression 3D.

Le prototypage rapide est le processus de création d'un objet permettant d'évaluer rapidement un produit. En ingénierie, un prototype est une version précoce d'un produit. Le prototypage rapide permet aux entreprises de tester et d'analyser la technologie.

Lorsque la conception correspond étroitement au produit final proposé, on parle de prototype à haute fidélité, par opposition à un prototype à basse fidélité où il existe une différence marquée entre le prototype et le produit final.

En d'autres termes, le prototypage rapide est une méthode de test. Vous pouvez analyser l'avenir d'un produit et son succès auprès des clients. L'analyse indiquera ainsi s'il fonctionnera bien. Les entreprises utilisent ce processus à chaque phase du développement de produit.

L'efficacité rend le processus moins coûteux et plus rapide. Cela laisse plus de marge pour la flexibilité et l'erreur lors de la création d'un produit. À long terme, cela s'avère plus avantageux que d'autres méthodes.

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Il y a trois étapes principales dans le prototypage rapide. La première consiste à créer le prototype en développant une solution que l'entreprise pourra tester.

L'étape suivante est la revue. De nombreuses entreprises partagent le prototype avec leurs utilisateurs et parties prenantes pour obtenir des retours et ainsi améliorer le produit pour leurs clients.

La dernière étape est l'affinement. En fonction des retours reçus, l'entreprise peut réparer ou modifier le produit, ce qui aidera également à améliorer les futurs designs.

Comment fonctionne le prototypage rapide ?

Le prototypage rapide, également connu sous le nom d'impression 3D, est une technologie de fabrication additive. Le processus commence par la récupération d'un design virtuel issu d'un logiciel de modélisation ou de conception assistée par ordinateur (CAO). La machine d'impression 3D lit les données du dessin CAO et dépose des couches successives de liquide, de poudre ou de matériau en feuille, construisant le modèle physique à partir d'une série de sections transversales.

Ces couches, qui correspondent aux sections transversales virtuelles du modèle CAO, sont automatiquement jointes pour créer la forme finale.

Le prototypage rapide utilise une interface de données standard, implémentée sous le format de fichier STL, pour traduire les données du logiciel CAO vers la machine de prototypage 3D. Le fichier STL approxime la forme d'une pièce ou d'un assemblage à l'aide de facettes triangulaires.

Généralement, les systèmes de prototypage rapide peuvent produire des modèles 3D en quelques heures. Toutefois, cela peut varier considérablement selon le type de machine utilisé, la taille et le nombre de modèles produits.

Bien que la fabrication additive soit le processus de prototypage rapide le plus courant, d'autres méthodes plus conventionnelles peuvent être utilisées pour créer des prototypes.

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Ces processus incluent :

• Soustractif – Usinage par enlèvement de matière (fraise, meulage, tournage) à partir d'un bloc pour obtenir la forme souhaitée.
• Compressif – Mise en forme par pressage d'un matériau semi-solide ou liquide avant solidification, par exemple par moulage, frittage compressif ou moulage.

Différents types de prototypage rapide

Types de techniques de prototypage rapide :

• Stéréolithographie (SLA)
• Frittage sélectif par laser (SLS)
• Frittage sélectif par laser direct de métal (DMLS)
• Modélisation par dépôt de fil fondu (FDM)
• Jet de liant (Binder Jetting)
• PolyJet

Il existe des dizaines de façons de fabriquer des prototypes. À mesure que les processus de prototypage évoluent, les concepteurs cherchent constamment à déterminer quelle méthode ou technologie convient le mieux à leur application spécifique.

1. Stéréolithographie (SLA) ou photopolymérisation en cuve

Cette technique rapide et peu coûteuse a été la première méthode commerciale réussie d'impression 3D. Un bain de liquide photosensible est solidifié couche par couche à l'aide d'une lumière ultraviolette (UV) contrôlée par ordinateur.

La SLA est un procédé d'impression 3D industriel, ou de fabrication additive, qui construit des pièces dans une cuve de résine photopolymère durcissable aux UV à l'aide d'un laser contrôlé par ordinateur. Le laser trace et durcit une section transversale du design de la pièce à la surface de la résine liquide.

La couche solidifiée est ensuite abaissée juste sous la surface de la résine liquide et le processus est répété. Chaque nouvelle couche durcie adhère à la couche inférieure. Ce processus se poursuit jusqu'à l'achèvement de la pièce.

Avantages : Pour les modèles de concept, les prototypes esthétiques et les designs complexes, la SLA peut produire des pièces aux géométries complexes et aux finitions de surface excellentes par rapport aux autres procédés additifs. Le coût est compétitif et la technologie est disponible auprès de plusieurs fournisseurs.

Inconvénients : Les pièces prototypes peuvent ne pas être aussi résistantes que celles faites en résines de qualité ingénierie, limitant leur utilisation pour les tests fonctionnels. De plus, bien que les pièces subissent un cycle UV pour solidifier la surface externe, les pièces SLA doivent être utilisées avec une exposition minimale aux UV et à l'humidité pour éviter leur dégradation.

2. Frittage sélectif par laser (SLS)

Utilisé pour le prototypage métal et plastique, le SLS utilise un lit de poudre pour créer un prototype couche par couche avec un laser qui chauffe et fritte la poudre. Cependant, la résistance des pièces n'est pas aussi bonne qu'en SLA, tandis que la surface du produit fini est généralement rugueuse et un travail secondaire peut être nécessaire.

Durant le processus SLS, un laser CO2 contrôlé par ordinateur trace sur un lit chaud de poudre à base de nylon, du bas vers le haut, où il fritte légèrement (soude) la poudre en un solide. Après chaque couche, un rouleau dépose une nouvelle couche de poudre sur le lit, et le processus se répète.

Le SLS utilise des poudres de nylon rigide ou de TPU élastomère similaires aux thermoplastiques d'ingénierie réels, donc les pièces présentent une plus grande ténacité et sont précises, mais ont une surface rugueuse et manquent de détails fins. Le SLS offre un grand volume de construction, peut produire des pièces aux géométries très complexes et créer des prototypes durables.

Avantages : Les pièces SLS tendent à être plus précises et durables que les pièces SLA. Le processus peut fabriquer des pièces durables aux géométries complexes et convient à certains tests fonctionnels.

Inconvénients : Les pièces ont une texture granuleuse ou sablonneuse et le processus offre un choix limité de résines.

3. Frittage sélectif par laser direct de métal (DMLS)

Le DMLS est une technologie de fabrication additive qui produit des prototypes métalliques et des pièces fonctionnelles finales. Le DMLS utilise un système laser qui trace sur une surface de poudre métallique atomisée. Là où il trace, il soude la poudre en un solide.

Après chaque couche, une lame ajoute une nouvelle couche de poudre et répète le processus. Le DMLS peut utiliser la plupart des alliages, permettant aux prototypes d'être des pièces matérielles à pleine résistance, fonctionnelles, faites du même matériau que les composants de production.

Il a également le potentiel, s'il est conçu en tenant compte de la fabricabilité, de transitionner vers le moulage par injection de métal lorsque une production accrue est nécessaire.

Avantages : Le DMLS produit des prototypes résistants (généralement 97 % de densité) à partir d'une variété de métaux utilisables pour les tests fonctionnels. Comme les composants sont construits couche par couche, il est possible de concevoir des caractéristiques et passages internes qui ne pourraient pas être moulés ou usinés autrement. Les propriétés mécaniques des pièces sont égales à celles des pièces formées conventionnellement.

Inconvénients : Si l'on produit plus de quelques pièces DMLS, les coûts peuvent augmenter. En raison de l'origine en poudre métallique du procédé direct métal, la finition de surface de ces pièces est légèrement rugueuse. Le processus lui-même est relativement lent et nécessite généralement un post-traitement coûteux.

4. Modélisation par dépôt de fil fondu (FDM) ou jet de matériau

Ce processus peu coûteux et facile à utiliser se trouve dans la plupart des imprimantes 3D de bureau non industrielles. Une bobine de filament thermoplastique est fondue dans une buse de extrusion sous pression avant que le plastique liquide résultant ne soit déposé couche par couche selon un programme de dépôt informatique.

Alors que les premiers résultats avaient généralement une faible résolution et étaient médiocres, ce processus s'améliore rapidement et est rapide et bon marché, le rendant idéal pour le développement de produits.

Le FDM utilise une méthode d'extrusion qui fond et re-solidifie de la résine thermoplastique (ABS, polycarbonate, ou mélange ABS/polycarbonate) en couches pour former un prototype fini. Comme il utilise de vraies résines thermoplastiques, il est plus résistant que le jet de liant et peut avoir une utilisation limitée pour les tests fonctionnels.

Avantages : Les pièces FDM sont modérément prix, relativement résistantes, et peuvent convenir à certains tests fonctionnels. Le processus peut fabriquer des pièces aux géométries complexes.

Inconvénients : Les pièces ont une finition de surface médiocre, avec un effet ondulé prononcé. C'est aussi un processus additif plus lent que la SLA ou le SLS et a une adéquation limitée pour les tests fonctionnels.

6. Moulage par injection rapide

Le moulage par injection rapide fonctionne en injectant des résines thermoplastiques dans un moule, comme dans le moulage par injection de production. Ce qui rend le processus « rapide » est la technologie utilisée pour produire le moule, souvent en aluminium au lieu de l'acier traditionnel utilisé dans les moules de production.

Les pièces moulées sont résistantes et ont d'excellentes finitions. C'est aussi le processus de production standard pour les pièces en plastique, il y a donc des avantages inhérents à prototyper dans le même processus si la situation le permet.

Presque tout plastique de qualité ingénierie ou caoutchouc silicone liquide (LSR) peut être utilisé, libérant le concepteur des limitations de matériaux du processus de prototypage.

Avantages : Les pièces moulées sont faites d'une gamme de matériaux de qualité ingénierie, ont une excellente finition de surface, et sont un excellent prédicteur de la fabricabilité pendant la phase de production.

Inconvénients : Il y a un coût initial d'outillage associé au moulage par injection rapide qui n'existe pas avec les procédés additifs ou l'usinage CNC. Donc, dans la plupart des cas, il est judicieux de faire un ou deux tours de prototypes rapides (soustractifs ou additifs) pour vérifier l'ajustement et la fonction avant de passer au moulage par injection.

7. Jet de liant (Binder Jetting)

Cette technique permet d'imprimer une ou plusieurs pièces à la fois, bien que les pièces fabriquées ne soient pas aussi solides que celles faites en SLS. Le jet de liant utilise un lit de poudre sur lequel des buses pulvérisent de micro-gouttelettes de liquide pour lier les particules de poudre et former une couche de la pièce.

Chaque couche peut ensuite être compactée par un rouleau avant l'application de la couche suivante de poudre et le processus recommence. Lorsque la pièce est terminée, elle peut être durcie dans un four pour brûler le liant et fusionner la poudre en une pièce intégrale.

8. PolyJet

PolyJet utilise une tête d'impression pour pulvériser des couches de résine photopolymère qui sont durcies les unes après les autres à l'aide de lumière ultraviolette. Les couches sont très fines, permettant une résolution de qualité. Le matériau est supporté par une matrice de gel qui est retirée après l'achèvement de la pièce. Des pièces élastomères sont possibles avec PolyJet.

Avantages : Ce processus est modérément prix, peut prototyper des pièces surmoulées avec des matériaux flexibles et rigides, peut produire des pièces en plusieurs options de couleurs, et duplique facilement les géométries complexes.

Inconvénients : Les pièces PolyJet ont une résistance limitée (comparable à la SLA) et ne conviennent pas aux tests fonctionnels. Bien que PolyJet puisse fabriquer des pièces aux géométries complexes, il ne donne aucune indication sur la fabricabilité éventuelle du design. De plus, les couleurs peuvent jaunir sous l'effet de la lumière au fil du temps.

Comparaison des procédés de prototypage

PROCÉDÉ	DESCRIPTION	RÉSISTANCE	FINITION	MATERIAUX EXEMPLES
Stéréolithographie	Photopolymère durci au laser	2 500-10 000 psi (17,2-68,9 MPa)	Couches additives de 0,002-0,006 po (0,051-0,152 mm) typiques	Photopolymères semblables aux thermoplastiques
Frittage sélectif par laser	Poudre frittée au laser	5 300-11 300 psi (36,5-77,9 MPa)	Couches additives de 0,004 po (0,102 mm) typiques	Nylon, TPU
Frittage laser direct de métal	Poudre métallique frittée au laser	37 700-190 000 psi	Couches additives de 0,0008-0,0012 po (0,020-0,030 mm) typiques	Acier inoxydable, titane, chrome, aluminium, Inconel
Modélisation par dépôt fondu	Extrusions fondues	5 200-9 800 psi (35,9-67,6 MPa)	Couches additives de 0,005-0,013 po (0,127-0,330 mm) typiques	ABS, PC, PC/ABS, PPSU
Multi Jet Fusion	Réseau jet d'encre fusionnant sélectivement un lit de poudre de nylon	6 960 psi (48 MPa)	Couches additives de 0,0035-0,008 po (0,089-0,203 mm) typiques	Nylon 12 noir
PolyJet	Photopolymère jeté durci aux UV	7 200-8 750 psi (49,6-60,3 MPa)	Couches additives de 0,0006-0,0012 po (0,015-0,030 mm) typiques	Photopolymères à base d'acrylique, photopolymères élastomères
Usinage à commande numérique	Usiné avec fraiseuses et tours CNC	3 000-20 000 psi (20,7-137,9 MPa)	Usiné soustractif (lisse)	La plupart des thermoplastiques et métaux courants et de qualité ingénierie
Moulage par injection	Moulé par injection avec outillage en aluminium	3 100-20 000 psi (21,4-137,9 MPa)	Moulé lisse (ou avec texture sélectionnée)	La plupart des thermoplastiques et métaux de qualité ingénierie, caoutchouc silicone liquide

Pourquoi le prototypage rapide est-il important ?

Dans ce marché de consommation moderne au rythme effréné, les entreprises doivent développer et lancer de nouveaux produits plus vite pour rester compétitives. Comme le développement de produits plus rapide et l'innovation technologique sont les clés du succès d'une entreprise, le prototypage rapide devient l'élément le plus important dans le développement de nouveaux produits. Les objectifs suivants sont atteints grâce au prototypage rapide :

• Développement de nouveaux produits plus rapide – Le prototypage joue un rôle vital dans la création de produits réussis car il accélère le processus de développement
• Validation précoce de la conception/concept de la forme, de l'ajustement et de la fonction du design
• Vérification finale du produit par rapport aux exigences techniques et objectifs commerciaux
• Permet les tests de fonctionnalité pour valider les objectifs du concept et finaliser les spécifications
• Le prototype donne à l'utilisateur final, client, participants une expérience pratique pour obtenir des retours

Applications

Les concepteurs de produits utilisent ce processus pour la fabrication rapide de pièces prototypes représentatives. Cela peut aider à la visualisation, la conception et le développement du processus de fabrication avant la production en série.

À l'origine, le prototypage rapide était utilisé pour créer des pièces et modèles à l'échelle pour l'industrie automobile, bien qu'il ait depuis été adopté par une grande variété d'applications dans divers secteurs tels que le médical et l'aérospatial.

L'outillage rapide est une autre application du RP où une pièce issue d'un bouchon moulé par injection ou d'un coin de capteur ultrasonique est fabriquée et utilisée comme outil dans un autre processus.

Avantages du prototypage rapide

• Temps de conception et développement réduit
• Coût global de développement produit réduit
• Élimination ou réduction des risques
• Permet les tests de fonctionnalité
• Implication utilisateur améliorée et accrue
• Capacité d'évaluer les facteurs humains et l'ergonomie

Inconvénients du prototypage rapide

• Manque de précision
• Coûts initiaux supplémentaires
• Certains processus de prototypage rapide sont encore coûteux et pas économiques
• Propriétés matériaux comme la finition de surface et la résistance ne peuvent pas être égalées
• Nécessite de la main-d'œuvre qualifiée
• La gamme de matériaux utilisables est limitée
• Oubli de certaines caractéristiques clés car elles ne peuvent pas être prototypées
• Confusion de l'utilisateur final, clients le prenant pour le projet fini / incompréhension des objectifs utilisateur par le développeur

FAQ

Qu'est-ce que le prototypage rapide ?

Le prototypage rapide est la fabrication rapide d'une pièce physique, d'un modèle ou d'un assemblage à l'aide de la conception assistée par ordinateur (CAO) en 3D. La création est généralement réalisée par fabrication additive, plus communément appelée impression 3D.

Comment fonctionne le prototypage rapide ?

Le prototypage rapide, aussi appelé impression 3D, est une technologie de fabrication additive. La machine lit les données du dessin CAO et dépose des couches successives de liquide, poudre ou matériau en feuille, construisant le modèle physique à partir de sections transversales.

Quels sont les différents types de prototypage rapide ?

Différents types de prototypage rapide :

1. Stéréolithographie (SLA) ou photopolymérisation en cuve.
2. Frittage sélectif par laser (SLS)
3. Modélisation par dépôt de fil fondu (FDM) ou jet de matériau.
4. Fusion sélective par laser (SLM) ou fusion sur lit de poudre.
5. Fabrication d'objets stratifiés (LOM) ou stratification de feuilles.

Quel est un exemple de prototypage rapide ?

Un exemple courant et fréquemment utilisé de prototypage rapide est l'impression 3D. La possibilité de produire rapidement un modèle 3D avec cette variante d'impression permet d'économiser beaucoup de temps et de coûts dans le processus de production.

Où le prototypage rapide est-il utilisé ?

Le prototypage rapide peut être utilisé à n'importe quelle étape du cycle de développement produit pour n'importe quels composants ou sous-composants. Le prototypage peut être répété de nombreuses fois tout au long du processus de conception de nouveau produit en utilisant les données de test pour obtenir la pièce désirée.

Comment fonctionne le prototypage rapide ?

Le prototypage rapide utilise une interface de données standard, implémentée sous le format de fichier STL, pour traduire du logiciel CAO vers la machine de prototypage 3D. Le fichier STL approxime la forme d'une pièce ou assemblage à l'aide de facettes triangulaires. Typiquement, les systèmes peuvent produire des modèles 3D en quelques heures.

Qu'est-ce que le prototypage rapide et ses caractéristiques ?

Le prototypage rapide est une stratégie agile utilisée tout au long du processus de développement produit. Avec cette approche, des prototypes 3D d'un produit ou fonctionnalité sont créés et testés pour optimiser des caractéristiques comme la forme, la taille et l'utilisabilité globale.

Quel est le principal avantage du prototypage rapide ?

Le prototypage rapide offre aux équipes d'ingénierie, design et développement des avantages distincts tels que : la capacité d'explorer et concrétiser des concepts plus rapidement. Cette efficacité en temps et coût permet aux équipes d'aller au-delà de la simple visualisation d'un produit, facilitant la compréhension de ses propriétés et design.

D'où vient le prototypage rapide ?

Le prototypage rapide au sens moderne a ses origines dans l'impression 3D, développée dans les années 1980 comme une nouvelle façon innovante de produire des prototypes. Depuis, le prototypage rapide a élargi sa signification pour couvrir une gamme de techniques de fabrication, chacune axée sur une étape différente du développement produit.

Qu'est-ce que la chaîne de processus de prototypage rapide ?

La chaîne de processus de prototypage rapide présentée ici commence par la conception des composants en modèles CAO tridimensionnels. Les modèles maîtres sont réalisés en pièces polymères par techniques RP puis copiés dans des moules en caoutchouc silicone pour être directement utilisés comme outils pour le moulage par injection basse pression.

Le prototypage rapide est-il la même chose que l'impression 3D ?

Le terme prototypage rapide diffère de l'impression 3D/fabrication additive. Le prototypage rapide est la technique de fabrication d'un modèle prototype à partir d'un fichier CAO. En d'autres termes, l'impression 3D/fabrication additive est le processus, et le prototypage rapide est le résultat final.

Qu'est-ce que le prototypage rapide dans le développement produit ?

Le prototypage rapide est l'ensemble des techniques utilisées pour fabriquer rapidement un modèle à l'échelle d'une pièce physique ou assemblage utilisant des données de conception assistée par ordinateur (CAO) tridimensionnelles. En utilisant l'impression 3D, les concepteurs peuvent itérer rapidement entre designs numériques et prototypes physiques, et atteindre la production plus vite.

Quels sont les inconvénients du prototypage ?

Inconvénients de l'utilisation du modèle prototype :

• Ce modèle est coûteux.
• Il a une mauvaise documentation en raison des exigences client en changement constant.
• Il peut y avoir trop de variations dans les exigences.
• Les clients demandent parfois le produit réel peu de temps après avoir vu un prototype précoce.

Quelle est la différence entre prototypage et prototypage rapide ?

Ce qui prenait plusieurs semaines avec le prototypage traditionnel ne prend maintenant que quelques heures avec le RP. En général, le prototypage rapide est idéal pour les projets nécessitant plusieurs modifications de design ou ajustements de composants. Il est aussi plus adapté aux géométries complexes et délais serrés.

Quels sont les types de prototypage rapide ?

Voici les types de technologies de prototypage rapide disponibles pour les concepteurs de produits d'ingénierie : Fabrication additive – Stéréolithographie (SLA), Frittage sélectif par laser (SLS), Frittage laser direct de métal (DMLS), Modélisation par dépôt de fil fondu (FDM), MJF, Jet de liant, et PolyJet.

Quelles sont les applications du prototypage rapide ?

Le prototypage rapide est largement utilisé pour la planification chirurgicale, le diagnostic, la formation, et la conception et fabrication d'implants personnalisés. La conception et fabrication assistées par ordinateur 3D sont aussi utilisées pour la conception et le développement de nouveaux produits médicaux. Elles raccourcissent le temps de mise sur le marché et aident la recherche.

Qui a inventé le prototypage rapide ?

Le prototypage rapide au sens moderne est souvent considéré comme ayant été inventé dans les années 1980 par Hideo Kodama et Charles Hull avec le développement de l'impression 3D.

Quels sont les matériaux utilisés dans le prototypage rapide ?

De nouveaux matériaux de prototype sont constamment développés pour mieux correspondre aux spécifications des matériaux de production finale. ABS, acrylique, polyphénylsulfone, polycarbonate et nylon ne sont que quelques-uns couramment utilisés, offrant fonctionnalité, durabilité et résistance exceptionnelles.

Quelle est la différence entre fabrication additive et prototypage rapide ?

Le prototypage rapide signifie produire un prototype rapidement. La fabrication additive désigne tout processus de fabrication qui fabrique des produits en ajoutant progressivement des matériaux.

Qu'est-ce que le processus de fabrication rapide ?

Le terme fabrication rapide résume différentes méthodes et processus de fabrication servant la production rapide et flexible de prototypes et pièces de série. On entend que la production impliquera l'utilisation d'outils non conventionnels lisant directement les données CAO disponibles.

Quels polymères sont utilisés dans le prototypage rapide ?

Le polydiméthylsiloxane (PDMS) a été la référence pour le prototypage rapide dans la communauté académique microfluidique, en raison de son faible coût, robustesse et fabrication simple, particulièrement avantageux aux stades exploratoires de la recherche.

Quelle est la différence entre prototypage et prototypage rapide ?

Ce qui prenait plusieurs semaines avec le prototypage traditionnel ne prend maintenant que quelques heures avec le RP. En général, le prototypage rapide est idéal pour les projets nécessitant plusieurs modifications de design ou ajustements de composants. Il est aussi plus adapté aux géométries complexes et délais serrés.

Quelle est la différence entre prototypage rapide et outillage rapide ?

Le « prototypage rapide » désigne les diverses méthodes de fabrication additive utilisées pour la production rapide de composants d'essai – c'est d'ailleurs là qu'est née la fabrication additive. L'outillage rapide est une autre technologie qui accélère la fabrication de produits.