Qu'est-ce que le prototypage rapide ? - Types et fonctionnement

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) 3D. La création de la pièce, du modèle ou de l'assemblage est généralement réalisée à l'aide de la fabrication additive, plus communément appelée impression 3D.

Le prototypage rapide est le processus de création de quelque chose qui peut être utilisé pour évaluer rapidement un produit. En ingénierie, un prototype est une première version 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 dit qu'il s'agit d'un prototype haute fidélité, par opposition à un prototype basse fidélité où il existe une différence nette 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. En conséquence, l'analyse vous dira si cela fonctionnera bien. Les entreprises utilisent ce processus à chaque phase du développement de produits.

L'efficacité rend le processus moins cher et plus rapide. Cela laisse plus de place à la flexibilité et aux erreurs lors de la création d'un produit. À long terme, cela est plus avantageux que d'autres méthodes.

PLUS : Qu'est-ce que l'impression 3D ?

Le prototypage rapide comporte trois étapes principales. La première consiste à créer le prototype. Pour ce faire, ils développent une solution que l'entreprise doit tester.

La prochaine étape est la révision. De nombreuses entreprises le font en partageant le prototype avec leurs utilisateurs et parties prenantes. Cela leur permet d'obtenir des commentaires afin qu'ils puissent corriger le produit et l'améliorer pour leurs clients.

La dernière étape est le raffinage. Sur la base des commentaires reçus par l'entreprise, elle peut soit réparer, soit modifier le produit. Cela les aidera également à améliorer les conceptions futures.

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 prise d'une conception virtuelle à partir 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 constituant le modèle physique à partir d'une série de sections transversales.

Ces couches, qui correspondent à la coupe virtuelle du modèle CAO, sont automatiquement jointes pour créer la forme finale.

Rapid Prototyping utilise une interface de données standard, implémentée en tant que format de fichier STL, pour traduire du logiciel de CAO à la machine de prototypage 3D. Le fichier STL se rapproche de la forme d'une pièce ou d'un assemblage à l'aide de facettes triangulaires.

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

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

PLUS : Qu'est-ce que la fabrication additive ?

Ces processus incluent :

• Soustractive – Où tailler à travers un bloc de matériau pour créer la forme souhaitée par fraisage, meulage ou tournage.
• Compressif - Être pressé dans la forme souhaitée par un matériau semi-solide ou liquide avant la solidification, par exemple par coulée, frittage par compression ou moulage.

Différents types de prototypage rapide

Types de techniques de prototypage rapide :

• Stéréolithographie (SLA)
• Frittage laser sélectif (SLS)
• Frittage laser direct de métal (DMLS)
• Modélisation des dépôts en fusion (FDM)
• Jet de liant
• Polyjeting

Il existe des dizaines de façons de fabriquer des prototypes. Alors que les processus de prototypage continuent d'évoluer, les concepteurs de produits essaient constamment de déterminer quelle méthode ou technologie est la meilleure pour leur application unique.

1. Stéréolithographie (SLA) ou photopolymérisation en cuve

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

SLA est une impression 3D industrielle, ou fabrication additive, un processus qui construit des pièces dans un pool de résine photopolymère durcissable aux UV à l'aide d'un laser contrôlé par ordinateur. Le laser est utilisé pour tracer et polymériser une coupe transversale de la conception de la pièce sur la surface de la résine liquide.

La couche solidifiée est ensuite abaissée juste en dessous de la surface de la résine liquide et le processus est répété. Chaque couche nouvellement durcie adhère à la couche en dessous. Ce processus se poursuit jusqu'à ce que la pièce soit terminée.

Avantages : Pour les modèles conceptuels, les prototypes cosmétiques et les conceptions complexes, SLA peut produire des pièces avec des géométries complexes et d'excellentes finitions de surface par rapport à d'autres processus additifs. Le coût est compétitif et la technologie est disponible auprès de plusieurs sources.

Inconvénients : Les pièces prototypes peuvent ne pas être aussi solides que celles fabriquées à partir de résines de qualité technique, de sorte que les pièces fabriquées à l'aide de SLA ont une utilisation limitée pour les tests fonctionnels. De plus, alors que les pièces subissent un cycle UV pour solidifier la surface extérieure de la pièce, le SLA intégré doit être utilisé avec une exposition minimale aux UV et à l'humidité afin qu'ils ne se dégradent pas.

2. Frittage Laser Sélectif (SLS)

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

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

SLS utilise soit du nylon rigide, soit des poudres de TPU élastomères similaires aux thermoplastiques techniques réels, de sorte que les pièces présentent une plus grande ténacité et sont précises, mais ont une surface rugueuse et manquent de détails fins. SLS offre un grand volume de construction, peut produire des pièces aux géométries très complexes et créer des prototypes durables.

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

Inconvénients : Les pièces ont une texture granuleuse ou sableuse et le procédé a un choix de résine limité.

3. Frittage laser direct de métal (DMLS)

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

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

Il a également le potentiel, s'il est conçu avec la fabricabilité à l'esprit, de passer au moulage par injection de métal lors d'une augmentation de la production si nécessaire

Avantages : DMLS produit des prototypes solides (généralement denses à 97 %) à partir d'une variété de métaux qui peuvent être utilisés pour des tests fonctionnels. Étant donné que les composants sont construits couche par couche, il est possible de concevoir des caractéristiques internes et des passages qui ne pourraient pas être coulés ou autrement usinés. Les propriétés mécaniques des pièces sont égales à celles des pièces de forme conventionnelle.

Inconvénients : Si vous produisez plus de quelques pièces DMLS, les coûts peuvent augmenter. Du fait de l'origine métal en poudre du procédé direct métal, l'état de surface de ces pièces est légèrement rugueux. Le processus lui-même est relativement lent et nécessite généralement un post-traitement coûteux.

4. Modélisation par dépôt de fil fondu (FDM) ou projection de matière

Ce processus peu coûteux et facile à utiliser se retrouve dans la plupart des imprimantes 3D de bureau non industrielles. Une bobine de filament thermoplastique est utilisée qui est fondue dans un boîtier de buse 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 résolution médiocre et étaient médiocres, ce processus s'améliore rapidement et est rapide et bon marché, ce qui le rend idéal pour le développement de produits.

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

Avantages : Les pièces FDM sont relativement solides à un prix modéré et peuvent être utiles pour certains tests fonctionnels. Le procédé peut fabriquer des pièces aux géométries complexes.

Inconvénients : Les pièces ont un mauvais état de surface, avec un effet ondulé prononcé. Il s'agit également d'un processus additif plus lent que le SLA ou le SLS et sa pertinence pour les tests fonctionnels est limitée.

6. Moulage par injection           

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

Les pièces moulées sont solides et ont d'excellentes finitions. Il s'agit également du processus de production standard de l'industrie pour les pièces en plastique, il y a donc des avantages inhérents au prototypage dans le même processus si la situation le permet.

Presque n'importe quel plastique de qualité technique ou caoutchouc de silicone liquide (LSR) peut être utilisé, de sorte que le concepteur n'est pas contraint par les limitations matérielles du processus de prototypage.

Avantages : Les pièces moulées sont fabriquées à partir d'une gamme de matériaux de qualité technique, 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 d'outillage initial associé au moulage par injection rapide qui ne se produit avec aucun des processus additifs ou avec l'usinage CNC. Ainsi, dans la plupart des cas, il est logique de faire une ou deux séries de prototypes rapides (soustractifs ou additifs) pour vérifier l'ajustement et le fonctionnement avant de passer au moulage par injection.

7. Jet de liant

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

Chaque couche peut ensuite être compactée par un rouleau avant que la couche de poudre suivante ne soit appliquée 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, l'une après l'autre, à l'aide de lumière ultraviolette. Les couches sont très fines permettant une résolution de qualité. Le matériau est soutenu par une matrice de gel qui est retirée après la réalisation de la pièce. Les pièces en élastomère sont possibles avec Polyjet.

Avantages : Ce processus est d'un prix modéré, peut prototyper des pièces surmoulées avec des matériaux flexibles et rigides, peut produire des pièces dans plusieurs options de couleurs et duplique facilement des géométries complexes.

Inconvénients : Les pièces Polyjet ont une résistance limitée (comparable au SLA) et ne conviennent pas aux tests fonctionnels. Bien que PolyJet puisse fabriquer des pièces aux géométries complexes, cela ne donne aucun aperçu de la fabricabilité éventuelle de la conception. De plus, les couleurs peuvent devenir jaunes lorsqu'elles sont exposées à la lumière au fil du temps.

Comparaison des processus de prototypage