L'impression 3D remplacera-t-elle l'industrie de l'outillage ?

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Publié le 11 novembre 2019, | Par WayKen Rapid Manufacturing

La fabrication d'un produit ne consiste pas simplement à traiter les pièces réelles et à les assembler. Le processus de production implique de nombreuses tâches supplémentaires telles que le développement de l'emballage, la réflexion sur la logistique et, le plus important, le développement et la production de l'outillage. L'outillage est une signification générale pour les composants qui sont nécessaires pour la production réussie de tous les composants dans le volume requis et avec toutes les exigences prescrites. L'industrie de l'outillage coûte des milliards de dollars aux entrepreneurs du monde entier. Les coûts d'outillage peuvent atteindre jusqu'à 50 % du coût total du produit. Cependant, de nouvelles technologies sont développées pour diminuer le temps et le prix de l'outillage. L'impression 3D s'est avérée être une technique fiable et prometteuse pour un tel travail.

Au fil des ans, la technologie de fabrication additive ou comme on l'appelle communément l'impression 3D est devenue une analogie avec le processus conventionnel de copie d'images numériques 2D sur une feuille de papier. Au fur et à mesure que la technique a mûri, la précision, la résistance des pièces, la finition de surface et la gamme de matériaux pour la fabrication additive ont considérablement augmenté. Il y a 5 ans, les pièces imprimées ne pouvaient être utilisées que pour des maquettes et des présentations. Aujourd'hui, nous entendons parler de composants métalliques imprimés installés sur des moteurs Airbus, des navettes spatiales et des voitures. Cela signifie que l'impression 3D est également devenue utile pour l'outillage. Si l'on considère un développement aussi rapide, peut-être est-il possible que l'impression 3D puisse remplacer tous les procédés conventionnels de fabrication d'outillage dans toute l'industrie ?

L'impression 3D plastique pour remplacer l'outillage souple

L'outillage souple est généralement considéré comme des éléments qui ne nécessitent pas beaucoup de handicaps. L'exemple le plus courant d'outillage souple est celui des moules en silicone pour la coulée de plastique. Ils sont fabriqués à partir de différents mélanges de silicone durci tandis que l'outillage dur pour le moulage par injection est constitué d'alliages métalliques. Leur durabilité est minuscule par rapport à l'outillage dur (seulement 1 à 1000 pièces selon la complexité) mais le prix est considérablement moins cher. Les moules en silicone sont parfaits pour être utilisés dans les travaux de prototypage, la fabrication en petit volume et la personnalisation. Vous n'auriez besoin que d'un modèle maître et d'une ou deux formes de matrice pour produire un petit mais important lot de pièces. Alors, comment la fabrication additive peut-elle améliorer et remplacer le processus conventionnel ici ?

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Améliorations par la fabrication additive

Premièrement, l'impression 3D joue déjà un rôle important dans le moulage de silicone. Il est indispensable pour la fabrication de maître modèle. L'impression 3D excelle dans la production d'une seule pièce personnalisée et l'avantage est que la complexité de la géométrie joue peu ou pas de rôle dans le temps et le coût finaux. Une seule pièce complexe personnalisée est une définition du modèle maître pour le moulage plastique. Une fois la pièce maîtresse terminée, elle est immergée dans du silicone liquide, puis une fois durcie, deux moitiés de matrice sont obtenues.

Et si nous allions plus loin et produisions les matrices en silicone elles-mêmes en imprimant simplement les moules en silicone. Cela éliminerait le besoin d'une pièce maîtresse et de son post-traitement. Les imprimantes 3D modernes n'atteignent pas tout à fait la finition de surface nécessaire avec les matériaux nécessaires, mais elles peuvent produire des pièces extrêmement lisses avec des polymères plus mous. Qui peut dire que les imprimeurs ne pourront pas atteindre la même précision sur les matériaux les plus complexes dans quelques années ? Lorsque cela se produira, l'industrie de l'outillage en silicone conventionnel sera en difficulté.

Impression 3D et industrie du moulage par injection

Nous avons examiné l'outillage souple. Voyons maintenant ce que l'impression 3D peut apporter à l'industrie de l'outillage dur. La majorité de cette industrie implique des matrices durables en acier pour les pièces de moulage par injection de plastique. Cependant, l'outillage dur comprend les matrices de forgeage des métaux, les montages d'usinage et les outils de serrage de mesure (ou des unités d'équipement de mesure spécialisées pour des pièces spécifiques).

Outillage dur pour différentes industries

L'outillage dur est le plus souvent produit par usinage CNC. Les matrices et les fixations sont en acier inoxydable ou en alliages de métaux durs, qui peuvent être traités thermiquement pour augmenter encore leur durée de vie. De tels matériaux sont très difficiles à traiter. C'est pourquoi le processus de fabrication d'outils durs coûte très cher et prend une part importante du délai de production.

L'outillage dur est généralement fabriqué en une seule unité ou en très petit lot. Il a généralement une géométrie très complexe avec des caractéristiques internes. C'est exactement dans cette situation que l'impression 3D excelle. Cependant, la fabrication additive n'est pas encore largement utilisée pour produire des matrices.

Raisons pour lesquelles nous ne voyons pas encore la fabrication additive

Il y a plusieurs raisons à cela. L'une des raisons est que la fabrication additive métallique ne fournit pas encore la précision et la finition de surface que les pièces usinées CNC peuvent atteindre. Ainsi, vous ne pouvez pas complètement éviter le traitement par des outils de coupe. Tout cela signifie que vous ne pouvez pas éviter le post-traitement et que le coût des pièces post-traitées est plus élevé. Cependant, la raison la plus importante est que les propriétés de fatigue des pièces frittées n'ont pas encore été bien étudiées. Cela signifie que la durabilité des pièces imprimées ne peut pas être prévue de manière fiable. Une fois d'autres tests de recherche effectués, nous pouvons établir les courbes de fatigue globales des matériaux frittés. Une fois cela fait, il sera possible d'utiliser la fabrication additive pour des composants durables. De plus, il n'y a pas beaucoup de matériaux adaptés au frittage de pièces métalliques, donc les variations de matrices sont limitées.

L'avenir de l'outillage

Maintenant que nous connaissons les limites actuelles de l'impression 3D en métal, voyons ce qui peut arriver à l'avenir lorsque ces limites seront finalement surmontées. Si nous développons des imprimantes capables de fabriquer des pièces précises à partir de composants complexes, le rythme de fabrication montera en flèche. Les matrices seront fabriquées en quelques jours et beaucoup moins chères que la fabrication d'aujourd'hui. Le coût d'usinage d'une seule pièce est très élevé, tandis que l'impression 3D d'un animal de compagnie personnalisé est en fait plus rentable que la fabrication d'un lot. La dureté du matériau n'aura pas d'importance puisqu'il est fondu localement et non coupé.

Et enfin et surtout, la fabrication additive peut ajouter beaucoup en termes de canaux de refroidissement internes. Les forets et les alésages ne peuvent pas atteindre les cavités et les espaces plus profonds, ce qui entraîne des vitesses de refroidissement différentes. Cependant, les technologies additives peuvent offrir n'importe quelle forme complexe de canaux qui sont efficaces, uniformément répartis sur la cavité, et n'augmentent pas le coût de la matrice.

Conclusion

La fabrication additive a encore un long chemin à parcourir pour remplacer les méthodes conventionnelles infaillibles de création d'outillage. Cependant, une fois que la technologie aura mûri et que les propriétés de ses composants seront mieux comprises, les méthodes conventionnelles n'auront plus aucune chance.