Innovation en fonderie : Accélérer le développement de produits avec l'impression 3D

Comment les fonderies utilisent les imprimantes 3D pour la conception rapide de produits

Le développement de produit est un processus de découverte excitant. Investir dans de nouveaux produits démontre l'engagement d'une entreprise envers les besoins de ses clients. La recherche et le développement peuvent prendre beaucoup de temps, avec des itérations de construction et d'ajustement de modèles et prototypes. Il faut du temps pour apprendre ce qui marche — et ce qui ne marche pas. L'impression 3D est un outil très utile pour accélérer la conception de nombreux biens manufacturés, y compris les produits métalliques.

Pourquoi prototyper ?

Le prototypage est une étape essentielle dans la fabrication de produits, comblant le fossé significatif entre la conception théorique et le produit final fonctionnel. Il donne aux concepteurs de produits l'opportunité de travailler avec, et d'apprendre de, modèles du monde réel. Il leur permet de tester et d'essayer de nouvelles idées, dans le but d'améliorer et de raffiner vers un produit final.

Lors de la conception d'un nouveau produit, la forme et la fonction peuvent être testées à différents stades. Certains prototypes sont produits uniquement pour examiner la taille et l'apparence. D'autres peuvent être conçus pour tester des caractéristiques spécifiques pour la fonction et l'ajustement.

Ce qu'il faut savoir sur le prototypage rapide

Il existe plusieurs prototypes standards. Traditionnellement, les prototypes les plus basiques sont des maquettes en papier, bois ou mousse créées par des artisans à partir de dessins ou designs numériques. Des stades de prototypage supplémentaires peuvent être faits, de complexité croissante, pendant le processus de conception. Avant qu'une série de production ne soit lancée, les usines font un essai, créant un prototype de production pour évaluer la qualité du produit et évaluer le processus à l'usine.

Les prototypes rapides font avancer l'utilité et l'efficacité de nombreux premiers stades de prototypage. Puisque les artisans ont traditionnellement fait les maquettes, et que les prototypes de production ont généralement requis un outillage personnalisé, le prototypage a généralement été lent et coûteux. Pouvoir imprimer et ajuster les prototypes à la volée peut raccourcir substantiellement ces stades de conception itératifs. Dans certains cas, un prototype en plastique peut être utilisé pour aider à rationaliser le processus de production. Les méthodes de moulage en particulier nécessitent souvent l'utilisation d'un modèle et/ou d'un matrix, qui peut être cher — et justifiable seulement quand la production à grande échelle générera des retours sur investissement — et la création de maquettes de modèles sur une imprimante 3D peut permettre à un concepteur de repérer les problèmes avant de passer à plus grande échelle en bois ou métal.

Bien sûr, ces prototypes ne sont pas des prototypes de production. Remplacer le plastique par le métal pendant cette période signifie qu'il y a certaines propriétés métalliques qui ne peuvent pas être vérifiées. Imprimer une borne de protection à taille réelle en plastique sur une imprimante 3D est aussi, à l'unité, bien plus cher que d'en mouler une. Cependant, imprimer des modèles à l'échelle donne aux concepteurs quelque chose qu'ils peuvent examiner et manipuler, et tout changement qui en résulte ne nécessite rien de plus qu'un ajustement du fichier CAO numérique et une réimpression rapide.

De nombreux prototypes sont aussi produits à des échelles plus petites et/ou avec moins de détails que le produit final. Bien qu'ils ne représentent qu'une partie ou un aspect du design final, ils peuvent encore être précieux pour prendre des décisions tôt dans la phase de conception — plutôt que plus tard quand il devient plus coûteux de raffiner.

Prototypage rapide avec imprimantes 3D

Le prototypage rapide par impression 3D utilise des technologies de fabrication additive. Les designs numériques, ou modèles CAO, sont typiquement « tranchés » par l'algorithme informatique en de nombreuses couches horizontales minuscules, qui sont ensuite imprimées une à la fois.

L'impression 3D existe sous diverses formes depuis les années 70 et 80, mais seulement récemment a-t-elle évolué pour être utile à une échelle commerciale. Bien qu'il y ait des limitations, la technologie évolue rapidement. Les imprimantes 3D les plus avancées peuvent imprimer plusieurs matériaux avec des propriétés et couleurs variables. Les imprimantes à frittage laser direct de métal (DMLS) peuvent même imprimer des produits métalliques.

Les contraintes de taille et la qualité de surface des prototypes imprimés en 3D se sont grandement améliorées au fil des ans, les rendant particulièrement utiles pour les concepteurs itérant à travers les phases initiales de développement.

Création de pièces métalliques avec l'impression 3D

Les imprimantes DMLS remettront-elles en cause les industries du moulage ou du travail du métal ? L'industrie de l'impression 3D est dynamique, avec de nouveaux développements annoncés presque chaque jour. Les projets à grande échelle, comme le pont imprimé en 3D par MX3D à Amsterdam, montrent qu'il y a beaucoup de potentiel même dans la fabrication structurelle. Pourtant, cette forme d'impression n'est pas en compétition avec la fabrication métallique traditionnelle. Même avec ces développements, l'impression 3D est plus susceptible d'améliorer plutôt que de remplacer la fabrication métallique traditionnelle à grande échelle dans les prochaines décennies — même le pont d'Amsterdam est sécurisé avec de l'acier brut traditionnel fournissant un support sur le pont.

L'impression 3D métallique n'est généralement pas le versement et le dépôt de métaux en fusion, bien sûr. Les technologies d'aujourd'hui impriment le métal en incorporant une poudre métallique dans une matrice non métallique qui est chauffée et pipée en forme. Dans certains processus (bien que pas pour le pont ci-dessus), le métal est ensuite chauffé pour que la matrice s'évapore.

Ce métal imprimé peut fournir plus de résistance que le plastique mais ne peut pas offrir la large gamme d'alliages possibles disponible dans une fonderie traditionnelle. La chaleur incroyablement élevée et les conditions de refroidissement contrôlées nécessaires pour de nombreux grades spécifiques d'acier et de fer signifient que travailler pour atteindre un grade vs un autre est un équilibre délicat de température et pression. De plus, la contrainte métallique peut être causée si une partie d'un moulage refroidit plus vite qu'une autre — et doit être contrôlée au site d'une jonction. L'impression 3D construit un objet en déposant des couches dans l'ordre : même si cela était possible avec l'acier quasi-fondu traditionnel requis pour certains alliages ferreux, les contraintes causées par différents niveaux de refroidissement changeraient fondamentalement les propriétés du métal comparé à une pièce moulée entièrement.

Même ainsi, le matériau imprimé par les imprimantes métalliques est plus proche de l'acier que du plastique. Excitant, pour la fonderie, cette technologie d'impression métallique pourrait un jour permettre le test fonctionnel d'un prototype rapide. Peut-être qu'une pièce métallique pourrait être imprimée à peu de frais et mise sous contrainte relative, puis ajustée à travers le processus de production.

Prototypage rapide pour la fonderie, aujourd'hui

L'équipement et les techniques de moulage ont été améliorés par des siècles d'apprentissage et de développement. Le moulage en sable donne aux fabricants beaucoup de contrôle sur le comportement du métal dans les états fondu et de refroidissement, qui changent les propriétés mécaniques du métal. Le métal traité différemment par le processus de moulage peut être cristallisé en différentes formes, chacune pouvant être travaillée pour des propriétés additionnelles. Cela explique la gamme de propriétés mécaniques disponible pour un client par le moulage métallique.

Pourtant, faire les modèles pour ces moulages a signifié le sculptage laborieux à la main de modèles en bois pour former dans le sable. Ces modèles doivent être créés sans endroits où le métal pourrait « s'accumuler » et donc refroidir plus lentement, créant une contrainte interne sur la pièce. Ils doivent être assez lisses pour être retirés du sable qu'ils empreignent. La création d'un objet imprimé peut permettre au concepteur et à la fonderie de considérer des changements à l'objet qui aideront dans la création du modèle le plus efficace, le mieux formé pour le projet.

Le moulage à la cire perdue (investment casting) est un processus polyvalent idéal pour la production de volume élevé — surtout pour les designs complexes et où la qualité de surface est importante. Avec le moulage à la cire perdue, un matrix est généralement fait pour produire des modèles en cire, qui sont ensuite enduits pour former des moules en céramique. Les modèles en cire sont facilement fondus, laissant les cavités de moule prêtes pour le métal en fusion.

Les matrix peuvent être chers à produire, cependant, ce qui peut augmenter significativement les coûts unitaires au début de la phase de conception. Ce que font de nombreux fabricants est d'imprimer en 3D des modèles en cire pour les prototypes — éliminant le besoin de matrix personnalisés. Les concepteurs peuvent examiner leur pièce et travailler vers une version finale avant de s'engager dans un outillage plus cher pour la production de longue durée. L'impression de modèles est aussi plus économique pour les courtes séries et productions uniques. Dans le moulage à la cire perdue, les imprimantes 3D peuvent donc créer le modèle final pour l'utilisation.

Une révolution du prototypage rapide

L'impression 3D est une révolution dans le moulage métallique, même si elle ne remplace pas la fabrication métallique traditionnelle. Les secteurs traditionnels sont seulement limités par leur imagination en considérant comment le futur de cette technologie à développement rapide peut améliorer les pratiques de production traditionnelles. Les économies disponibles en prototypage permettent plus d'ajustements et changements, des itérations supplémentaires avant d'entrer en production à grande échelle. Quoi qu'il arrive ensuite dans le futur de l'impression 3D, ce sera certainement un outil utile pour tous ces concepteurs cherchant à créer les meilleurs produits pour leur clientèle.