Prototypage rapide par impression 3D : révolutionner les processus de fonderie

L'impact de l'impression 3D sur le moulage en sable et à cire perdue

L'impression 3D est l'une des nombreuses avancées qui permettent un prototypage plus rapide.

Un designer, entrepreneur, ou inventeur a une idée et commence le processus pour lui donner vie. Au début, l'idée est faite d'esquisses et plans, recherche et design, mais le focus du designer est vers la création d'un objet physique. Il n'y a pas de remplacement pour tenir une maquette ou prototype et voir une vision prendre vie. Le prototypage permet au designer d'avoir confiance en son idée, résoudre les défauts de production, et séduire investisseurs ou clients.

Pendant le premier lancement d'un objet dans le monde, un créateur doit piloter son nouveau produit à travers les questions de propriété intellectuelle, analyse finale des coûts, préoccupations mécaniques et esthétiques, et attentes des investisseurs, clients, ou marché. Une bonne série de prototypage laisse de la place pour explorer tous ces enjeux.

Heureusement, l'essor du prototypage rapide piloté par ordinateur a simplifié les détails techniques de ce processus, permettant à un créateur de produire le meilleur produit possible.

Histoire du prototypage

Avant l'essor des technologies assistées par ordinateur, tous les prototypes de moulage métallique étaient construits à partir de modèles conçus à la main. Après la phase de design initiale, un modeleur artisan rendait le dessin en sculpture tridimensionnelle. Pour les moulages en sable, ces modèles étaient généralement en bois, mais occasionnellement en métal ou céramique. Certains modèles étaient rendus en cire pour un processus de moulage à cire perdue. Ces modèles libres étaient le premier rendu général de l'objet final.

Ces modèles n'étaient pas identiques au prototype, même s'ils pouvaient ressembler au produit final. Les modèles sont souvent légèrement plus grands que le modèle final, pour compenser le retrait pendant le processus de moulage métallique. Ils peuvent aussi être séparés en sections, créés comme de simples contours géométriques pour des moules à balayage, ou avoir des angles étranges conçus pour compenser la déformation du métal en contraction ou pour fournir le démoulage pour le retrait du modèle d'un moule en sable.

Les modèles étaient donnés à un mouleur expert sur le sol de la fonderie, généralement pour créer un moule en sable nécessaire pour le prototype de coulée. L'étape de moulage était autrefois une étape ardue, pas aussi simple que de juste presser un modèle dans le sable. Un mouleur devait tailler les lignes de joint du moulage, et placer les canaux et trous nécessaires qui permettraient au métal en fusion de remplir le moule uniformément et complètement, et de refroidir sans défauts. Ces canaux incluent la colonne (sprue), ou l'entrée dans laquelle le métal liquide est versé ; les portes (gates), qui sont des canaux de taille variable qui contrôlent le taux de flux du matériau en fusion ; les canaux de distribution (runners), qui permettent au métal liquide de s'écouler d'une zone du moule à une autre ; et les réserves (risers), grands bassins de volume qui restent chauds plus longtemps que le moulage, et peuvent donc alimenter le métal liquide dans le moulage pendant qu'il refroidit et se rétracte, prévenant la formation de trous.

De ce travail minutieux du modeleur et du mouleur, des prototypes métalliques seraient coulés.

Une fois que les ouvriers de fonderie avaient décoché un moulage métallique propre, le designer original pouvait l'évaluer. Esthétique, poids, finition, et ajustement deviendraient clairs. Si ce n'était pas juste un objet décoratif, mais quelque chose conçu pour gérer le stress mécanique, le designer testerait l'objet en le chargeant à sa tolérance déclarée, et au-delà, pour vérifier l'ingénierie. Les fonderies testeraient aussi les prototypes en les détruisant : le moulage serait coupé en pièces, pour chercher des déformations à l'intérieur.

Amener un design à la fabrication rendrait aussi l'investissement et le retour plus clairs. Un designer ou inventeur pourrait utiliser la phase de prototypage pour budgéter et trouver des efficacités pour une production à grande échelle.

Après avoir réfléchi au prototype sous tous ces angles, des changements dans le design pourraient être nécessaires. Que les modifications soient grandes ou petites, elles créeraient généralement des heures de travail à nouveau pour le modeleur artisan, et pour le mouleur après.

Le prototypage était un processus long et coûteux.

Numérisation et conception assistée par ordinateur

L'essor du prototypage rapide a rendu beaucoup plus facile la création d'un modèle fonctionnel. Il retarde aussi la première fois qu'un objet physique est nécessaire.

Les plans et croquis techniques étaient autrefois tous faits à la main. Maintenant, ils sont numérisés par des programmes CAO (Conception Assistée par Ordinateur). Il est très simple de changer des fichiers CAO numériques de nombreuses fois pendant le processus de prototypage, alors que les plans historiques étaient laborieux à redessiner.

Les dessins CAO peuvent être transformés en simulations complexes et bien imaginées de la série de fabrication et du produit final. Ce sont une étape de prototypage numérique, créant un modèle informatique complet qui agit plus comme un prototype initial qu'il n'était possible avec papier et crayon. Les fichiers CAO peuvent aussi être utilisés par des programmes informatiques qui ont des informations de fabrication et production. Si un designer envoie des fichiers CAO avec leur objet à une fonderie, les métallurgistes peuvent utiliser des programmes avec de vastes bases de données de propriétés métalliques et processus de moulage pour évaluer l'esquisse et prédire les problèmes possibles. Des problèmes qui auraient autrefois pris une série de prototypage à découvrir peuvent être trouvés avant que le premier métal ne soit versé.

Ces programmes sont aussi utiles à la fonderie, aidant à placer colonnes, portes, canaux de distribution et réserves aux endroits qui créeront le moulage le plus solide, avant que le modèle n'atteigne jamais le sol de la fonderie.

Pourtant, peu importe à quel point ils sont complexes ou bien imaginés, ce sont encore des abstractions. Les gens ont souvent besoin d'un prototype physique pour vraiment comprendre un design.

Maquettes et prototypes de pré-production

Avec l'avènement de l'impression 3D, des maquettes peuvent être faites rapidement et à n'importe quelle échelle, souvent bien avant qu'un fabricant ne soit contacté. Il est maintenant courant pour les designers de construire leurs propres premiers prototypes en interne. Qu'en miniature ou à l'échelle, un designer peut tenir une maquette de leur projet pour voir comment tout pourrait s'assembler.

L'impression 3D fait partie d'un nouveau style de « conception itérative » rapidement changeante. Les modèles 3D peuvent être imprimés, critiqués, changés, et réimprimés tout dans une journée. C'est rapide et bon marché comparé au processus complexe de modelage et moulage métallique.

À la fonderie, le prototypage rapide peut aussi aider à créer des modèles à presser dans le moule de façons nouvelles et nouvelles. L'usinage guidé laser peut fabriquer un modèle en métal. L'impression 3D peut directement créer des modèles pour le moulage à cire perdue, ce qui peut être efficace pour des séries courtes ou complexes.

Protoypes de production

Finalement, les prototypes devront être faits du bon matériau à la bonne taille et une courte série de production sera commandée au fabricant. L'arrivée des technologies numériques signifie que le modeleur et le mouleur sont chacun maintenant guidés dans leur travail par des programmes informatiques, accélérant ces étapes de prototypage. Pourtant, tout n'a pas changé. Un modèle libre en bois est encore généralement créé pour les premiers prototypes d'une série de production en moulage en sable (ou un modèle en cire pour un moulage à cire perdue). Ces modèles de travail seront faits et testés comme ils l'ont toujours été.

La fonderie fait encore des tests destructifs. Les métallurgistes couperont ou carotteront certains des moulages pour s'assurer qu'ils sont sans défaut, ou que les défauts sont dans les tolérances convenues. Quand la fonderie est confiante, ils enverront des échantillons au client. Le client finit alors le moulage comme il l'entend, et le met au travail. Le prototype fonctionnel ressemble-t-il et agit-il comme prévu ? Peut-il gérer sa charge attendue ?

Dans les nouvelles inventions, l'innovateur peut avoir besoin de plusieurs séries de prototypes fonctionnels pour bidouiller le design ou le matériau. Pour des pièces plus standard, le prototype fonctionnel pourrait être la preuve de concept qui trouvera clients ou investisseurs pour payer une production à grande échelle.

La vitesse de ces séries de prototypage est améliorée par l'arrivée de technologies comme l'échographie et les rayons X. Les fonderies peuvent maintenant tester de façons non destructives aussi bien que destructives. Les techniciens peuvent vérifier la solidité du métal sans couper le moulage. Cela signifie que moins de prototypes peuvent être faits et fournir encore une preuve complète sur la ligne de production. Les articles inspectés par une fonderie de façons non destructives peuvent être envoyés de la fonderie au client pour inspection, finition, et test de charge. Le prototypage rapide, donc, est aussi fourni par de nouvelles options de test non destructif, qui permettent moins d'investissement dans les séries de prototypage de production.

Accords de non-divulgation et brevets

Ce n'est pas seulement les enjeux techniques qui sont affectés par le prototypage rapide, mais aussi les questions de propriété intellectuelle. Dès que le design quitte l'atelier du designer et entre dans le monde de la fabrication, la PI devient une préoccupation.

Si un produit est le premier de son genre, un inventeur planifiera généralement de déposer un brevet. Dans de nombreuses situations, il est imprudent de déposer un brevet avant qu'un prototype fonctionnel de production ait été testé. Tanto le travail qui va dans le prototypage, que le test du design après, pourraient attraper des défauts qui changeraient la demande de brevet.

Les brevets sont annoncés publiquement quand déposés. Le prototypage rapide accélère le cycle de production pour tout le monde. Un brevet défectueux pourrait être de la matière créative pour un concurrent, qui pourrait rapidement lancer sa propre R&D, utilisant le brevet comme base. Donc, attendre la fin du prototypage pour breveter est souvent à la fois protecteur pour les coûts et la propriété intellectuelle. Un inventeur ne veut généralement pas dépenser de l'argent sur un processus de brevet compliqué, juste pour devoir le refaire avec la concurrence à ses talons.

Ce processus peut laisser un inventeur se sentir vulnérable que quelqu'un dans le processus de prototypage pourrait copier leur design et le mettre sur le marché en premier. Il est donc important d'avoir une bonne relation avec un fabricant réputé et d'avoir des designs protégés par des Accords de Non-Divulgation (NDA) clairs.

Prototypage rapide pour un meilleur design

L'autre face de cette prudence est l'envie commerciale de sortir un produit, même en marchés de test limités ou pour des bêta-testeurs. Le fondateur de LinkedIn, Reid Hoffman, est largement cité disant : « Si vous n'êtes pas embarrassé par la première version de votre produit, vous avez lancé trop tard. »

Le prototypage rapide aide les designers à réaliser un meilleur produit avant d'aller sur le marché. La facilité de cette étape peut être un chant de sirène, cependant, qui garde les designers à bidouiller pour obtenir la perfection avant de lancer. Il est important de se rappeler que le développement n'a pas besoin de finir le travail de raffinement et perfectionnement des produits. La vie d'un moulage peut commencer avec le design et le prototypage, mais engendre souvent des générations de produits qui changent légèrement le style, matériau, méthode de moulage, capacité mécanique, taille, ou fonction.

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