Prototypage rapide et fonderie

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

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

Un designer, un entrepreneur ou un inventeur a une idée et commence le processus pour lui donner vie. Au début, l'idée est faite de croquis et de plans, de recherche et de conception, mais le concepteur se concentre sur la création d'un objet physique. Rien ne remplace le fait de tenir une maquette ou un prototype et de voir une vision prendre vie. Le prototypage permet au concepteur d'avoir confiance en son idée, de résoudre les défauts de production et de séduire les investisseurs ou les clients.

Lors du premier lancement d'un objet dans le monde, un créateur doit gérer son nouveau produit à travers les problèmes de propriété intellectuelle, l'analyse des coûts finaux, les préoccupations mécaniques et esthétiques et les attentes des investisseurs, des clients ou du marché. Une bonne course de prototypage permet d'explorer toutes ces questions.

Heureusement, l'essor du prototypage rapide et informatisé 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 métal coulé étaient construits à partir de modèles conçus à la main. Après la phase de conception initiale, un artisan modéliste transformait le dessin en une sculpture en trois dimensions. Pour les moulages au sable, ces modèles étaient généralement en bois, mais parfois en métal ou en céramique. Certains modèles ont été rendus à partir de cire pour un processus de moulage de précision. Ces motifs lâches étaient le premier rendu général de l'objet final.

Ces modèles ne seraient pas identiques au prototype, même s'ils pourraient ressembler au produit final. Les motifs sont souvent légèrement plus grands que le modèle final, pour compenser le rétrécissement pendant le processus de coulée du métal. Ils peuvent également être séparés en sections, créés comme de simples contours géométriques pour les moules de balayage, ou avoir des angles étranges conçus pour compenser la déformation du métal en contraction ou pour fournir un courant d'air pour le motif à retirer d'un moule en sable.

Des modèles seraient donnés à un mouleur expert sur le sol de la fonderie, généralement pour créer un moule en sable nécessaire au moulage du prototype. L'étape de moulage était autrefois difficile, pas aussi simple que de simplement presser un motif dans le sable. Un mouleur devait tailler les lignes de séparation de la coulée et placer les canaux et les trous nécessaires qui permettraient au métal en fusion de remplir le moule uniformément et complètement et de refroidir sans défauts. Ces canaux comprennent la carotte ou l'entrée dans laquelle le métal liquide est versé ; des portes, qui sont des canaux de taille variable qui contrôlent le débit du matériau fondu ; des glissières, qui permettent au métal liquide de s'écouler d'une zone du moule à une autre; et les colonnes montantes, des piscines de grand volume qui restent chaudes plus longtemps que la pièce moulée, et peuvent donc alimenter le métal liquide dans la pièce coulée à mesure qu'il refroidit et se rétracte, empêchant la formation de trous.

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

Une fois que les ouvriers de la fonderie avaient démoulé une coulée de métal propre, le concepteur d'origine pouvait l'évaluer. L'esthétique, le poids, la finition et l'ajustement deviendraient clairs. S'il ne s'agissait pas seulement d'un objet décoratif, mais de quelque chose conçu pour supporter les contraintes mécaniques, le concepteur testerait l'objet en le chargeant à sa tolérance indiquée, et au-delà, pour vérifier l'ingénierie. Les fonderies testeraient également les prototypes en les détruisant :le moulage serait coupé en morceaux, pour rechercher des déformations à l'intérieur.

Apporter une conception à la fabrication rendrait également l'investissement et le retour plus clairs. Un concepteur ou un inventeur peut utiliser la phase de prototypage pour budgétiser et trouver des gains d'efficacité pour un cycle de production complet.

Après avoir pensé au prototype de toutes ces manières, des changements dans la conception pourraient être nécessaires. Que les modifications soient grandes ou petites, elles créeraient généralement à nouveau des heures de travail pour l'artisan modéliste, et pour le mouleur par la suite.

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 de travail. Cela retarde également la première fois qu'un objet physique est nécessaire.

Les plans et les croquis techniques étaient autrefois tous faits à la main. Désormais, ils sont numérisés grâce à des programmes de CAO (Conception Assistée par Ordinateur). Il est très simple de modifier plusieurs fois les fichiers de CAO numériques tout au long du processus de prototypage, alors que les plans historiques nécessitaient beaucoup de travail pour être redessinés.

Les dessins CAO peuvent être transformés en simulations complexes et bien imaginées du cycle de fabrication et du produit final. Il s'agit d'une étape de prototypage numérique, créant un modèle informatique complet qui agit plus comme un prototype initial qu'il n'était possible avec un stylo et du papier. Les fichiers CAO peuvent également être utilisés par des programmes informatiques contenant des informations de fabrication et de production. Si un concepteur envoie des fichiers CAO avec son objet à une fonderie, les métallurgistes peuvent utiliser des programmes avec de vastes bases de données sur les propriétés du métal et les processus de moulage pour évaluer l'esquisse et prévoir les problèmes éventuels. Les problèmes qui, autrefois, auraient nécessité un essai de prototypage pour être découverts, peuvent être détectés avant que le premier métal ne soit coulé.

Ces programmes sont également utiles à la fonderie, aidant à placer les carottes, les portes, les glissières et les contremarches aux endroits qui créeront le moulage le plus solide, avant que le modèle n'atteigne le sol de la fonderie.

Pourtant, aussi complexes ou bien imaginés soient-ils, ce sont toujours des abstractions. Les gens ont souvent besoin d'un prototype physique pour vraiment comprendre une conception.

Maquettes et prototypes de pré-production

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

L'impression 3D fait partie d'un nouveau style de "conception itérative" en évolution rapide. Les modèles 3D peuvent être imprimés, critiqués, modifiés et réimprimés en une journée. C'est rapide et bon marché par rapport au processus complexe de modélisme et de coulée de métal.

À la fonderie, le prototypage rapide peut également aider à créer des modèles à presser dans le moule de manière nouvelle et originale. L'usinage guidé par laser peut fabriquer un motif en métal. L'impression 3D peut créer directement des modèles pour le moulage de précision, ce qui peut être efficace pour des tirages courts ou complexes.

Prototypes de fabrication

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

La fonderie effectue toujours des tests destructifs. Les métallurgistes découperont ou creuseront certaines des pièces moulées pour s'assurer qu'elles sont exemptes de défauts ou que tout défaut respecte les tolérances convenues. Lorsque la fonderie est sûre, elle enverra des échantillons au client. Le client termine ensuite 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 la charge prévue ?

Dans les nouvelles inventions, l'innovateur peut avoir besoin de plusieurs séries de prototypes fonctionnels afin de bricoler la conception ou le matériau. Pour les pièces plus standard, le prototype fonctionnel peut être la preuve de concept qui trouvera des clients ou des investisseurs prêts à payer pour un cycle de production complet.

La rapidité de ces cycles de prototypage est renforcée par l'arrivée de technologies telles que les ultrasons et les rayons X. Les fonderies peuvent désormais effectuer des tests non destructifs et destructifs. Les techniciens peuvent vérifier la solidité du métal sans couper le moulage. Cela signifie qu'il est possible de fabriquer moins de prototypes tout en fournissant une épreuve complète sur la chaîne de production. Les articles inspectés par une fonderie de manière non destructive peuvent être envoyés de la fonderie au client pour inspection, finition et test de charge. Le prototypage rapide est donc également assuré par de nouvelles options de test non destructif, qui permettent de réduire les investissements dans les cycles de prototypage de production.

Accords de non-divulgation et brevets

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

Si un produit est le premier du genre, un inventeur envisage généralement de déposer un brevet. Dans de nombreuses situations, il n'est pas judicieux de déposer un brevet avant qu'un prototype de production fonctionnel n'ait été testé. Le travail de prototypage et les tests de conception ultérieurs peuvent détecter des défauts susceptibles de modifier la demande de brevet.

Les brevets sont annoncés publiquement lorsqu'ils sont déposés. Le prototypage rapide réchauffe le cycle de production pour tout le monde. Un brevet défectueux peut être une source de créativité pour un concurrent, qui peut rapidement se lancer dans sa propre recherche et développement, en utilisant le brevet comme base de référence. Par conséquent, attendre la fin du prototypage pour breveter est souvent à la fois coûteux et protecteur de la propriété intellectuelle. Un inventeur ne veut généralement pas dépenser d'argent pour un processus de brevet compliqué, juste pour devoir le refaire avec la concurrence à ses trousses.

Ce processus peut laisser un inventeur se sentir vulnérable à l'idée que quelqu'un dans le processus de prototypage puisse copier sa conception et la mettre sur le marché en premier. Il est donc important d'entretenir de bonnes relations avec un fabricant réputé et de protéger les conceptions par des accords de non-divulgation clairs.

Prototypage rapide pour une meilleure conception

L'autre aspect de cette prudence est l'envie commerciale de commercialiser un produit, même sur des marchés de test limités ou auprès de bêta-testeurs. Le fondateur de LinkedIn Reid Hoffman est largement cité comme disant :"Si vous n'êtes pas gêné par la première version de votre produit, vous l'avez lancé trop tard".

Le prototypage rapide aide les concepteurs à réaliser un meilleur produit avant de le commercialiser. La facilité de cette étape peut être un chant de sirène, cependant, qui incite les concepteurs à bricoler pour que les choses soient parfaites avant leur lancement. Il est important de se rappeler que le développement n'a pas besoin de mettre fin au travail de raffinage et de perfectionnement des produits. La vie d'un moulage peut commencer par la conception et le prototypage, mais engendre souvent des générations de produits qui changent légèrement de style, de matériau, de méthode de moulage, de capacité mécanique, de taille ou de fonction.

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