Choisir le bon procédé de prototypage rapide pour réussir son nouveau produit

Le succès ou l'échec d'un prototype dépend de votre sélection du procédé de prototypage rapide pour le développement de nouveaux produits. Il existe diverses façons de réaliser des prototypes de conception de produits d'ingénierie, des maquettes en carton simples aux sous-ensembles métalliques entièrement usinés.

Le prototypage est crucial pour toute conception de produit d'ingénierie, surtout en NPD. C'est le processus de création de modèles grossiers pour tester fonctionnalité, forme, dimensions, etc. En savoir plus sur les types de prototypes et leur importance.

Cet article traite des prototypes basés sur pièces : comment fabriquer des pièces individuelles pour créer des prototypes système.

5 facteurs clés pour choisir un procédé de prototypage rapide

Les prototypes varient énormément car chaque projet, produit et élément de conception sont différents. Le succès de tout prototype dépend des critères de sélection du procédé ; ces 5 facteurs clés doivent être considérés dès le début :

Objectif (Purpose)
Qualité
Quantité
Complexité
Budget / Coût

Analysons ces facteurs pour comprendre leur importance dans le choix de votre prochain procédé.

1. Objectif

Selon Ulrich et Eppinger (2008), les prototypes servent quatre objectifs en conception d'ingénierie : Apprentissage, Communication, Intégration et Jalons (Milestones). Ces objectifs varient selon la phase du NPD (4 étapes) où vous êtes. Chaque phase a ses exigences de fonctionnalité pour éliminer les risques, définissant le type de fidélité (qualité) du prototype requis.

D'abord, cela dépend des tests planifiés ou exercices de mitigation des risques : types de tests, retours clients, etc. Si le produit subit des tests rigoureux, déploiement extérieur, vérification produit, le choix du matériau jouera un rôle clé dans la sélection de la technique.

Deuxièmement, tout aspect fonctionnel souhaité sur le prototype : tests fonctionnels ? pièces mobiles ? Cela dicte sélection et assemblage.

Troisièmement, changements et modifications. Il est très improbable qu'un prototype réussisse sans ajustements. Considérez la facilité de modification pour faire fonctionner les prototypes.

Phase NPD

Planification produit et clarification de la tâche
- Cette phase nécessite généralement des maquettes de preuve de concept très précoces, unités de démonstration, prototypes de design industriel
- Techniques de prototypage :
  - Modèles en mousse usinés CNC
  - Maquettes en carton
  - Pièces et assemblages imprimés 3D (FDM, SLA, SLS, etc.)

Conception conceptuelle
- À ce stade, vous avez probablement besoin de pièces ou assemblés à l'échelle du design avec interface utilisateur et fonctionnalité limitée
- FDM parfait pour appréhender forme et taille. Pour plus de précision : SLA, SLS, PolyJet. Si pièces métalliques : CNC. Parfois fabrication tôlerie aussi pertinente
Conception d'embodiment
- Phase de développement où prototypes pleinement fonctionnels (forme, ajustement, fonction) sont nécessaires, donc les détails comptent. Prototypes = assemblages fonctionnels avec beaucoup de pièces
- Besoin de plusieurs unités pour tests. Vaut la peine de considérer les techniques de fabrication finales pour les simuler
- Considérer moulage sous vide et impression 3D haute résolution (SLS, SLA) pour pièces plastiques
- Pièces SLM/DMLS idéales pour simuler pièces moulées (sable, cire perdue, pression)

Conception détaillée
- Prototypes de cette phase : tests fonctionnels et préséries pilotes
- Pièces moulées par injection prototypables par moulage sous vide ; pièces plastiques usinées par impression 3D

2. Qualité

La fidélité ou précision du produit requise dicte le type de procédé et post-traitement. La qualité du prototype vs produit final/sous-composant doit être considérée. Les prototypes haute fidélité coûtent plus cher : évaluer le retour sur investissement.

Exemple : si un filetage est nécessaire sur une pièce, SLA est meilleur que FDM mais coûte plus cher.

La durée de vie du prototype est cruciale pour choisir la technologie. Ex. : si des fixations sont utilisées fréquemment, inserts métalliques ou pièces usinées sont meilleurs que filetages 3D ou taraudage direct.

La sélection du matériau joue un rôle vital pour la qualité. Si les éléments fonctionnels dépendent de propriétés spéciales (fini de surface, durabilité), les pièces en fabrication additive ne sont peut-être pas le meilleur choix. Choix matériaux généraux par procédé :

Impression 3D	CNC	Moulage sous vide
Nylon, PLA, ABS, ULTEM, ASA, TPU	ABS, Nylon, Polycarbonate, PEEK	ABS, Nylon, Nylon HT
Aluminium, Acier inoxydable, Titane, Inconel	Aluminium, Acier inoxydable, Titane, Laiton	N/A

Si le prototype a plusieurs pièces, les tolérances des pièces prototypées doivent être considérées pour l'intégration aisée.

3. Quantité

Le nombre de pièces prototypes requis est essentiel pour choisir le procédé : certaines technologies ne sont rentables qu'en petites quantités. Pour la fabrication additive, le volume joue un rôle crucial dans le coût : pièces plus grandes = plus de temps d'impression. En règle générale :

Pièces plastiques

Procédés de prototypage
Pièces plastiques		Quantité
Pièces plastiques		Faible (unités)	Moyenne (dizaines)
Taille	Petite	Impression 3D	Usinage CNC (simple) Impression 3D (complexe)
Taille	Grande	Impression 3D	Moulage sous vide Usinage CNC

Pièces métalliques

Procédés de prototypage
Pièces métalliques		Quantité
Pièces métalliques		Faible (unités)	Moyenne (dizaines)
Taille	Petite	Usinage CNC Impression 3D	Usinage CNC Moulage à la cire perdue
Taille	Grande	Usinage CNC	Usinage CNC

4. Complexité

La complexité de la pièce et l'intricité des caractéristiques dictent aussi le choix. La fabrication additive est bonne pour pièces très complexes petites, mais attention au design final car complexité = production de masse très coûteuse.

Procédé	Tolérance (mm)	Épaisseur de paroi min (mm)
FDM	±0,20 – ±0,50	0,8 - 1,0
SLS/SLA	±0,20 – ±0,30	0,7 – 1,0
SLM/DMLS	±0,10	0,4 – 0,5
Binder Jetting	±0,20	1,5 – 2,0
CNC *	±0,012	0,5
Moulage sous vide	±0,1	0,9 – 1,0

Note : ces tolérances et épaisseurs minimales sont des valeurs typiques, variant fortement selon matériau et conception des caractéristiques.

Pièces destinées à l'injection, divers moulages : prototypables par impression 3D. Pièces usinées : impression 3D ou procédés soustractifs/convionnels.

5. Coût

Enfin, les ressources disponibles ; l'objectif du prototype va de pair avec les ressources. Temps, argent et heures-homme pour fabriquer et faire fonctionner les prototypes doivent être considérés.

Points à réfléchir :

Souvent, le temps consommé par le post-traitement ou pour faire fonctionner une pièce depuis un prototype de faible qualité dépasse celui d'un prototype de haute qualité
Certains procédés (impression 3D) nécessitent du post-traitement mais c'est relativement rapide et peu coûteux ; le moulage sous vide donne des pièces quasi identiques à l'injection, utilisables sans post-traitement, mais plus cher avec l'outillage
Coût CNC ∝ complexité de la pièce ; coût FA ∝ volume et taille
Coût global lié aux quantités, surtout pour CNC à cause des frais de mise en route élevés

Résumé

Le développement de nouveaux produits d'ingénierie implique presque toujours des prototypes pour tester idées, fonctionnalités, etc. Mais la qualité de vos tests et décisions ultérieures dépendra de la fidélité avec laquelle votre prototype simule le produit final. Choisir le bon procédé est donc crucial.

Une fois les 5 facteurs clés bien compris, vous pouvez choisir le type de procédé à explorer. Il existe tant de façons de faire des prototypes, chacun avec avantages et limites. Choisir le bon est vital pour le succès.

Étapes du processus de sélection :