Comprendre le prototypage rapide avec l’impression 3D

Leprototypage fait partie intégrante de la conception et de l'ingénierie d’un produit. Il s'agit d'un procédé itératif permettant de parvenir à un design optimisé et éprouvé.

Les ingénieurs conçoivent le concept modèle initial d'une pièce ou d'un produit à tester. Ils fabriquent ensuite une pièce à partir de leur design provisoire (le prototype), la soumettent à une série de tests, puis évaluent le design pour en déterminer les avantages et les points d’amélioration. Ces étapes seront réitérées jusqu’à parvenir à un design final validé satisfaisant les exigences du client et de l'ingénierie.

Leprototypage rapide est l'utilisation des technologies numériques pour concevoir et fabriquer des prototypes plus rapidement et plus facilement. Le prototypage rapide s'appuie généralement sur les technologies de l'impression 3D pour fabriquer rapidement les prototypes, car elles permettent de contourner la nécessité d'utiliser des outils ou des matrices.

Au-delà de la fabrication physique des prototypes, le prototypage rapide comprend des activités d'ingénierie telles que la conception, la modification et les essais.

Avant le prototypage rapide. Avant l'impression 3D commerciale, les ingénieurs devaient s'appuyer sur des maquettes en mousse réalisées rapidement et des exemplaires en argile en relief fabriqués par des artisans qualifiés. Cela engendrait des délais beaucoup plus longs pour la fabrication de chaque prototype, ainsi que des coûts de fabrication plus élevés pour chaque pièce du prototype - ce qui, au final, réduisait le nombre d'itérations possible à chaque étape du cycle de conception sur une période donnée.

Le prototypage rapide commence par la création d'un fichier de conception assistée par ordinateur (CAO) pour la première itération de la pièce. L'utilisateur peut ensuite importer le fichier de conception de la pièce dans un logiciel d'impression 3D.

De là, l'utilisateur clique sur imprimer. En quelques heures ou en 1 ou 2 jours, le prototype sera prêt à être testé, évalué et modifié pour l'itération suivante.

Cependant, de nombreuses imprimantes 3D se limitent à des pièces de qualité prototype. Lors de l'utilisation de ces imprimantes, les conceptions peuvent nécessiter des modifications pour s'adapter aux limites de la fabrication traditionnelle.

Lors du prototypage avec la fabrication additive à l'échelle industrielle, les utilisateurs remplacent simplement les plastiques de prototypage tels que le PLA par des matériaux plus résistants.

Définitions formelles. La définition officielle de l' impression 3D est la suivante : il s’agit d’un procédé de fabrication qui utilise la fabrication couche par couche pour transformer des fichiers CAO numériques en objets tangibles. Le prototypage rapide est l'un des nombreux cas d'utilisation de l'impression 3D.

Usage actuel. Aujourd'hui, le terme de prototypage rapide est principalement associé à l'ancienne ère des imprimantes 3D. Ces premières imprimantes n'étaient pas en mesure de fournir des pièces d'une résistance ou d'une qualité suffisante pour les applications de fabrication à forte valeur ajoutée. Cela a effectivement limité leur utilisation au prototypage. La plupart des toutes premières imprimantes étaient vendues comme une solution de prototypage rapide, ce qui a fait de l'impression 3D une technologie de prototypage rapide jusqu’il y a de cela une dizaine d’années. Par conséquent, les deux termes ont souvent été confondus et "prototypage rapide" est devenu un terme inapproprié et populaire utilisé pour désigner l’"impression 3D"

Émergence de la fabrication additive. Aujourd'hui, le terme très répandu de "fabrication additive" évoque un changement de paradigme dans l'impression 3D. Ce terme décrit généralement l'utilisation de l'impression 3D pour les applications industrielles à forte valeur ajoutée, telles que les pièces à usage final dont les performances sont critiques. Implicitement, ce terme indique que l'impression 3D s'éloigne de son utilisation initiale limitée au prototypage rapide.

L'utilisation d'une plateforme d'impression 3D permettant le prototypage rapide offre de nombreux avantages par rapport au prototypage réalisé à partir des méthodes traditionnelles :

Des délais de fabrication plus courts. Le prototypage rapide par impression 3D permet de réduire les délais de fabrication à quelques heures ou quelques jours seulement.

Avec les méthodes de fabrication traditionnelle, les prototypes nécessitent un nouvel outillage et/ou des procédés supplémentaires tels que l'élaboration de croquis, la soumission de bons de commande et la gestion de délais d'expédition. Sans impression 3D en interne, l'acquisition de chaque prototype peut prendre des semaines, voire des mois.

Des délais plus courts n’ont pas seulement l’avantage de calmer l’impatience, ils offrent aussi des avantages commerciaux tangibles. Les entreprises peuvent innover plus rapidement et mettre leurs produits plus tôt sur le marché.

Rentabilité. Par rapport à la fabrication traditionnelle, l'utilisation d'une imprimante 3D pour le prototypage rapide présente également une économie par pièce avantageuse. Elle ne nécessite pas de main-d'œuvre spécialisée coûteuse, ni de frais de fournisseurs externes, ni l'utilisation d'outils supplémentaires ou de matrices.

Facilité d'utilisation. La simplicité d'utilisation d'une imprimante 3D pour le prototypage rapide est également un atout considérable. L'impression de pièces ne nécessite aucune compétence spécifique : tout le monde peut le faire. Les machinistes spécialisés n'ont pas à passer de longues heures à effectuer cette tâche. Il n'est pas nécessaire non plus de réaliser des croquis, de soumettre des bons de commande ou de gérer des détails logistiques avec des fournisseurs externes.

Prototypage et production sur une seule et même plateforme. L'utilisation d'une imprimante 3D à l'échelle industrielle, par opposition à une imprimante se limitant à des matériaux de prototypage moins solides, permet aux développeurs de produits de créer des prototypes et de fabriquer l'outillage ou la pièce finale sur la même plateforme. Cela permet de garantir la réussite de l'impression de la pièce finale. Plutôt que de procéder à des ajustements afin de tenir compte des limites de la fabrication soustractive, les utilisateurs peuvent simplement passer à un matériau plus performant.

Matériaux. De nombreux utilisateurs préfèrent fabriquer des prototypes avec des matériaux bon marché. Cela permet d'économiser de l'argent sur les prototypes ne nécessitant pas de propriétés mécaniques améliorées.

Pour les utilisateurs disposant d'imprimantes 3D sophistiquées ayant de grandes capacités de production, les matériaux plus performants peuvent être réservés aux prototypes fonctionnels dans les applications exigeant une certaine résistance (comme les prototypes de fixation de snowboard, par exemple) ou aux pièces finales validées.

L'impression 3D avec des plastiques sophistiqués est également un moyen plus rapide et moins cher de produire des prototypes pour des pièces qui devront finalement être fabriquées en métal.

LePLA (acide polylactique) est un matériau de prototypage courant et peu coûteux. Il s’agit d’un thermoplastique basse température : l'un des matériaux les plus faciles à imprimer en 3D.

Imprimantes. Un autre élément à prendre en considération est l'imprimante 3D dédiée au prototypage rapide. Les entreprises doivent prendre en compte des facteurs tels que la vitesse de l'imprimante 3D, sa fiabilité, les matériaux acceptés, les tailles d’impression et la fonctionnalité du logiciel.

Bien que de nombreuses imprimantes 3D soient capables de produire des prototypes de qualité médiocre, les entreprises devraient envisager d’utiliser des imprimantes ayant la capacité de fabriquer également des pièces à usage final de haute qualité.

Une machine bon marché n’imprimant que du PLA peut sembler une solution facile de prototypage rapide. Cependant, faire des compromis sur la fiabilité d'une imprimante peut entraver les cycles de conception et annuler tous ses avantages.

Centorun fabricant primé de systèmes de portes industrielles, a pu ramener le coût d'un prototype de 800 dollars (par usinage) à 10 dollars seulement. La Digital Forge a réduit les délais, qui étaient auparavant d’une semaine environ, à seulement 12 heures.

Caldwell Manufacturing, un fabricant mondial de quincaillerie pour portes et fenêtres basé dans le nord de l'État de New York, a produit des pièces, qui coûtaient auparavant entre 500 et 3 000 dollars, pour seulement 30 dollars. Le délai de livraison de ces pièces pouvait atteindre huit semaines ; grâce à la Digital Forge, Caldwell les fabrique en interne en trois jours seulement.