Voici donc ce qui s'est réellement passé dans le domaine du développement de produits

Le prototypage rapide a brisé la fabrication de la meilleure façon possible. Non pas comme "ça ne marche plus", mais comme "tout ce que nous avions l'habitude de faire est soudain irrationnel".

Imaginez un peu : 1995, un ingénieur a besoin d'un prototype de support. Il commence par le dessiner à la main (avec AutoCAD s'il a de la chance). Ensuite, il se rend à l'atelier d'usinage, explique à Bob ce dont il a besoin, Bob se gratte la tête, propose trois semaines et $500. Trois semaines plus tard, c'est faux parce que Bob a interprété le dessin différemment. Rincer et répéter.

Aujourd'hui ? Le même support prend quatre heures à imprimer et coûte peut-être vingt dollars en plastique. Testez-le, détestez-le, redessinez-le, imprimez-le à nouveau. Faites-le cinq fois dans la même journée si nécessaire.

Le NIST a publié quelques chiffres à ce sujet¹ - les cycles de développement ont chuté de 60-80% dans tous les secteurs. Mais les chiffres ne rendent pas compte du changement psychologique. Lorsque les prototypes étaient chers et lents, les ingénieurs concevaient en ayant peur. Lorsqu'ils sont bon marché et rapides, les ingénieurs conçoivent avec audace.

Il ne s'agit pas seulement d'une question de rapidité, même si c'est évidemment très important. Il s'agit de la gratuité de l'itération. Des idées qui n'auraient jamais été testées parce que "et si ça ne marchait pas" le sont désormais parce que "pourquoi ne pas voir ce qui se passe ?".

Les machines qui ont rendu cela possible

Le prototypage rapide ne se limite pas à Impression 3DMais c'est la fabrication additive qui retient le plus l'attention, car c'est le changement le plus radical par rapport aux méthodes traditionnelles.

Imprimantes FDM : Les chevaux de bataille que tout le monde connaît

Le FDM (Fused Deposition Modeling) est ce que la plupart des gens considèrent comme l'impression 3D. Wikipedia couvre les bases² mais ne mentionne pas la courbe d'apprentissage. Ces machines sont à la fois très tolérantes et très frustrantes.

Cela semble simple jusqu'à ce que la première couche ne colle pas correctement, qu'un pont se brise au milieu de l'impression ou que le filament s'obstrue au milieu de la nuit alors que vous avez un délai à respecter le lendemain matin.

La hauteur des couches est généralement comprise entre 0,1 et 0,3 mm. Précision dimensionnelle ? Peut-être ±0,1 mm si tout est aligné correctement. L'orientation de l'impression est beaucoup plus importante que prévu - des conceptions identiques réussissent ou échouent uniquement en fonction du positionnement de la plaque de construction.

FDM excelle dans les prototypes fonctionnels qui n'ont pas besoin d'être beaux. Il est idéal pour les supports, les boîtiers et les montages d'essai. Mauvais pour les surfaces lisses ou les détails fins. Les lignes des couches sont toujours visibles, ce qui donne à l'ensemble un aspect nettement "imprimé en 3D".

SLA : Quand le FDM n'est pas suffisant

La stéréolithographie utilise une résine liquide durcie par une lumière UV. La finition de la surface et la résolution des détails sont bien meilleures - on peut atteindre des hauteurs de couche de 0,025 mm. Les détails qui semblent impossibles à réaliser avec la FDM deviennent habituels.

Mais il y a un prix à payer. La résine liquide a une odeur désagréable et irrite la peau. Le post-traitement implique un lavage à l'alcool, un durcissement aux UV et une élimination minutieuse des déchets toxiques. Les imprimantes coûtent plus cher, les matériaux coûtent plus cher et tout prend plus de temps si l'on tient compte du post-traitement.

L'UT Austin a effectué des recherches sur des systèmes SLA avancés³ qui poussent la résolution encore plus loin, mais pour la plupart des applications de fabrication de prototypes, le système SLA standard fournit plus de détails que nécessaire à un coût plus élevé que justifié.

SLS : L'option industrielle

Le frittage sélectif par laser fait fondre de la poudre de plastique à l'aide de lasers. Aucune structure de support n'est nécessaire, des géométries internes complexes sont possibles, les propriétés mécaniques sont proches de celles des pièces moulées par injection.

La finition de la surface ressemble à du papier de verre fin, ce qui est utile pour les essais fonctionnels. Les pièces sortent de la machine prêtes à l'emploi, sans traitement ultérieur important.

Les inconvénients ? Les systèmes coûtent six chiffres, la manipulation des poudres nécessite une ventilation spéciale et le coût des matériaux fait paraître la FDM bon marché. Ce n'est pas quelque chose que la plupart des entreprises peuvent justifier occasionnellement prototypage rapide besoins.

Usinage de prototypage rapide : L'ancienne école rencontre la nouvelle vitesse

L'usinage de prototypage rapide associe la CNC traditionnelle à la programmation moderne pour fournir des prototypes usinés en quelques jours au lieu de quelques semaines. Le temps de programmation domine la configuration, mais lorsque la précision dimensionnelle importe plus que la vitesse, l'usinage reste souvent la seule option.

Les normes ASTM couvrent la fabrication additive⁴ mais l'usinage suit des règles différentes. Revêtements industriels sur Ra 0,4um à Ra 3,2um en fonction du temps et du coût. Précision dimensionnelle jusqu'à +/- 0,01 mm grâce à un réglage adéquat.

Les approches hybrides fonctionnent bien - impression proche de la forme finale, usinage des surfaces critiques. Cela permet d'économiser de la matière par rapport à l'usinage de pièces massives tout en apportant la précision nécessaire.

L'application concrète de ces mesures

Automobile : La vitesse répond aux normes de sécurité

Les constructeurs automobiles adorent le prototypage rapide car les cycles de développement sont brutaux et les changements constants. Le problème, c'est que même les prototypes de véhicules doivent répondre à des exigences de sécurité.

L'Administration nationale de la sécurité routière (National Highway Traffic Safety Administration) a adopté des règles pour tester les prototypes, ce qui complique le choix des matériaux. On ne peut pas se contenter d'imprimer quelque chose dans le plastique que l'on a sous la main : la résistance à la température, les propriétés d'impact, l'inflammabilité sont autant d'éléments qui entrent en ligne de compte pour le respect de la réglementation.

Dans le cadre du développement des véhicules électriques de Ford, le prototypage rapide a été largement utilisé pour les boîtiers de batteries. L'outillage traditionnel impliquait un délai de 12 à 16 semaines, l'impression 3D l'a ramené à 2 ou 3 semaines. Plus important encore, l'entreprise a pu tester plusieurs conceptions de canaux de refroidissement et choisir la plus performante.

Les limites des matériaux frustrent les ingénieurs automobiles. L'ABS convient pour la plupart des applications, le PETG pour les parties visibles, mais tout ce qui nécessite un renforcement en fibre de verre ou des additifs spéciaux est généralement synonyme de matériaux spéciaux coûteux.

Aérospatiale : Tout coûte trop cher et prend trop de temps

Le prototypage rapide dans le domaine de l'aérospatiale est soumis à des contraintes totalement différentes, car les conséquences des défaillances sont généralement catastrophiques. Les exigences de la FAA pour les composants d'aéronefs⁶ sont très étendues : documentation pour tout, traçabilité des matériaux, protocoles de test qui font passer les exigences de l'industrie automobile pour de la désinvolture.

Dans le cadre du développement du 787, Boeing a eu recours à la fabrication de prototypes pour les composants intérieurs, ce qui a permis de gagner beaucoup de temps par rapport à l'outillage traditionnel. L'agencement de la cabine change constamment lorsque les compagnies aériennes modifient leurs exigences. Il était donc extrêmement utile de pouvoir créer rapidement des maquettes de différentes configurations.

Les exigences en matière de matériaux poussent souvent les capacités de prototypage rapide à leurs limites. PEEK, alliages de titane, composites à base de fibres de carbone - des matériaux que la plupart des systèmes d'impression 3D ne peuvent pas traiter. Au final, il faut un équipement industriel qui coûte plus cher que la maison de la plupart des gens.

Dispositifs médicaux : Les réglementations compliquent tout

Le prototypage rapide médical est soumis aux exigences de la FDA⁷ qui semblent destinées à ralentir les progrès. Même les essais de prototypes nécessitent une documentation sur la biocompatibilité de tout matériau entrant en contact avec les patients.

Les normes ISO 10993 fixent les règles pour tester la sécurité d'un produit médical, même s'il ne s'agit que d'un modèle temporaire. Cela signifie que même pour une utilisation à court terme, de nombreux tests sont nécessaires. Les documents et les dossiers requis sont souvent plus nombreux que ceux qui étaient nécessaires auparavant pour les produits médicaux ordinaires.

Les dispositifs spécifiques au patient occupent une place importante dans la médecine. Il s'agit notamment d'outils tels que des modèles pour la planification d'opérations chirurgicales, des prothèses sur mesure et des guides pour la pose d'implants. Des choses qui étaient très difficiles à fabriquer avec les anciennes méthodes sont désormais faciles à réaliser grâce à l'impression 3D.

La biocompatibilité des matériaux reste le facteur limitant. La plupart des matériaux de prototypage rapide ne sont pas de qualité médicale et finissent par utiliser des résines ou des métaux spéciaux coûteux qui limitent les options technologiques.

La réalité technique derrière le battage médiatique

Attentes et réalité en matière de précision

La précision du prototypage rapide peut varier considérablement en fonction de la technologie utilisée, de la taille de la pièce et des efforts déployés pour la mise en place. La FDM est généralement de +/-0,1-0,2 mm, la SLA peut être de +/- 0,05 mm pour les petits composants, l'usinage peut atteindre +/- 0,01-0,02 mm avec une bonne fixation.

La finition de surface est l'aspect le plus décevant de la plupart des prototypes. La FDM présente toujours des lignes de couche - Ra 6,3μm est à peu près aussi lisse que possible. SLA peut atteindre Ra 0,8μm avec des paramètres de haute résolution, mais les temps d'impression augmentent considérablement.

Le NIST maintient des étalons de mesure pour la fabrication additive⁹, mais la plupart des ateliers fonctionnent avec un contrôle de qualité informel. Il faudrait vérifier les dimensions critiques à l'aide d'une MMT, mais cela ajoute du temps et des coûts qui vont à l'encontre de l'objectif visé pour de nombreuses applications.

Un post-traitement est généralement nécessaire pour obtenir une apparence proche de celle de la production. Le ponçage, le lissage chimique, l'usinage - autant d'opérations à forte intensité de main-d'œuvre qui ajoutent du temps à une production supposée rapide. prototypage rapide processus.

Matériaux : La limitation perpétuelle

Entraînements pour la sélection des matériaux prototypage rapide Le succès d'un prototype est plus important que le choix d'une géométrie ou d'une technologie. Les matériaux des prototypes doivent représenter les propriétés de production de manière suffisamment proche pour permettre des essais significatifs tout en restant compatibles avec l'équipement disponible.

Les matériaux courants et leur personnalité :

• PLA: Facile à imprimer, sent le bonbon, inutilisable à partir de 60°C
• ABS: Produit de base de l'industrie, bonne résistance aux chocs, se déforme si l'on n'y prend pas garde.
• PETG: Résistant aux produits chimiques, optiquement clair, généralement de bonne qualité.
• Nylon: Excellentes propriétés mécaniques, cauchemar à imprimer de manière cohérente
• Fibre de carbone: Rapport résistance/poids élevé, coûteux, mange les buses

Le ministère de l'énergie s'intéresse au développement des matériaux avancés¹⁰ mais les nouvelles options sont toujours en retard par rapport aux besoins réels des concepteurs. Ils finissent généralement par compromettre les exigences du prototype pour s'adapter aux matériaux disponibles plutôt que de trouver des matériaux qui correspondent aux exigences.

Économie : Les chiffres dont personne ne parle

Ce qu'il coûte réellement

Les coûts du prototypage rapide varient énormément. Le FDM de bureau peut coûter $2-20 par prototype, le SLS industriel peut atteindre $200-2000 par pièce, l'usinage de prototypage rapide varie de $100-5000 en fonction de la complexité.

Les comparaisons de temps sont plus spectaculaires que les comparaisons de coûts. L'outillage traditionnel de moulage par injection nécessite 6 à 12 semaines, Impression 3D Une géométrie identique prend de 4 à 24 heures. Les prototypes usinés passent d'un délai de 4 à 6 semaines à un délai de 1 à 3 jours.

Les recherches du MIT sur l'économie de la fabrication¹¹ montrent que le prototypage rapide est rentable jusqu'à environ 1 000 pièces pour la plupart des géométries, mais que les seuils de rentabilité dépendent fortement de la complexité. Les formes simples favorisent la fabrication traditionnelle à faible volume, tandis que les caractéristiques internes complexes favorisent l'impression 3D, même à des volumes plus élevés.

Les coûts cachés comprennent les échecs d'impression, les cycles d'itération de la conception, le travail de post-traitement et les déchets de matériel de soutien. La plupart des estimations de coûts ignorent ces facteurs et finissent par être optimistes.

RCI : Quand cela a du sens

L'investissement dans le prototypage rapide permet généralement d'obtenir un retour sur investissement de 3 à 5 fois en 18 mois, mais uniquement lorsque l'entreprise modifie ses processus de conception afin d'en exploiter les capacités. Le simple remplacement du prototypage traditionnel par l'impression 3D ne permettra pas d'en tirer tous les avantages, à moins de modifier le flux de travail.

La détection précoce des problèmes de conception permet de réaliser d'importantes économies. Trouver des problèmes d'interférence pendant le prototypage rapide peut coûter $50 à réparer. La résolution des mêmes problèmes après la mise en place de l'outillage de production coûte $50 000. Ces économies justifient aisément les investissements dans le prototypage rapide.

Ce qui est à venir (et ce qui ne le sera probablement pas)

Systèmes multimatériaux : La complexité s'accroît

Les systèmes de prototypage rapide de la prochaine génération s'attaquent aux constructions multi-matériaux - propriétés différentes selon les régions, électronique intégrée, rigidité variable. Carnegie Mellon mène des recherches intéressantes¹² sur l'intégration de capteurs pendant l'impression, afin de créer des prototypes dotés d'instruments intégrés.

Les systèmes de fabrication hybrides combinant les processus additifs et soustractifs deviennent pratiques pour les environnements de production. Imprimer la forme de base, usiner les caractéristiques critiques, éventuellement ajouter des opérations secondaires - le tout sans manipulation des pièces entre les différentes installations.

Industrie 4.0 : Des mots à la mode avec un peu de substance

La fabrication de prototypes intelligents avec surveillance en temps réel et contrôle adaptatif fait son apparition dans les systèmes industriels. Contrôle de la qualité couche par couche, ajustement automatique des paramètres, maintenance prédictive - autant d'éléments qui permettent de réduire les déchets et d'améliorer la cohérence.

Les services de prototypage rapide basés sur le cloud changent la donne pour les petites entreprises. Les algorithmes sélectionnent les méthodes et les lieux de production optimaux en fonction des capacités et des exigences de livraison. Démocratise l'accès aux technologies industrielles coûteuses de prototypage rapide.

Prendre des décisions qui fonctionnent

Le choix de la technologie de prototypage rapide se résume à comprendre les compromis. Vous avez besoin d'un délai d'exécution rapide et vous ne vous souciez pas de l'état de surface ? FDM. Géométrie interne complexe sans enlèvement de support ? SLS. Tolérances de précision ? Usinage. Surfaces lisses ? SLA avec post-traitement.

Les exigences en matière de matériaux déterminent souvent le choix de la technologie plus que la géométrie. La résistance à la température, la compatibilité chimique, les propriétés mécaniques sont autant d'éléments qui limitent le choix des méthodes de prototypage rapide pour des applications spécifiques.

Le contrôle de la qualité doit correspondre aux exigences des essais. Les prototypes d'évaluation visuelle n'ont pas besoin de vérification dimensionnelle. Les prototypes d'essai fonctionnel doivent faire l'objet d'un contrôle de toutes les dimensions critiques. Les normes ASTM fournissent des orientations¹³ mais la plupart des ateliers travaillent de manière informelle.

L'intégration dans les processus de conception existants est plus importante que le choix de la technologie. Les CAO qui intègrent l'analyse de l'imprimabilité, la construction automatique de supports et l'optimisation de la géométrie en vue de la fabrication additive - ces outils réduisent le temps nécessaire pour passer de l'idée à la visualisation réelle.

La meilleure utilisation de la production de prototypes est lorsqu'elle est incorporée dans les différents processus de conception et non comme un substitut à ceux-ci. Les entreprises qui connaissent les limites de la technologie et conçoivent en gardant ces limites à l'esprit en tirent le plus grand profit. Les personnes qui s'attendent à ce que l'impression 3D les sauve dans tous les domaines ont tendance à être déçues.

Le fait est que le prototypage rapide a complètement modifié l'industrie du développement de produits parce que l'itération est à la fois peu coûteuse et rapide. Toutefois, il s'agit toujours d'un outil. Pour réussir, il est important de l'utiliser correctement, mais pas de faire des miracles.