Méthodes de prototypage rapide : exploration des principales options

Méthodes de prototypage rapide

Les procédés de prototypage rapide existent depuis plusieurs décennies, mais ils restent pertinents en ingénierie et dans de nombreux autres domaines. L'usinage CNC, l'impression 3D, le dépôt de fil fondu (FDM), la fabrication d'objets laminés (LOM) et les techniques spécifiques associées offrent aux fabricants des avantages précieux. 

Par exemple, le cycle de développement produit est raccourci, les coûts de fabrication minimisés et les conceptions testées. Le prototypage rapide permet également aux ingénieurs et aux concepteurs de faire du développement produit un travail d'équipe grâce à une meilleure implication.

Les méthodes de prototypage rapide sont la solution idéale pour toute entreprise souhaitant commercialiser ses produits plus rapidement, améliorer l'intelligence des stocks et conclure des affaires plus rapidement.  

Cet article explore les différentes méthodes de prototypage rapide, discute de leurs bases et met en évidence des conseils pour choisir celle qui convient le mieux. 

Qu'est-ce qu'un prototype ? Qu'est-ce que le prototypage rapide ? 

Un prototype peut être considéré comme la première étape concrète du processus de développement produit, entre l'idéation et la fabrication. Bien qu'il s'agisse d'une maquette du produit envisagé, un prototype en présente les principales caractéristiques et peut donc être utilisé à des fins de test avant la fabrication à grande échelle. Un bon exemple est le prototype de voiture ci-dessous.

Un prototype de voiture

Les fabricants utilisent le concept de prototype pour découvrir les défauts de conception et de fabrication et sont ainsi en mesure d'économiser du temps et des ressources au fil du temps. 

Le prototypage rapide est un processus rapide et répétitif de génération de pièces tangibles à partir de conceptions numériques. Ces pièces sont généralement fabriquées en quelques jours, contrairement au prototypage standard qui prend des semaines. Grâce à une production aussi rapide, les fabricants et les concepteurs peuvent tester et améliorer les produits avant la production en série. 

En temps normal, le fossé entre la création d'une idée et sa fabrication est important, mais la situation change avec les processus de prototypage rapide. Comme nous le verrons dans les sections ci-dessous, plusieurs méthodes facilitent le prototypage rapide, dont l'usinage CNC. 

Histoire du prototypage rapide 

Le concept le plus ancien de prototypage rapide est largement attribué aux efforts de Charles Hull et Hideo Kodama dans les années 1980, parallèlement à l'impression 3D. C'était après que l'allemand Bayer eut développé la technique de moulage par injection-réaction en 1969. 

Depuis lors, la technologie a progressé, comme en témoignent des techniques uniques comme le frittage sélectif par laser (SLS) et la modélisation par dépôt de fil fondu (FDM), mais aussi son intégration transparente avec les processus de fabrication industrielle et d'outillage. 

Prototypage rapide vs prototypage traditionnel

À bien des égards, les méthodes de prototypage rapide constituent une amélioration par rapport au prototypage rapide traditionnel. Parmi les arguments en faveur de cet argument figurent la compatibilité des matériaux, la fabrication 3D à l'échelle, la précision d'usinage et le contrôle de la vitesse.     

Qu'est-ce que le prototypage traditionnel ? 

Le prototypage traditionnel est une forme de prototypage qui fait largement appel à l'effort humain et aux machines traditionnelles telles que les moules, les fraiseuses et les tours. Les machinistes utilisent le prototypage traditionnel depuis des décennies pour fabriquer des prototypes fonctionnels. 

Un tour conventionnel

Les principales caractéristiques du prototypage traditionnel sont :

• Durée plus longue – Des semaines, des mois
• Polyvalence de conception limitée – les modifications de conception peuvent être extrêmement difficiles et coûteuses
• Convient à la fabrication à grande échelle – Les prototypes traditionnels sont parfaits pour des tests approximatifs ou même pour la production en série

Les différences sont plus claires avec le résumé des fonctionnalités de prototypage rapide ci-dessous.

Quelles sont les trois caractéristiques clés d’un prototype rapide ?

La valeur fondamentale d’un prototype rapide repose sur trois caractéristiques principales, à savoir la rentabilité, la rapidité et l’itération.

Vitesse

Le temps nécessaire entre la conception et la production d’une pièce tangible peut être aussi court que quelques heures, mais certains peuvent prendre plus de temps, par exemple des mois. 

Efficacité des coûts

Un prototype rapide est fabriqué à l’aide d’outils et de matériaux à faible coût.

Itération

Un bon prototype rapide est facile à modifier et peut être produit en plusieurs exemplaires pour analyse et test.

Quels sont les différents types de prototypage rapide ? 

Les processus de prototypage rapide sont disponibles dans différents styles pour répondre aux différents besoins industriels : prototypage rapide à base de métal, prototypage rapide à base de plastique et prototypage de matériaux composites et autres. 

Pour une meilleure compréhension des domaines d'application des différents types de prototypage, vous trouverez ci-dessous une discussion détaillée.

Quelle est la méthode de prototypage rapide pour les métaux ? 

Le prototypage rapide à base de métal est une option idéale pour le prototypage rapide de pièces répondant aux exigences de précision et de résistance. Ces prototypes sont susceptibles d'être soumis à des contraintes thermiques ou mécaniques, notamment dans des secteurs comme la machinerie lourde et l'aéronautique. 

Le moulage de métaux, la fabrication de tôles, l'impression 3D et l'usinage CNC sont les principales approches utilisées par les fabricants pour créer des prototypes métalliques. Comme indiqué ci-dessous, chacune occupe une place particulière dans l'industrie du prototypage.

• Prototypes de moulage en métal

Les prototypes de moulage en métal sont préférables pour les formes complexes qui peuvent être difficiles à produire avec l'impression 3D ou l'usinage CNC, en particulier si le usinabilité Il manque du matériau. Le métal en fusion étant coulé dans un moule, il est facile de créer presque toutes les géométries complexes. 

Avantages sociaux

• Force et durabilité
• Une solution rentable
• Polyvalent – ​​de nombreux alliages métalliques
• Convient aux géométries internes complexes

Limites

• Coût d'investissement initial élevé
• Déchets de matériaux
• Haute expertise requise

Prototype en métal coulé

La finition de surface n’est peut-être pas la meilleure, mais elle peut être affinée avec des processus supplémentaires tels que la peinture et le revêtement. 

• Prototypes de tôlerie

Le prototypage de tôles est une méthode de fabrication de pièces à partir de feuilles métalliques fines (généralement inférieures à 6 mm). Ce procédé de formage à froid comprend le pliage, l'emboutissage, le soudage, le poinçonnage et la découpe. 

Prototypage de tôle

Les meilleurs fournisseurs de services de fabrication de tôles peuvent développer n'importe quel prototype de tôle selon les exigences du client en matière de tolérances, de finition de surface, de volumes, etc. 

Avantages sociaux

• Redressement rapide
• Pièces de prototypage rapide à parois minces économiques
• De nombreux types de métaux 

Limites

• Limitation d'épaisseur
• Des problèmes tels que le retour élastique
• Pas idéal pour les virages complexes

• Usinage CNC de prototypes métalliques

CNC processus d'usinage est une option tout aussi prometteuse pour le prototypage rapide, grâce à sa vitesse élevée, son faible coût et son excellent état de surface. Comparé à une méthode de fabrication additive comme l'impression 3D, l'usinage CNC soustractif permet d'obtenir des états de surface supérieurs. 

Usinage CNC 

Le processus se présente sous différentes formes https://proleantech.com/multi-axis-cnc-machining/ configurations, ce qui incite à des comparaisons telles que CNC 3 axes vs 5 axes. 

Avantages sociaux

• Tolérances serrées et précision dimensionnelle
• Peut produire des contre-dépouilles et d'autres géométries complexes
• Finition de surface supérieure
• Une large gamme de nuances de métaux est usinable 

Limites

• Déchets de matériaux importants
• Prend du temps, surtout pour les pièces complexes
• Coûteux pour les pièces complexes

• Impression 3D de prototypes métalliques

Lorsque les techniques conventionnelles de fabrication de métaux ne permettent pas de produire de prototypes, les fabricants peuvent recourir au frittage laser direct de métal (DMLS), à la fusion laser sélective (SLM) et à d'autres méthodes d'impression 3D métal. Les matériaux non exploitables par d'autres méthodes peuvent être imprimés couche par couche pour produire des pièces complexes de prototypage rapide. 

Impression 3D en métal

Avantages sociaux

• Les fixations et l'outillage ne sont pas nécessaires
• Gaspillage de matériel minimal
• La production simultanée de plusieurs pièces est possible
• Peut produire des géométries internes complexes

Limites

• Post-traitement souvent nécessaire
• Coûts élevés des équipements et des matières premières
• Cela prend plus de temps pour les pièces plus grandes

• Moulage par injection de métal (MIM)

Le procédé comprend quatre étapes principales : la préparation de la matière première, le moulage par injection, le déliantage et le frittage. Le moulage par injection de métal est une méthode efficace de prototypage rapide pour les pièces métalliques complexes. 

Le MIM est économique pour le prototypage de petites pièces complexes en grandes séries. Des prises de téléphone portable et des boîtiers de montre sont produits grâce à cette technique. 

Avantages sociaux 

• Convient aux pièces à parois minces (inférieures à 100 micromètres)
• Faible impact environnemental
• Processus rapide
• Économique pour les petites pièces

Limites

• Production limitée à de petites pièces. Les grandes pièces sont trop coûteuses. 

Prototypage rapide à base de plastique

Lorsque la rentabilité et la rapidité sont les priorités du prototypage rapide, les pièces en plastique constituent souvent le meilleur choix. Les fabricants de produits grand public, médicaux et électroniques construisent généralement leurs prototypes fonctionnels en plastique.

Selon le niveau de détail, la finition de surface ou la résistance requise pour le prototype, les options incluent l'impression 3D PolyJet, la modélisation par dépôt de fil fondu (FDM), le frittage sélectif par laser (SLS) et la stéréolithographie (SLA). 

• Moulage par injection rapide

Le moulage par injection rapide utilise une pression élevée pour forcer les résines thermoplastiques dans un moule. Ce procédé rapide suit les étapes suivantes : 

• Conception à l'aide d'un logiciel de CAO 
• Production de moules 
• Sélection du matériau de résine 
• Le moulage par injection 
• Refroidissement 
• Post-traitement

Avantages sociaux 

• Vitesse et efficacité 
• Rentable (pour les volumes faibles à moyens)
• Polyvalence des matériaux 
• Réponse rapide au marché

Limites

• Coût initial élevé
• Modifications de conception coûteuses
• Délai initialement long

• Impression 3D PolyJet

Cette technologie consiste à pulvériser de fines couches de résine photopolymère haute résolution. La résine est maintenue par une matrice de gel spéciale, qui est retirée une fois le processus terminé. 

Diagramme du processus d'impression 3D PolyJet

Le PolyJet est utilisé pour les pièces complexes à parois minces et est disponible en différentes couleurs. Sa faible résistance et son inadéquation aux tests fonctionnels sont ses limites. 

Avantages sociaux

• Finition de surface supérieure
• Multicolore et multi-matière
• Post-traitement minimal

Limites

• Mauvaises propriétés mécaniques
• Les pièces peuvent se dégrader plus rapidement
• Ne convient pas aux pièces fonctionnelles

• Modèle de dépôt fondu (FDM)

Modélisation des dépôts fondus

En termes simples, la FDM consiste à créer une pièce 3D à partir de plusieurs couches de matériau thermoplastique. Cette méthode de prototypage rapide est compatible avec divers matériaux et relativement abordable. Son défi réside dans la qualité de l'état de surface et la résistance limitée de l'axe Z. 

Avantages sociaux

• De nombreuses options de matériaux thermoplastiques
• Post-traitement minimal
• Gros volumes

Limites

• Lignes de calque visibles
• Besoin de structures de soutien
• Problèmes de rétrécissement et de déformation

• Frittage laser sélectif (SLS)

Pièce réalisée par la méthode SLS

La méthode SLS utilise un procédé d'agrégation ou de frittage utilisant la puissance d'un laser sur une poudre polymère. C'est une technique efficace pour la fabrication de prototypes à géométrie complexe. Les pièces obtenues sont précises et durables, malgré une structure parfois fragile et une surface rugueuse.  

Avantages sociaux

• Les structures de soutien ne sont pas nécessaires
• Propriétés mécaniques supérieures
• Géométries complexes

Limites

• Cher à mettre en place
• Mauvais état de surface
• Refroidit lentement

• Stéréolithographie (SLA)

Le procédé SLA consiste à diriger un laser sur des résines liquides pour produire une pièce. Les prototypes rapides de ce type présentent un excellent état de surface et une géométrie précise. Les ingénieurs et les concepteurs privilégient également les prototypes SLA pour leur rentabilité, bien que leur résistance soit relativement faible. 

Un prototype fabriqué par SLA pour l'aérospatiale

Avantages sociaux

• Finition de surface parfaite
• Excellentes tolérances et précision dimensionnelle
• Les petites et moyennes pièces sont fabriquées rapidement
• De nombreux matériaux en résine sont utilisables

Limites

• Post-traitement requis
• Les surplombs nécessitent un support
• Un stockage approprié est nécessaire pour les pièces sensibles aux rayons UV

Prototypage de matériaux composites et autres

Parfois, le prototypage rapide nécessite des pièces capables de résister à l'usure, à la chaleur et de répondre à d'autres exigences non couvertes par les prototypes en métal ou en plastique. Des options comme l'impression 3D céramique, la fabrication d'objets laminés (LOM) et le moulage à la cire perdue (via des modèles imprimés en 3D) comblent ce manque. 

À vrai dire, ces matériaux ne sont pas aussi reconnus que les deux autres, mais ils peuvent constituer de meilleures options dans certaines circonstances. Voyons ce que chacun d'eux représente. 

• Impression 3D en céramique

Pièce imprimée en 3D en céramique

Les prototypes en céramique peuvent être produits en construisant systématiquement une pièce à partir de poudre ou de barbotine céramique. Un liant et de la chaleur assurent la solidification de chaque couche avant d'en superposer une autre. 

Avantages sociaux

• Résistance chimique et thermique
• Pièces biocompatibles
• Dureté et résistance à l'usure

Limites

• Un post-traitement est requis
• Coûts de matériaux élevés
• Rétrécissement élevé du matériau

• Fabrication d'objets laminés (LOM)

Cette technique moderne de fabrication additive (RP), inventée par Helisys Inc., utilise des stratifiés enduits d'adhésif comme support d'impression. Une fois les couches de matériau superposées et assemblées par découpe laser, un prototype est créé. 

Diagramme de processus LOM

Avantages sociaux

• Utilise des matériaux en feuille abordables
• Production rapide de formes/géométries simples
• Convient aux prototypes visuels

Limites

• Restrictions matérielles
• Pas idéal pour les pièces mécaniques fonctionnelles
• Mauvais état de surface
• Beaucoup de post-traitement

• Moulage à la cire perdue (via des modèles imprimés en 3D)

La cire perdue existe depuis des siècles et, grâce aux progrès de la 3D, elle est désormais applicable à l'impression 3D composite. Un modèle 3D est conçu et un modèle en résine moulable est imprimé. 

Le modèle est intégré dans une barbotine céramique pour produire un moule. Une fois le composite fondu coulé dans la cavité et solidifié, on obtient un prototype composite. 

Avantages sociaux

• Finition de surface supérieure
• Géométries complexes
• Haute précision dimensionnelle

Limites

• Une grande expertise est requise
• Limitation de la taille des pièces
• Le coût par pièce est élevé

Tableau de comparaison

Voici un tableau comparatif simplifié des différentes méthodes de prototypage rapide :

Notez que, en fonction de l'objectif et du stade du prototypage rapide dans le processus de fabrication, les catégories sont :

• Prototypes d'ingénierie

Un prototype d'ingénierie

• Basse fidélité
• Haute-fidélité
• Preuve de concept
• Prototypes ressemblant
• Prototypes fonctionnels
• Tests de validation et prototypes de fabrication

Nous aborderons ces points plus en détail dans un prochain article. 

Pour en savoir plus: 

Guide d'usinage composite, 

Importance des méthodes de prototypage rapide dans la fabrication

Dans un monde en constante évolution où la concurrence est rude, rien ne vaut un processus de développement de production précis et rapide. Le prototypage rapide permet aux concepteurs et aux fabricants de concrétiser leurs idées rapidement et de les lancer en production. 

Cette stratégie présente divers avantages, notamment un développement de produit plus rapide, une qualité de produit améliorée, des économies de coûts plus importantes et une détection précoce des erreurs de conception.

Présentation d'idées de produits

Les designers utilisent des processus de prototypage rapide pour présenter et expliquer leurs idées aux parties prenantes, qu'il s'agisse d'investisseurs, du conseil d'administration ou d'autres services. L'objectif est d'accélérer le processus d'approbation de la conception, mais cette étape favorise également la cohésion d'équipe. 

Évite les erreurs de conception coûteuses

Un autre avantage notable de la RP est l'identification des défauts de conception dès le début du cycle de développement du produit. Les concepteurs peuvent ainsi éviter des erreurs coûteuses avant même que le produit ne passe en production. 

Convient à la fabrication en faible volume 

Oui, le prototypage rapide est une option pour la production en petite série, car certaines de ses méthodes permettent de produire des produits prêts à être commercialisés. La coulée sous vide, l'impression 3D et le moulage par injection offrent des services de prototypage de haute précision. 

Fabrication à faible volume

Accélère le développement de produits 

L'essence même du prototypage rapide est de livrer des pièces d'essai dès la conception, aussi rapidement et efficacement que possible. Les entreprises souhaitent réduire le délai entre la conception de l'idée et sa traduction en produit concret. C'est précisément ce que services de prototypage rapide faire. 

Applications et cas d'utilisation du prototypage rapide

Le prototypage rapide est couramment utilisé dans les industries modernes, notamment l’architecture et la construction, l’électronique grand public, les soins de santé et les appareils médicaux, ainsi que la robotique et l’automatisation. 

Architecture et construction

Les architectes et les ingénieurs peuvent utiliser des prototypes à l'échelle 1:1 dans leurs projets de construction pour recueillir efficacement les retours des utilisateurs. Cela leur permet de savoir rapidement si la conception proposée nécessite des ajustements. 

Electronique 

Les fabricants d'électronique grand public utilisent des outils et des techniques de prototypage rapide pour créer des itérations qui optimisent efficacement la fabrication. Les méthodes de prototypage rapide les plus répandues dans l'industrie sont l'usinage CNC, l'impression 3D et le moulage sous vide. 

Par exemple, les boîtiers en aluminium sont fraisés CNC et les supports internes sont fraisés CNC. 

prototype électronique

Soins de santé et dispositifs médicaux

Le secteur médical et de la santé exige en permanence des produits innovants conformes aux normes réglementaires. Grâce aux solutions de prototypage rapide, les concepteurs peuvent transformer leurs idées en prototypes physiques en quelques heures. 

Les techniques principalement utilisées pour les dispositifs de diagnostic, chirurgicaux et autres comprennent le moulage par cire perdue, l’usinage CNC et l’impression 3D. 

Robotique et automatisation

Le prototypage rapide est utile dans de nombreux domaines de cette industrie, des actionneurs et capteurs à l’ingénierie biomédicale et aux nanosystèmes. 

Relier le prototypage et la production

Passer du prototypage rapide à la production à grande échelle peut s'avérer complexe, à moins de mettre en œuvre quelques stratégies. L'expérience montre que commencer par l'impression 3D pour les prototypes et adapter la production à l'augmentation de la demande est une stratégie efficace. 

Les étapes spécifiques à suivre sont :

Étape 1: Développer un modèle de prototype numérique

Étape 2:Effectuer une étude de marché approfondie et tester le produit/prototype

Étape 3: Passer à la fabrication en faible volume 

Considérations pour le choix d'une méthode de prototypage rapide

La rapidité n'est pas le seul critère à prendre en compte pour une bonne méthode de prototypage rapide : la fonctionnalité, les objectifs du projet, le type de matériau et les angles sont également pris en compte. La méthode idéale peut éventuellement dépendre de l'état de surface, de la tolérance, voire de la complexité de la pièce, mais cela n'exclut pas non plus le délai d'exécution. 

En général, voici trois éléments à prendre en compte : 

• Propriétés du matériau

Les fabricants choisissent le matériau du prototype en fonction de l'application et des caractéristiques souhaitées. Si le budget le permet, les prototypes métalliques sont idéaux pour les tests fonctionnels, car ils sont robustes et durables. Les thermoplastiques peuvent également être utilisés pour le prototypage fonctionnel. 

Cependant, les pièces à base de résine peuvent ne pas être adaptées aux tests fonctionnels, même si elles offrent une résolution supérieure. 

• Complexité de la conception du prototype 

Pièce métallique complexe

La construction de prototypes très complexes nécessite une méthode RP capable de prendre en charge des pièces complexes et de prendre en charge des tests fonctionnels, si nécessaire. L'usinage CNC, qui atteint une précision de ± 0.005 mm, se distingue et trouve son utilité dans l'aéronautique, l'automobile et d'autres secteurs où la sécurité est primordiale. 

Pour en savoir plus sur les capacités de cette technique, consultez le guide : 

L'usinage CNC expliqué : processus, techniques et coûts 

• Coût du prototypage 

Il est également crucial de déterminer le budget, qui, selon les experts, ne devrait pas dépasser 20 % du budget total du projet. Trouver un équilibre entre les attentes du projet et le budget est toujours délicat, mais des experts sont toujours là pour vous accompagner à cette étape comme à d'autres. 

Les considérations de coût à prendre en compte incluent le type de méthode de prototypage rapide, le type de matériau, le nombre de prototypes (les économies d'échelle accompagnent davantage de prototypes), les coûts de main-d'œuvre et les frais généraux. 

• Cadre de décision/Questions

La liste des méthodes de prototypage rapide étant longue, utilisez l’approche suivante pour faciliter la prise de décision. 

Besoin de tests fonctionnels sous stress ? → Méthodes à base de métaux

Besoin d'itérations rapides et rentables ? → Méthodes à base de plastique

Besoin de propriétés spécialisées (résistance à la chaleur/aux produits chimiques) ? → Méthodes composites

La fusion des logiciels et des méthodes de prototypage rapide

L'association de méthodes de prototypage rapide et de solutions logicielles est un atout majeur. Les logiciels, qu'ils soient destinés à la conception ou à la simulation, améliorent l'efficacité du processus de prototypage rapide. 

Parmi les exemples de logiciels de conception assistée par ordinateur (CAO) couramment utilisés dans ce processus, on peut citer AutoCAD, Fusion 360, Autodesk Inventor et SolidWorks. 

Fusion 360

Les logiciels de simulation, essentiels dans l’analyse et les tests virtuels, incluent ANSYS et SolidWorks Simulation. 

Les options logicielles CAM (fabrication assistée par ordinateur) les plus populaires sont

Fusion 360 et Mastercam. 

La liste des logiciels à considérer est longue, car même des techniques spécifiques de prototypage rapide peuvent proposer des solutions dédiées. Citons par exemple Materialise Magics utilisé avec SLS et Insight associé à FDM. 

Les erreurs courantes à éviter dans le prototypage rapide

Le prototypage rapide, dans le cadre du processus de développement produit, implique des étapes et doit donc être réalisé avec soin. Une seule erreur peut anéantir des années de travail acharné. 

Les erreurs courantes que les équipes devraient éviter au cours du processus sont les suivantes :

1. Travailler avec des objectifs de prototypage peu clairs
2. Ignorer les commentaires des utilisateurs sur un prototype
3. Ignorer les performances fonctionnelles d'un prototype
4. Ne pas prendre en compte le processus de fabrication et les besoins en matières premières dès le début
5. Ne pas adopter l’amélioration continue, s’accrocher à un prototype particulier à la place

Conclusion

L'environnement industriel moderne est incarné par la flexibilité, la précision et la polyvalence, des atouts que le prototypage rapide améliore à bien des égards. En permettant aux fabricants d'éviter les risques, de réagir rapidement aux dynamiques du marché et d'accélérer l'innovation, le prototypage rapide constitue un atout concurrentiel précieux. 

Si le prototypage et la fabrication rapides de qualité sont importants pour votre entreprise, ProleanTech est là pour vous aider. Services d'usinage CNC pour le prototypage rapide et la fabrication complète se distinguent par leur supériorité tout au long du processus de production. 

Vous pouvez nous appeler à tout moment pour en savoir plus sur nos offres.