Test fonctionnel d'une poulie imprimée en 3D.

Les matériaux de production sont essentiels au prototypage

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En un coup d’oeil:

  • Les prototypes sont conçus pour tester l’ajustement, la forme et la fonction.
  • L’impression 3D offre un moyen efficace de créer des prototypes fonctionnels.
  • Il y a des avantages à utiliser des prototypes créés avec des matériaux de production.

Pourquoi nous prototypons

Prototypage: un terme aussi commun aux développeurs et ingénieurs de produits que la farine l’est aux boulangers. Dans sa forme de base, un prototype est une représentation physique d’une idée. Une fois l’idée esquissée sur papier, puis conçue dans un programme de CAO, il est temps de construire un prototype. Les prototypes sont les moyens pour les concepteurs d’itérer vers la perfection, leur permettant de tester leurs conceptions et de prouver autant que possible avant d’entrer en production. Les erreurs de production sont beaucoup plus coûteuses à corriger que lorsqu’elles sont corrigées pendant le processus de conception. Le prototypage peut être fait par un certain nombre de méthodes, mais les matériaux doivent correspondre aux besoins.

Impression 3D: rapide et peu coûteuse pour le prototypage

L’impression 3D, ou fabrication additive, est devenue la méthode de prototypage la plus courante. L’impression d’une pièce est un moyen relativement rapide et peu coûteux d’évaluer sa conception. Dans un 2019 étude de l’industrie, 80% des entreprises ont déclaré que l’impression 3D leur permettait d’innover plus rapidement.

Il existe de nombreux types de technologies d’impression 3D, avec des systèmes allant des petites unités de bureau bon marché aux grandes unités de production industrielles multi-matériaux. Les principaux facteurs de différenciation sont les matériaux, la taille de fabrication, la vitesse, la finition de surface et la précision. Chaque technologie a ses avantages et ses inconvénients. À ce stade, aucune technologie ne peut tout faire pour tout le monde. Différentes technologies sont mises en œuvre à différents moments du processus de conception en fonction de la complexité du prototype et des méthodes de test.

Les principales fonctions du prototypage

Si vous êtes un concepteur ou un ingénieur, ou si vous vous asseyez à côté d’un, vous avez entendu le terme test Fit-Form-Function. Voici les trois principales caractéristiques que les prototypes sont conçus pour tester:

En forme. La capacité de la pièce à se connecter, à s’accoupler ou à se joindre à une autre pièce dans un assemblage.

Forme. Les caractéristiques d’une pièce telles que les dimensions extérieures, le poids, la taille et l’aspect visuel. L’ergonomie fait souvent partie de cette catégorie.

Une fonction. L’action ou les actions pour lesquelles la pièce a été conçue.

Pour tester différentes caractéristiques, différentes versions d’un prototype peuvent être nécessaires. Différentes versions peuvent être constituées de modèles fabriqués à partir de technologies ou de matériaux différents. Par exemple, pour tester l’ajustement de deux pièces, un ABS de base (Acrylonitrile butadiène styrène) modèle peut fonctionner. Cependant, ce même modèle ne sera pas suffisant pour tester l’ergonomie d’une section surmoulée de la conception.

Pour tester cette section, un modèle multi-matériaux avec des matériaux rigides et souples est nécessaire. Avec toutes les technologies d’impression 3D disponibles, on pourrait supposer que nous pouvons compléter tous nos tests Fit-Form-Function avec des modèles imprimés. Cependant, certaines entreprises soutiendront que ce n’est pas possible.

Les méthodes traditionnelles et leur avantage

Avant que l’impression 3D ne devienne courante, les entreprises comptaient sur l’usinage ou le moulage par injection à l’aide d’outils souples pour produire des prototypes. Par rapport à l’impression, ces technologies sont généralement considérées comme plus lentes et plus coûteuses. Cependant, les partisans de l’impression 3D affirment que l’utilisation de ces méthodes ajoutera du temps et des coûts inutiles au cycle de conception. De nombreuses entreprises utilisent encore ces méthodes en raison de l’avantage majeur: un modèle créé dans leur matériel de production.

Quelle est l’importance des matériaux lors du prototypage?

Bien qu’un modèle de base imprimé en 3D puisse être utilisé pour analyser les caractéristiques Fit-Form-Function, certains des points les plus fins peuvent être manqués. C’est là qu’un modèle créé dans des matériaux de production peut briller. Réexaminons nos tests Fit-Form-Function.

En forme. Différents matériaux auront des propriétés différentes. Lors de l’analyse de l’assemblage de deux pièces, il est important que le matériau du prototype se plie et se plie de la même manière que la pièce de production. Par exemple, une pièce imprimée en ABS n’aura pas le même flex qu’une pièce moulée en polypropylène. Est-il possible que le matériau du prototype agisse suffisamment différemment lors des tests pour provoquer une erreur de production?

Forme. Les concepteurs investissent beaucoup de temps à choisir les bons matériaux pour leurs pièces. L’esthétique, la sensation et la flexibilité des matériaux peuvent être critiques pour une utilisation correcte ou son attrait par rapport au produit d’un concurrent. Lors de la présentation d’une partie à l’équipe marketing, l’aspect et la convivialité sont importants. Imaginez la poignée d’un produit conçue en deux matériaux avec des fonctionnalités flexibles pour réduire la fatigue de l’utilisateur. Un modèle rigide mono-matériau ne montrera pas correctement cette conception réfléchie. En conséquence, l’équipe marketing peut ne pas comprendre la conception et le projet est abandonné pour autre chose.

Test fonctionnel d’une poulie imprimée en 3D.Arburg

Une fonction. C’est le plus évident des trois. Selon les types de tests fonctionnels qui seront effectués, un prototype dans le mauvais matériau peut aller d’inutile à dangereux. Les méthodes de test fonctionnel peuvent inclure:

  • Fonction de base: l’assemblage fonctionne-t-il comme prévu?
  • Essais destructifs: la pièce passera-t-elle les essais d’environnement, de fatigue, de mécanique ou de contrainte? Ce ne sont là que quelques-uns des différents types.
  • Test de chute: la pièce est-elle suffisamment durable comme conçue?
  • Test utilisateur: certaines entreprises choisissent de créer des conceptions entièrement fonctionnelles et les soumettent aux clients pour les tester et les examiner.

Il est simple de comprendre pourquoi les bons matériaux doivent être utilisés pour ces tests. Le mauvais matériel fournira de fausses données.

Bien qu’il ne soit pas nécessaire que le matériau de production soit utilisé dans tous les aspects des tests de Fit-Form-Function, il existe certainement des tests qui nécessitent que le prototype soit fabriqué avec les matériaux appropriés.

Avantages cachés du prototypage dans les matériaux de production

Au-delà de la création de données de test précises, il existe des avantages supplémentaires à utiliser des matériaux de production pour vos prototypes. Ce sont des avantages que les concepteurs peuvent ne pas considérer car ils résolvent des défis souvent traités par le service de production.

Choix du matériel / approvisionnement. Les concepteurs choisissent généralement leurs matériaux, mais l’approvisionnement se fait par production. Certains fournisseurs peuvent prendre jusqu’à 14 semaines pour traiter une commande de matériel. Si un article est validé plus tôt dans le processus de conception, cela permet à l’équipe de production de commander l’article bien avant que la propriété de la pièce ne lui soit transférée. Dans ce scénario, l’équipe de production économise des semaines d’attente sur le matériel et commence la fabrication plus tôt que prévu.

Prototype de filtre PPE soudé par ultrasons imprimé sur un freeformer Arburg.Prototype de filtre EPI soudé par ultrasons imprimé sur un freeformer Arburg.Arburg

Validez un processus de fabrication. Une autre façon dont ces prototypes peuvent aider l’équipe de production est de valider un processus de fabrication spécifique. Un exemple est celui d’un filtre à air pour un masque EPI. La soupape d’échappement est un matériau rigide et le filtre est en tissu. Les ingénieurs de fabrication ont eu l’idée de souder par ultrasons le filtre à la soupape d’échappement. En prototypant la soupape d’échappement dans le matériau PC-ABS qu’ils avaient l’intention d’utiliser dans la production, ils ont pu valider le processus de soudage sonique et commencer la mise en place de la cellule de fabrication avant que le moule ne soit prêt.

Impression 3D avec des matériaux de production

Il est clair que l’utilisation de prototypes créés avec des matériaux de production présente de nombreux avantages. Les entreprises devraient-elles renoncer à utiliser ces méthodes traditionnelles comme seul moyen d’obtenir des pièces prototypes dans leurs matériaux de production?

Les entreprises intelligentes vont chercher un moyen d’obtenir des modèles imprimés en 3D dans leur propre matériel de production. Par exemple, une technologie d’impression 3D, appelée APF (Arburg Plastic Freeforming), utilise des granulés / granulés de qualité pour le moulage par injection comme matériau d’impression de base. Un utilisateur peut charger ses propres matériaux de production, configurer le profil de matériau et imprimer. Cette technologie présente deux avantages principaux:

Ajout de pastilles thermoplastiques au freeformer Arburg.Ajout de pastilles thermoplastiques au freeformer Arburg.Arburg

  1. Modèles de test plus précis. L’utilisation du bon matériau rend les tests plus précis. Il est vrai que les pièces imprimées en 3D ne sont pas identiques aux pièces moulées par injection. Les densités peuvent varier, mais si les différences sont connues, un simple facteur de correction peut être appliqué pour obtenir des tests précis. Ces modèles imprimés seront plus précis pour les tests que les autres technologies d’impression et réalisés à une fraction du coût des pièces usinées ou moulées.
  2. La production à faible volume est une option. En supposant que la finition de surface et la précision de la technologie sont suffisantes pour votre conception, l’impression dans les matériaux de production ouvre la porte à des opportunités de production à faible volume. Les organisations peuvent tirer parti de la production à la demande et sur site.

Amélioration de la préparation à la production

Les prototypes imprimés en 3D sont un moyen rapide et peu coûteux d’évaluer une conception, avec de nombreuses technologies disponibles pour aider les concepteurs à itérer et à progresser efficacement dans le cycle de conception. Bien qu’il soit courant pour les concepteurs d’utiliser plusieurs technologies différentes en fonction de leurs exigences en matière de test, l’impression 3D dans les matériaux de production peut aider à éviter des erreurs coûteuses et à ajouter de nouvelles informations sur la préparation à la production. En ne sacrifiant pas les matériaux, une organisation peut amener son prototypage à un nouveau niveau.

Gerald A. Berberian est directeur national des ventes – additif chez Arburg, Inc.

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