Élaboration de prototypes avec l'impression 3D

Un prototype est le premier exemple d'un produit à fabriquer, servant de point de départ pour effectuer les modifications nécessaires, de modèle à reproduire ou de matrice pour produire un moule.

Ainsi, le prototypage est un processus expérimental par lequel les équipes de conception peuvent matérialiser leurs idées. Le prototypage est un processus très utile dans divers secteurs, permettant de réaliser des itérations jusqu'à l'obtention du résultat souhaité.

Image 1 : Prototype de casque imprimé en 3D avec Raise Pro2 Plus. Source : KIDO Sports.

Il existe plusieurs types de prototypage de produits avec des fonctions différentes :

• Prototypes de basse fidélité: Les prototypes à basse fidélité peuvent être réalisés dans un court laps de temps, avec une grande immédiateté, et servent de modèle d'étude, permettant d'analyser différents aspects afin d'apporter les modifications appropriées au modèle avant d'atteindre la conception finale du produit.
• Prototypes de conception: Les prototypes de conception sont réalisés dans le but de valider la conception du produit.
• Prototypes géométriques: Ce type de prototype est produit pour vérifier la géométrie du produit et le modifier si nécessaire.
• Prototypes fonctionnels: Ces prototypes sont réalisés pour analyser le comportement des matériaux utilisés et pour tester la fonctionnalité du produit.
• Prototypes techniques: Dans ce cas, le prototype est utilisé comme un modèle d'étude global, permettant d'analyser toutes ses performances.
• Prototypes haute-fidélité: Ils consistent en la fabrication d'un prototype identique au produit final. Il est fortement recommandé de réaliser ce type de prototypage avant de procéder à la production en série d'un produit.

Il existe aujourd'hui plusieurs procédés de prototypage, tels que l'usinage CNC, le moulage par injection ou l'impression 3D.

Prototypage rapide

L'impression 3D est directement liée au prototypage rapide en raison de l'immédiateté offerte par cette méthode de fabrication et des diverses possibilités qu'elle offre en fonction de la technologie utilisée et des matériaux employés, ce qui en fait une méthode de fabrication largement utilisée pour le prototypage à basse fidélité.

Vidéo 1 : prototypage rapide de DLimit. Source : BCN3D.

Le prototypage rapide à l'aide de l'impression 3D vise à fabriquer des modèles pour tester un ou plusieurs aspects du produit et ainsi pouvoir le modifier si nécessaire de manière agile et immédiate jusqu'à la conception finale, en garantissant à la fois la forme et la fonctionnalité du produit.

Pour la fabrication de prototypes par impression 3D, il faut tenir compte de la technologie la plus appropriée. Chaque technologie présente des avantages et des inconvénients, il est donc nécessaire de connaître les principes fondamentaux sur lesquels repose son fonctionnement ainsi que ses limites afin de trouver la plus adaptée à chaque besoin.

Les technologies d'impression 3D les plus répandues sont :

• Dépôt de matériaux fondus (FDM)
• Photopolymérisation sélective des résines (SLA)
• Frittage sélectif par laser (SLS)

Un tableau comparatif entre eux est présenté ci-dessous :

Tableau 1 : Comparaison entre les différentes technologies d'impression 3D. Source : Filament2print.

Pour un examen plus approfondi des caractéristiques et des limites de chaque technologie, nous vous recommandons de lire l'article "Comment choisir la bonne technologie : FDM, SLA et SLS".

Voici quelques-uns des avantages offerts par le prototypage par impression 3D :

Vitesse : selon la technologie d'impression 3D utilisée, la vitesse de production sera plus ou moins élevée, mais l'impression 3D est, en général, une méthode de fabrication qui offre l'immédiateté.

Économies de coûts et de ressources : selon la complexité de la pièce et les matériaux utilisés, l'utilisation de l'impression 3D pour le prototypage de pièces peut permettre de réaliser d'importantes économies de coûts et de ressources par rapport aux autres méthodes de fabrication traditionnelles.

Durabilité : en disposant d'équipements d'impression 3D dans les propres installations de production de l'entreprise, les prototypes sont produits localement, ce qui réduit l'empreinte carbone produite par rapport à une fabrication externe. En outre, il est souvent possible de travailler avec des matériaux biodégradables, recyclés ou recyclables et, de par la nature même de la méthode de fabrication, les déchets et le gaspillage de matériaux sont réduits au minimum.

Du prototypage à la fabrication

Au départ, l'impression 3D n'était utilisée que pour le prototypage. Cependant, elle est désormais également utilisée comme méthode de fabrication supplémentaire. Cela est principalement dû à deux facteurs :

Développement des matériaux

L'un des facteurs qui rendent possible la fabrication de petites séries de pièces finales grâce à l'impression 3D est le développement de matériaux qui permettent des applications pour des environnements exigeants grâce à leurs propriétés mécaniques ou à leurs propriétés spécifiques.

Les matériaux ESD, disponibles sous forme de filaments, de poudre et même de résine, en sont un exemple. Ils permettent de fabriquer des produits avec une protection contre les décharges électrostatiques.

Progrès des technologies d'impression 3D

Grâce aux progrès réalisés ces dernières années et au travail de R&D des fabricants d'équipements, les fonctionnalités offertes par les imprimantes 3D se sont considérablement améliorées, au point de pouvoir fabriquer des pièces très complexes avec une qualité industrielle.

Toutes les technologies d'impression 3D ont considérablement progressé. Citons par exemple les imprimantes 3D SLA de FormLabs pour le secteur médical et dentaire, Form 3B+ et Form 3BL, qui peuvent imprimer en 3D des matériaux biocompatibles, ou les imprimantes 3D SLS de Sinterit, qui peuvent fabriquer des pièces très complexes sans avoir recours à des supports, avec des modèles au format de bureau tels que Lisa, Lisa Pro ou Lisa X.

Image 3 : Fabrication de produits finis pour le secteur dentaire. Source : FormLabs.

Sans aucun doute, la fabrication par impression 3D permet aux utilisateurs professionnels de produire des prototypes et même des pièces finales de qualité industrielle. Elle est actuellement l'une des méthodes de fabrication les plus utilisées pour le prototypage rapide dans une multitude de secteurs. Grâce à la variété des technologies, des équipements et des matériaux, il est possible de trouver des solutions pour presque toutes les applications.