Guide de fabrication rapide

Pour toute entreprise émergente ou en expansion, il est important de trouver un moyen de commercialiser rapidement ses produits. La fabrication rapide permet d'accélérer la production et d'accroître sa flexibilité, tout en réduisant les délais et les coûts pour les produits personnalisés et les pièces fabriquées en petites séries.

Dans ce guide, découvrez les différentes méthodes de fabrication rapide disponibles aujourd'hui, et comment choisir celle qui convient à votre entreprise.

La fabrication rapide désigne les processus permettant la production rapide et flexible de pièces finales pour des produits personnalisés, la fabrication de petites séries ou la production de transition.

La plupart des procédés de fabrication traditionnels, tels que le moulage par injection et la fonderie, nécessitent un outillage dont la fabrication est coûteuse et prend du temps. En revanche, les procédés de fabrication rapide permettent de produire des pièces complexes à moindre coût et dans des délais plus courts.

La fabrication rapide fait appel à toute une série de processus différents : fabrication additive, usinage CNC et outillage rapide, entre autres. La plupart de ces méthodes combinent également la conception numérique et l'automatisation des logiciels pour accélérer le processus de fabrication. 

Le prototypage rapide désigne l'ensemble des techniques utilisées pour fabriquer rapidement un modèle grandeur nature d'une pièce physique ou d'un assemblage à l'aide de données tridimensionnelles de conception assistée par ordinateur (CAO) pendant le développement du produit. Grâce au prototypage rapide, les concepteurs et les ingénieurs peuvent plus vite que jamais réaliser des prototypes directement à partir de données CAO, et apporter fréquemment et rapidement des modifications à leurs conceptions en fonction de retours basés sur des essais réels.

Ces pièces et assemblages sont généralement fabriqués en utilisant des techniques de fabrication additive, et non les méthodes soustractives traditionnelles. C’est pour cette raison que le prototypage rapide est aujourd'hui assimilé à la fabrication additive et à l'impression 3D.

Les outils de prototypage rapide ayant continué à se développer au fil des ans, les entreprises peuvent désormais utiliser ces mêmes techniques pour créer des pièces finales. En raison de la résistance des matériaux disponibles et de la baisse des coûts engendrée, les entreprises ont de plus en plus recours à ces outils pour remplacer les outils de fabrication traditionnels ou compléter leurs flux de travail afin d'augmenter leur rythme de production.

La fabrication additive, aussi appelée impression 3D, produit des pièces tridimensionnelles à partir de modèles CAO en déposant le matériau couche par couche jusqu'à fabrication complète de la pièce.

Les technologies de fabrication additive ne nécessitent pas d'outillage et peuvent créer des conceptions complexes pour le prototypage ou la fabrication industrielle qui seraient autrement trop coûteuses ou trop longues à réaliser, ce qui les rend idéales pour un large éventail d'applications d'ingénierie et de fabrication industrielle. 

Les techniques de fabrication additive font partie de celles sur lesquelles s'appuie la fabrication rapide pour créer de nouvelles pièces. Grâce à l'outillage rapide, la fabrication additive peut également réduire les délais et les coûts associés aux processus de fabrication traditionnels.

La fabrication rapide s'appuie sur plusieurs outils et processus différents pour créer des produits. Il s'agit notamment de la fabrication additive, des outils soustractifs comme l'usinage CNC, et de l'outillage rapide pour les méthodes de fabrication traditionnelles.

L'impression 3D FDM, aussi appelée FFF (fabrication par filament fondu), fabrique des pièces en faisant fondre et en extrudant un filament thermoplastique qu’une buse dépose couche par couche sur la zone de fabrication.

Le procédé FDM est le procédé le plus utilisé au niveau des consommateurs, du fait de l’émergence d’imprimantes 3D pour amateurs. Cela dit, les imprimantes FDM industrielles sont également appréciées des concepteurs professionnels et des fabricants.

Comparé aux autres procédés d’impression 3D plastique, le FDM est celui qui présente la résolution et l’exactitude les plus faibles. Il ne convient donc pas à la fabrication de modèles compliqués ou de pièces avec des parties complexes. La finition de surface peut être améliorée par des procédés de polissage chimique ou mécanique. Les imprimantes 3D FDM industrielles utilisent des supports solubles pour atténuer certains de ces problèmes.

Le procédé FDM fonctionne avec toute une gamme de thermoplastiques standards, comme l’ABS, le PLA et leurs variantes. Les imprimantes FDM industrielles offrent également une gamme plus large de thermoplastiques techniques et de composites. En production industrielle, les imprimantes FDM sont particulièrement utiles pour produire des pièces simples qui devraient normalement être usinées.

Les imprimantes 3D SLA utilisent un laser pour transformer de la résine liquide en plastique durci par un processus dit de photopolymérisation. Ce procédé est le plus apprécié des professionnels en raison de sa haute résolution, de sa précision et de la polyvalence de ses matériaux.

De tous les procédés, c’est la stéréolithographie qui permet de fabriquer des pièces avec l’exactitude et la résolution les plus hautes, les détails les plus fins et la finition de surface la plus lisse. Mais son plus grand avantage reste sa polyvalence. Les fabricants de matériaux ont mis au point des formules innovantes de résines SLA, qui présentent des propriétés optiques, mécaniques et thermiques très diverses afin de correspondre aux thermoplastiques standards utilisés en ingénierie et dans l'industrie.

La SLA est une très bonne option pour imprimer des pièces telles que des moules, des modèles et d'autres pièces fonctionnelles avec un haut niveau de détail, des tolérances serrées et une surface lisse. La SLA est utilisée pour la fabrication rapide dans toute une série d'industries, de la dentisterie à la joaillerie, en passant par les soins de santé, le modélisme et, de plus en plus, les produits de consommation.

Le frittage sélectif par laser est la technologie de fabrication additive la plus courante pour les applications industrielles. Les ingénieurs et les fabricants de différents secteurs lui font confiance pour sa capacité à produire des pièces solides et fonctionnelles.

Les imprimantes 3D SLS utilisent un laser de forte puissance pour fondre de petites particules de poudre de polymère. La poudre non fondue supporte la pièce pendant l'opération, ce qui évite d'avoir à lui ajouter des structures de supports. En cela, le procédé SLS est idéal pour des pièces à géométrie complexe, présentant des formes internes ou négatives, des contre-dépouilles ou des parois minces. Les pièces fabriquées par SLS présentent d’excellentes caractéristiques mécaniques, leur résistance s’apparentant à celle de pièces moulées par injection.

En production industrielle, l'impression 3D SLS est utilisée pour la production de petites séries, de nouveaux produits de consommation personnalisés et de pièces de rechange, ainsi que pour la fabrication de gabarits et de fixations (par exemple, des pinces et des étriers) et d'outils. La technologie SLS peut également être utilisée pour fabriquer en interne des dispositifs médicaux prêts à l'emploi et spécifiques aux patients, tels que des prothèses, des orthèses (prothèses de membres et leurs fixations), ainsi que des modèles et des outils chirurgicaux.

Contrairement aux procédés FDM, SLA ou SLS, les outils à commande numérique par ordinateur (CNC) sont des procédés de fabrication soustractive. Ils consistent à prendre des blocs, des barres ou des tiges solides en plastique, en métal ou en d'autres matériaux, et de les façonner en enlevant de la matière par découpe, forage, perçage et meulage.

Les outils CNC comprennent les outils d'usinage CNC, qui enlèvent de la matière soit avec un outil rotatif et une pièce fixe (fraisage), soit avec une pièce rotative et un outil fixe (tournage). Les découpeuses laser utilisent un laser pour graver ou tailler des matériaux avec une grande précision. Les découpeuses à jet d'eau utilisent un mélange d'eau et d'un matériau abrasif sous haute pression, et peuvent découper à peu près n'importe quel matériau. Les fraiseuses et les tours CNC peuvent avoir plusieurs axes, ce qui leur permet de reproduire des conceptions plus complexes. Les découpeuses laser et à jet d'eau sont plus adaptées aux pièces plates.

Les outils CNC peuvent façonner des pièces en plastique, en métal mou, en métal dur (machines industrielles), en bois, en acrylique, en pierre, en verre et en matériaux composites. Pour la fabrication rapide, elles sont idéales pour produire des pièces finales, des pièces structurelles et de l'outillage personnalisés ou en petites séries pour de nombreux secteurs.

Par rapport aux outils de fabrication additive, les outils CNC sont plus compliqués à mettre en place et à utiliser, tandis que certains matériaux et conceptions peuvent nécessiter un outillage, une manipulation, un positionnement et un traitement spéciaux. Ils sont donc mieux adaptés aux petites séries, la fabrication de pièces uniques étant moins coûteuse avec des procédés additifs.

La fabrication hybride associe les outils de fabrication rapide aux procédés de fabrication traditionnels tels que le moulage par injection, le thermoformage ou le moulage. Elle améliore la flexibilité, l’agilité, l’évolutivité et la rentabilité du processus de production. Les fabricants peuvent ainsi répondre rapidement aux besoins changeants du marché. 

• Outillage

Créez des outils sur mesure qui résisteront aux conditions difficiles en usine et vous aideront à relever les défis de production les plus complexes. Validez vos procédés de fabrication, résolvez vos problèmes de conception en vue de la fabrication et améliorez votre flexibilité en imprimant directement les outils pour des applications allant du moulage par injection au cintrage de tubes CNC. 

• Gabarits et fixations

Réduisez les coûts et augmentez l’agilité en produisant en interne vos gabarits et fixations, sans quantité minimale de commandes ni trajectoire d’outil à programmer (pour l'impression 3D), et avec un large choix de matériaux et des coûts d’équipements faibles. Améliorez sans cesse vos produits et répondez rapidement et efficacement aux problèmes qui surviennent sur votre ligne de production avec des gabarits et des fixations qui améliorent les processus d’assemblage et d’assurance qualité.

Les procédés de fabrication sont en constante évolution et les points d'inflexion, là où le passage d'un procédé à l'autre se justifie, se déplacent, en raison des améliorations apportées aux équipements, aux matériaux et grâce aux économies d'échelle.

Les progrès rapides des outils de fabrication rapide et la baisse constante du coût par pièce permettent d'envisager une plus large gamme d'applications de faible à moyen volume de production.

Lors du choix d'un processus de fabrication rapide pour un produit donné, il convient de tenir compte des facteurs suivants :

• Sa forme : Les pièces présentent-elles des parties internes complexes ou requièrent-elles des tolérances serrées ? Les options possibles de fabrication peuvent être contraintes par la géométrie de la pièce. Il peut aussi être nécessaire de réaliser une optimisation de conception en vue de la fabrication (design for manufacturing ou DFM) afin de rendre leur production plus économique.

• Volume/coût : Quel est le volume total ou annuel de pièces que vous comptez fabriquer ? Certains processus présentent des coûts initiaux élevés pour l'outillage et la mise en place, mais le coût par pièce produite est bas. En revanche, des procédés de production à faible volume peuvent avoir des coûts de lancement faibles, mais le coût par pièce reste constant ou décroît marginalement lorsque le volume total croît, en raison de temps de cycle plus longs, d'une moindre automatisation et d'opérations manuelles plus importantes.

• Délai de réalisation : Dans quel délai devez-vous produire des pièces ou des produits finis ? Certains procédés permettent de fabriquer les premières pièces en 24 heures, d'autres prennent des mois en raison de l'outillage et de la mise au point nécessaires à une production à volume élevé. Dans certains cas, l'outillage rapide peut réduire ce délai de manière significative.

• Matériau : À quelles contraintes et déformations devront résister vos pièces ? Le matériau optimal pour une application donnée est déterminé par de nombreux facteurs. Il faut trouver l'équilibre entre le coût et les contraintes fonctionnelles et esthétiques. Considérez les caractéristiques idéales recherchées pour votre application et comparez-les avec les résultats possibles d'un procédé donné.

Les entreprises qui souhaitent tirer parti de la puissance des outils de fabrication rapide ont la possibilité de confier le travail à un bureau de services ou de produire en interne. 

Des entreprises comme 3D Hubs, Protolabs, Fictiv ou des bureaux de services locaux proposent des services de fabrication et de prototypage rapide à la demande. Ces bureaux ont généralement recours à plusieurs technologies, et notamment aux procédés de fabrication additive et soustractive.

Les principaux inconvénients de la sous-traitance sont les coûts et les délais de réalisation. L’avantage majeur de la fabrication rapide est sa rapidité par rapport aux méthodes de fabrication traditionnelles, mais cet avantage disparaît rapidement lorsqu’il faut attendre plusieurs jours ou même plusieurs semaines pour recevoir la pièce sous-traitée. 

La production externe est souvent très coûteuse. En fonction du nombre de pièces et du volume d’impression, une entreprise peut atteindre le seuil de rentabilité en quelques mois à peine en investissant dans une imprimante 3D et en produisant en interne.

Les méthodes traditionnelles ont toujours leur place dans la fabrication, car elles sont plus adaptées à la production de masse. Mais de plus en plus d'entreprises se tournent vers la fabrication rapide pour produire de petites séries. Les progrès technologiques et les processus efficaces qui y sont liés, tels que les outils de production rapide et la fabrication hybride, jouent un rôle important dans cette évolution. 

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