Guide avancé sur les outils de prototypage pour la conception de produits et de matériel

Sommaire

Les objets intéressants ne se créent pas par hasard. Ils sont le résultat d'un processus rigoureux qui commence par l'élaboration d'un concept et passe par de multiples cycles de conception, d'ingénierie et de validation avant d'entrer en production de masse.

Ingénieurs et concepteurs ont réalisé des prototypes d'objets depuis des décennies, mais les outils, les matériaux et les méthodes de leur fabrication ont énormément évolué. Aujourd'hui, le prototypage est plus facile, plus rapide et bien plus précis que jamais, et à un coût vraiment moins élevé. Cela permet aux équipes de faire plus efficacement plusieurs modifications et essais, et de valider leur conception, ce qui conduit à des produits qui fonctionnent mieux et nécessitent beaucoup moins de rectifications de dernière minute au moment du passage à la production de masse.

Actuellement, ces équipes peuvent toujours commencer à réaliser des prototypes avec des outils de base afin de réitérer rapidement les premières conceptions, mais ils ont maintenant accès à un ensemble d'outils avancés qui produisent des prototypes qui fonctionnent et ressemblent en tous points à l'objet final.

Dans cet article, nous passerons en revue les différents outils de prototypage, les processus et appareils des plus élémentaires aux plus élaborés, et montrerons comment ils sont utilisés à chaque étape du développement des produits.

Quels sont les objectifs du prototypage ?

Un prototype est un modèle préliminaire ou une maquette d'un objet. Certains prototypes sont réalisés afin de donner une idée de l'aspect visuel et tactile final du produit, d'autres aident à valider sa fonctionnalité.

Prototypes successifs de la Form 1, la première imprimante 3D stéréolithographique (SLA) de bureau.

Il est essentiel pour le succès à long terme d'un produit d'évaluer et de valider sa forme et sa fonction dès la conception.

Une entreprise ne veut pas consacrer temps, argent et travail pour réaliser un produit et le mettre sur le marché, et se rendre compte à ce moment qu'il ne satisfait pas les besoins des utilisateurs ou ne fonctionne pas comme prévu. Plus les modifications de conception apparaissent tardivement au cours du processus de développement, plus elles sont coûteuses. Les prototypes réduisent ces modifications tardives et coûteuses.

Outils et méthodes de prototypage pour la conception d'objets et de produits

Outils et méthodes élémentaires de prototypage

Au tout début du processus de développement, les équipes doivent chercher à accélérer les itérations et à tester les hypothèses et les caractéristiques du produit le plus rapidement possible et au moindre coût. Les outils et méthodes élémentaires de prototypage sont rentables et l'utilisation de pièces existantes et de matériaux à bas coût facilitent le processus de conception.

Réalisation de modèles élémentaires

Pour réaliser les premiers prototypes sommaires, l'argile, le carton, la mousse et même les jouets modulaires comme le LEGO permettent aux concepteurs et aux ingénieurs de travailler rapidement et à peu de frais pour élaborer des concepts spatiaux élémentaires et la forme du produit en trois dimensions.

Ces matériaux sont faciles à travailler et peuvent être mis en forme avec des outils courants et des colles. Ils permettent de donner une idée approximative de l'aspect visuel du produit, à une échelle réelle ou réduite.

Réalisation de modèles élémentaires
Coût
Délai de réalisation ou de productionQuelques heures
Précision★☆☆☆☆
MatériauxArgile, carton, LEGO, mousse
Outils nécessairesOutils de découpe élémentaires, colles
AvantagesPeu coûteux
Fabrication rapide
Matériaux et outils faciles à se procurer et à utiliser
Délai et coût de révision et de fabrication de plusieurs exemplaires très faibles
InconvénientsLes essais d'aspects fonctionnels importants sont compliqués, voire impossibles
Limites à la réalisation de formes, de pièces et d'assemblages complexes
Les modèles de qualité suffisante pour une présentation requièrent plus de qualification
Précision faible

 

Fabrication

La fabrication de prototypes est similaire à la réalisation de modèles en ce qui concerne la méthode, mais, en fabrication, les outils électriques et les matériaux sont de meilleure qualité. Les prototypes fabriqués sont plus solides, plus précis et présentent des aspects fonctionnels. Ils reproduisent mieux le design recherché et les caractéristiques structurelles du produit.

Pour fabriquer et assembler des prototypes plus solides, les ingénieurs et les concepteurs utilisent toute sorte d'outils électriques comme des perceuses à colonne, des scies sauteuses, des détoureuses, des fraiseuses et des appareils de soudure. Les matériaux utilisés vont de profilés en aluminium 80/20® à des plaques de métal, du plastique, en passant par le bois.

Les entreprises ne disposent pas toujours en interne de l'outillage adéquat nécessaire, mais il existe dans tous les pays des fab labs, qui mettent des locaux et ces équipements à la disposition des concepteurs, des ingénieurs et autres « makers ».

Fabrication de prototypes
Coût
Production ou délai de réalisationQuelques heures à quelques jours
Précision★★★☆☆
Matériauxprofilés en aluminium 80/20, plaques de métal, plastiques, bois, éléments d'assemblage mécaniques
Outils requisDivers outils électriques pour découper, façonner, souder et assembler
AvantagesMatériaux à prix abordables
Délai de production court
Outils et matériaux relativement faciles à se procurer
Prototypes relativement faciles à réviser
InconvénientsDifficulté possible de réaliser des petits éléments ou des formes complexes comme une rainure
Requiert plus d'outils différents
Niveau de qualification moyen à élevé pour obtenir un prototype de qualité

 

Outils et méthodes avancés de prototypage

Aux différentes étapes du développement, les concepteurs et les ingénieurs ont besoin d'outils pour produire des prototypes qui représentent les aspects visuels, tactiles et fonctionnels du produit final. Les outils avancés de prototypage permettent de réaliser des pièces sur mesure avec des matériaux identiques ou similaires, des finitions de surface et des propriétés mécaniques comparables à ceux du produit final. De la même façon que la fabrication de masse des produits sur le marché utilise divers types de polymères pour réaliser leurs fonctions, différents matériaux et procédés de fabrication seront utilisés par les ingénieurs pour fabriquer un prototype assemblé.

Impression 3D

En offrant la possibilité de fonctionner à bas coût, très rapidement et facilement en interne, les imprimantes 3D constituent l'un des équipements de prototypage rapide des plus courants pour les équipes de concepteurs et d'ingénieurs.

Les imprimantes 3D fabriquent des pièces tridimensionnelles directement à partir de modèles CAO, en déposant le matériau couche par couche jusqu'à fabrication complète de la pièce. Comme les imprimantes 3D ne requièrent aucun outillage et sont configurées très rapidement pour imprimer un nouveau modèle, le coût de production d'un prototype à chaque modification est négligeable comparé à celui des processus de fabrication traditionnels.

Prototype d'un hygromètre Wohler, imprimé en 3D à partir de plusieurs matériaux avec boîtier rigide et boutons en matériau doux au toucher.

De nombreux équipements avancés de prototypage sont onéreux et demandent des opérateurs qualifiés, ce qui obligent les concepteurs et les ingénieurs à sous-traiter ces tâches. L'un des avantages principaux de l'impression 3D est de permettre aux entreprises de réaliser leurs prototypes en interne. Les systèmes compacts d'impression 3D d'atelier ou de bureau pour la fabrication de pièces en plastique sont d'un prix abordable, ne nécessitent que peu d'espace et aucune compétence particulière. Cela permet à des professionnels d'accélérer les cycles de modification de conception, passant de quelques jours ou semaines à quelques heures.

Découvrez en vidéo comment fonctionne l'impression 3D par stéréolithographie (SLA)

Il existe sur le marché de nombreuses imprimantes et procédés d'impression en 3D. Pour le prototypage et le développement de produits, les deux les plus courants sont la stéréolithographie (SLA) et le frittage sélectif par laser (SLS). Les imprimantes 3D SLA utilisent toute une gamme de matériaux techniques spécialisés et produisent des pièces isotropiques, lisses, solides et d'un haut niveau de détail. Les imprimantes SLS fabriquent des prototypes fonctionnels et des pièces en thermoplastiques durables.

L'impression 3D vient aussi remplacer les processus traditionnels de fabrication pour la réalisation de pièces par fonte à la cire perdue, de masters et de moules de faible volume ou encore des outils spéciaux utilisés en production.

 

Impression 3D
Coût€€
Production ou délai de réalisationMoins de 24 heures
Précision★★★★★
MatériauxPlastiques, métaux
Outils requisImprimante 3D et outils de finition
AvantagesPrix abordable (en utilisant du plastique)
Délai de réalisation court
Facile à faire fonctionner en interne, ne requiert pas de formation ou de qualification spécialisées
Facilité dintégration avec les logiciels de CAO
La géométrie, l'ajustement et la fonction peuvent être testés en conditions réelles
Des formes et des assemblages complexes peuvent être réalisés
InconvénientsLimitation en taille des pièces en fonction du type d'imprimante 3D
Moins de matériaux disponibles qu'avec d'autres procédés (comme le moulage par injection)
En fonction du procédé et de la géométrie de la pièce, le traitement après impression peut demander beaucoup de travail
L'impression 3D en métal est habituellement trop coûteuse pour être réalisée en interne

 


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Usinage

L'usinage couvre le fraisage CNC, le tournage, l'électro-érosion (EDM) et d'autres procédés de fabrication soustractive. Ces procédés s'appliquent à des blocs, de barres ou des tiges solides, de métal ou de plastique, auxquels on enlève de la matière pour obtenir une forme donnée, par découpe, alésage, forage et ponçage.

Les machines CNC fonctionnent aussi à partir de modèles CAO, mais elles requièrent une étape intermédiaire afin de créer et valider la trajectoire de l'outil (CAO à FAO), qui peut être longue et exiger les compétences d'un expert. L'usinage CNC convient parfaitement à la production de pièces réalisées en toute sorte de plastique ou de métal, de haute précision et reproductibles.

Machines-outils fonctionnant dans l'atelier d'usinage d'A&M Tool and Design.

Les procédés d'usinage présentent plus de limitations de conception que l'impression 3D. Ils exigent des marges de tolérances pour l'accès des outils, et certaines géométries de la pièce, comme des canaux internes incurvés, sont difficiles voire impossibles à obtenir avec les méthodes soustractives conventionnelles.

Le prix de certaines machines CNC est de l'ordre de quelques milliers de dollars, mais celles de plus grande capacité et équipées d'accessoires ont un prix qui est souvent de l'ordre du million. Toutes les machines CNC requièrent un opérateur qualifié, mais la complexité de production d'une pièce de prototype avec une fraiseuse ou un tour CNC dépend de l'équipement utilisé, du matériau choisi et de la géométrie de la pièce. C'est pourquoi les entreprises sous-traitent généralement le tâches d'usinage, ce qui accroit le délai de réalisation et le coût.

Usinage
Coût€€
Production ou délai de réalisationQuelques jours à quelques semaines
Précision★★★★★
MatériauxMétaux, plastiques, composites
Outils requisMachines CNC, logiciels CAO vers FAO
AvantagesTrès haute précision et résultats reproductibles
Travaille avec toute sorte de métaux, plastiques et composites
Possibilité de réaliser des formes et des assemblages complexes
InconvénientsCoûteux
Réaliser l'usinage en interne requiert de lourds investissements en machine-outils, un espace dédié, de la main d'œuvre qualifiée
Sous-traiter l'usinage augmente les délais de production et ralentit les cycles de conception
Les limites imposées à la conception rendent la production de certaines formes très coûteuses, voire impossibles.

Outils pour différentes étapes de prototypage

Le processus de développement d'objets. Source : Ben Einstein, Bolt blog

Prototype de démonstration de faisabilité (PoC)

Les prototypes de démonstration de faisabilité cherchent à prouver qu'un concept est réalisable et qu'il existe un marché potentiel pour ce produit. Ce type de prototype est réalisé très tôt dans le processus de développement produit et il ne présente que les fonctionnalités minimales qui permettent de valider les hypothèses avant de continuer les étapes suivantes.

Outils de prototypage recommandés :

  • Fabrication de modèles élémentaires
  • Fabrication de prototypes
  • Impression 3D

Prototypes non fonctionnels (reproduisant l'aspect physique)

Prototypes reproduisant l'aspect de la Form 2, imprimante 3D (SLA), avec différentes solutions de positionnement de la cartouche.

Ce type de prototype représente le produit final avec un certain degré d'abstraction mais de nombreux aspects fonctionnels peuvent en être absents. Le but d'un prototype est de donner une meilleure idée de l'apparence du produit fini et de la façon de s'en servir. Il est possible de valider l'ergonomie, les interfaces et l'expérience utilisateur avec des prototypes reproduisant l'aspect physique, avant de passer plus de temps en conception et ingénierie pour compléter les éléments qui composent le produit.

La phase de prototypage de l'aspect physique commence généralement par des croquis, des modèles en argile ou en mousse, pour passer à la modélisation CAO. Au fur et à mesure des cycles de conception, d'une modification à la suivante, le prototypage fait des aller-retours entre représentation numérique et modèle physique. À la fin de la phase de conception, les équipes de conception technique cherchent à réaliser des prototypes qui ressemblent précisément au produit fini, en respectant les couleurs, les matériaux et les finitions (CMF) qui ont été spécifiées.

Outils de prototypage recommandés :

  • Fabrication de modèles élémentaires
  • Fabrication
  • Impression 3D

Prototypes fonctionnels

Le premier prototype fonctionnel de l'imprimante 3D Form 2.

Parallèlement au processus de conception, des équipes techniques travaillent sur un autre ensemble de prototypes destinés à essayer, modifier la conception et affiner les systèmes mécaniques, électriques et thermiques qui constituent le produit. Ces prototypes fonctionnels peuvent ne pas ressembler au produit final, mais ils utilisent les mêmes technologies principales et réalisent les fonctions essentielles à essayer et développer. Ces fonctions essentielles sont souvent essayées et développées séparément avant d'être intégrées dans un seul et même prototype. Cette approche par sous-système isole les variables, facilitant le travail de répartition des responsabilités des équipes et assurant la fiabilité à un niveau plus fin, avant de réunir à nouveau tous les éléments.

Outils de prototypage recommandés :

  • Fabrication
  • Impression 3D
  • Usinage

Prototypes d’ingénierie

Les prototypes d’ingénierie réunissent les caractéristiques techniques et de conception, ce qui nécessite souvent des concessions de part et d'autre. Ce sont les derniers prototypes à être fabriqués en interne avant de commencer la validation chez le fabricant. Ces prototypes doivent si possible utiliser les matériaux du produit final et comporter les mêmes pièces, mais sans avoir investi prématurément dans des outillages onéreux. Par exemple, un prototype d'ingénierie comportant des pièces en nylon et en ABS peut avoir recours à l'impression 3D pour produire le composant en nylon et à l'usinage CNC pour la pièce en ABS, plutôt que de s'engager dans la fabrication d'outillage pour un moulage par injection.

Ces prototypes d'ingénierie réalisés par Paralenz ont permis de simplifier la communication avec des fabricants étrangers sous-traitants.

Plus le processus de développement a été rigoureux jusqu'à ce point et moins de modifications de dernière minute seront nécessaires. Des erreurs peuvent se produire bien sûr, et des essais de long terme peuvent faire surgir de nouveaux problèmes à ce niveau tardif de développement. Les meilleures pratiques montrent que l'outillage et le lancement de la fabrication doivent être engagés le plus tard possible de façon à ce que les concepteurs et les ingénieurs aient la possibilité de résoudre tout problème tardif.

Outils de prototypage recommandés :

  • Impression 3D
  • Usinage

Accélérer les processus de travail de prototypage avec l'impression 3D

À tous les stades du processus de développement d'un produit, l'impression 3D est un procédé simple et peu coûteux pour fabriquer rapidement des prototypes permettant d'évaluer la forme, les ajustements et les fonctions de ce produit. La rapidité à laquelle elle permet de réitérer les cycles de conception, et donc de tester et d'implémenter des modifications techniques ou de conception, accélère la mise sur le marché du produit.

En savoir plus sur la manière dont les fabricants leaders se servent de l'impression 3D pour réduire les coûts et les temps de réalisation, de la conception à la production.

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