Guide de prototypage rapide pour le développement de produits

Le prototypage rapide désigne les techniques permettant de fabriquer rapidement des maquettes de pièces ou d'assemblages grâce à des données 3D CAO (conception assistée par ordinateur). Ces pièces et assemblages sont généralement construits en utilisant des techniques de fabrication additive, et non les méthodes soustractives conventionnelles. C’est pour cette raison que le prototypage rapide est devenu synonyme de fabrication additive et d’impression 3D.

La fabrication additive est le procédé parfait pour le prototypage. Elle offre une liberté presque totale, ne nécessite aucun outillage et peut produire des pièces aux propriétés mécaniques proches de celles des différents matériaux utilisés dans les processus de fabrication classiques. Les technologies d'impression 3D existent depuis les années 1980, mais leur coût élevé et leur complexité limitaient le plus souvent leur utilisation aux grandes entreprises, ou obligeaient les petites sociétés à sous-traiter leur production et à attendre pendant des semaines entre les différentes itérations.

Grâce à la variété de technologies et de matériaux disponibles, le prototypage rapide aide les concepteurs et les ingénieurs tout au long du développement d'un produit, depuis les modèles conceptuels initiaux jusqu'à l'ingénierie, les tests de validation et la production.

Les modèles conceptuels et les preuves de concept (POC) aident les concepteurs de produits à valider leurs idées et leurs hypothèses, ainsi qu’à tester la viabilité d’un produit. Les modèles conceptuels physiques permettent de présenter une idée à des parties prenantes, de lancer une discussion et d’influencer l’acceptation ou le refus d’un projet en explorant des concepts sans courir de risque.

La création de preuves de concept intervient aux tout premiers stades du processus de développement de produits, et ces prototypes possèdent les propriétés minimales nécessaire pour valider les hypothèses avant de faire passer le produit aux stades de développement suivants.

La clé d'une modélisation conceptuelle réussie est la rapidité : les concepteurs doivent générer toute une série d'idées avant de créer et d'évaluer des modèles physiques. À ce stade, la facilité d'emploi et la qualité ont moins d'importance, et les équipes s'appuient autant que possible sur des pièces standard.

Les imprimantes 3D sont des outils parfaits pour modéliser des concepts. Ils offrent une vitesse inégalée pour convertir un fichier informatique en un prototype physique, ce qui permet aux concepteurs de tester rapidement d'autres concepts. Contrairement à la majorité des outils d'atelier et de fabrication, les imprimantes 3D de bureau sont adaptées à la plupart des lieux de travail, ce qui évite de devoir disposer d'un espace dédié.

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

Le développement des prototypes non fonctionnels commence généralement par des croquis et des modèles en argile ou en mousse, et passe ensuite par 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.

Parallèlement au processus de conception, des équipes techniques travaillent sur un autre ensemble de prototypes destinés à tester, à itérer et à affiner les systèmes mécaniques, électriques et thermiques qui constituent le produit. Ces prototypes fonctionnels peuvent ne pas ressembler au produit final, mais ils utilisent à peu près les mêmes technologies, et exécutent les fonctions qu'il convient de développer et de tester. 

Ces fonctions essentielles sont souvent testées et développées séparément avant d'être intégrées dans un seul et même prototype. Cette approche par sous-systèmes permet d'isoler les variables, de faciliter le travail de répartition des responsabilités entre les équipes et de mieux contrôler la fiabilité avant que tous les éléments soient à nouveau réunis.

Un des premiers prototypes fonctionnels de l'imprimante 3D SLA grand format Form 3L. 

Le prototype d'ingénierie résulte de l'alliance entre conception et ingénierie pour créer une version minimale viable du produit final conçu pour la fabrication. Ces prototypes sont utilisés pour des essais en laboratoire avec un petit groupe d'utilisateurs, pour communiquer l'intention de production aux spécialistes de l'outillage lors des étapes ultérieures, et pour servir de démonstration lors des premières réunions de vente.

À ce stade, les détails deviennent de plus en plus importants. L’impression 3D permet aux ingénieurs de créer des prototypes haute fidélité représentant précisément le produit final. Cela permet de vérifier plus simplement sa conception, son ajustement, son fonctionnement et sa fabricabilité avant d’investir dans des outils coûteux et de lancer la production. À ce stade, toute modification peut entraîner un retard et un surcoût exponentiels.

Les matériaux d'impression 3D avancés peuvent rendre l'aspect, la sensation et les caractéristiques des pièces produites par des procédés de fabrication traditionnels tels que le moulage par injection. Divers matériaux peuvent simuler des pièces présentant des détails et des textures fins, des surfaces douces, lisses et à faible frottement, des boîtiers rigides et robustes ou des composants transparents. Les pièces imprimées en 3D peuvent être affinées à l'aide de processus secondaires tels que le ponçage, le polissage, la peinture ou la galvanoplastie pour reproduire l'aspect de n'importe quelle pièce finale. Elle peuvent aussi être filetées pour créer des assemblages à partir de plusieurs pièces et matériaux.

Les prototypes d'ingénierie nécessitent des tests de fonctionnement et d'utilisation approfondis pour voir comment une pièce ou un assemblage fonctionnera lorsqu'il sera soumis aux contraintes et aux conditions d'utilisation sur le terrain. L'impression 3D permet d'utiliser des plastiques techniques pour créer des prototypes de haute performance pouvant résister aux contraintes thermiques, chimiques et mécaniques. 

Le prototypage rapide permet aux ingénieurs de créer des petites séries, des solutions personnalisées uniques et des éléments d'assemblage pour les étapes de validation technique et de conception ainsi que pour la validation du produit (EVT, DVT, PVT) afin de tester la fabricabilité.

L’impression 3D simplifie les tests de tolérances en tenant compte du procédé de fabrication final, et permet de réaliser des essais complets en interne et sur le terrain avant de lancer la production de masse.

L'outillage rapide imprimé en 3D peut également être combiné à des procédés de fabrication traditionnels tels que le moulage par injection, le thermoformage ou le moulage en silicone, ce qui améliore les processus de production en augmentant la flexibilité, l'agilité, l'évolutivité et la rentabilité. Cette technologie offre également une solution efficace pour créer des gabarits et des fixations personnalisés qui simplifient les tests fonctionnels et la certification en recueillant des données cohérentes.

Avec l'impression 3D, la conception ne doit pas nécessairement s'arrêter au début de la production. Les outils de prototypage rapide permettent aux concepteurs et aux ingénieurs d'améliorer en permanence les produits et de réagir rapidement et efficacement aux problèmes rencontrés sur la chaîne de production grâce à des gabarits et à des fixations qui améliorent les processus d'assemblage et l'assurance qualité.

Aujourd'hui, le prototypage rapide est assimilé à la fabrication additive et à l'impression 3D. Il existe de nombreux procédés d'impression 3D, les plus couramment utilisés pour le prototypage rapide étant le dépôt de fil fondu (FDM), la stéréolithographie (SLA) et le frittage sélectif par laser (SLS).

L'impression 3D FDM, aussi appelée FFF (fabrication par filament fondu), construit 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. Les imprimantes FDM professionnelles sont également populaires auprès des concepteurs et des ingénieurs.

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. Certaines imprimantes 3D FDM professionnelles utilisent des supports solubles pour atténuer certains de ces problèmes.

Le procédé FDM utilise une gamme de thermoplastiques standard, tels que l'ABS, le PLA et leurs différents mélanges, tandis que les imprimantes FDM plus avancées fonctionnent également avec une gamme plus large de thermoplastiques techniques et même avec des composites. Pour le prototypage rapide, les imprimantes FDM sont particulièrement utiles pour produire des pièces simples qui pourraient 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 des matériaux adaptés.

Les pièces SLA ont la résolution et la précision les plus élevées, le plus haut niveau de détail et la finition de surface la plus lisse de toutes les technologies d'impression 3D plastique, ce qui fait de la SLA une excellente option pour créer des prototypes non fonctionnels haute fidélité et des prototypes fonctionnels requérant des tolérances serrées.

Cependant, le principal avantage de la SLA réside dans la polyvalence de sa sélection de résines. Les fabricants de matériaux ont mis au point des formules innovantes de résines SLA présentant des propriétés optiques, mécaniques et thermiques très diverses afin de correspondre aux thermoplastiques standards utilisés en ingénierie et dans l'industrie.

Avec Draft Resin, l'impression 3D SLA est également un des outils de prototypage les plus rapides, allant jusqu'à 10 fois plus vite que l'impression 3D FDM.

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.

Dans le domaine du prototypage rapide, l'impression 3D SLS est principalement utilisée pour créer des prototypes fonctionnels et des prototypes d'ingénierie destinés à passer des tests fonctionnels rigoureux (p.ex., circuits fluidiques, attaches) et à obtenir des retours clients sur le terrain.

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. 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, ce qui rend la fabrication de pièces uniques coûteuse par rapport aux procédés additifs.

Dans le cadre du prototypage rapide, ils sont parfaits pour des conceptions simples, des pièces structurelles, des composants métalliques, et d'autres pièces qu'il n'est pas possible ou pas rentable de produire avec des outils additifs.