Course aux 1000 pièces : impression 3D vs. moulage par injection

Le verrou du mélangeur de résine de la Form 4 est un composant du mélangeur de la Form 4, un accessoire qui se fixe aux bacs à résine des imprimantes Formlabs de la série Form 4 et qui améliore la performance des matériaux en maintenant la résine homogène dans le bac pendant le processus d'impression. Pour cet essai, nous avons chronométré deux opérations de production dans une course aux 1000 pièces finales : d'un côté, une machine de moulage par injection, et de l'autre, deux imprimantes 3D résine grand format Form 4L.

Le verrou du mélangeur permet de garder le mélangeur de résine en place sur la Form 4.

Pour le moulage par injection, nous avons travaillé avec un fabricant sous contrat basé à Taïwan qui a produit des composants pour plusieurs générations d'imprimantes 3D Formlabs, notamment des bacs, des cartouches et des mélangeurs. Le moule à deux cavités utilisé pour cet essai est le vrai moule utilisé pour la production en série des verrous du mélangeur de résine de la Form 4.

Pour la comparaison, nous avons utilisé deux imprimantes 3D Form 4L grand format, conçues pour une production à haut rendement, avec une grande zone de fabrication et des vitesses d'impression rapides. L'installation comprenait également une Form Wash L et une Form Cure L pour le post-traitement. Pour le matériau, nous avons choisi Black Resin V5, un matériau d'usage général, rigide et résistant, qui permet d'obtenir des pièces mattes et prêtes à être présentées.

Dans l'environnement réel du moulage par injection, chaque cycle dure 50 secondes et produit deux pièces. La vitesse pourrait être augmentée en ayant un moule avec plus de cavités, ce qui produirait plus de pièces par cycle, ou en diminuant la durée du cycle avec des changements de processus, mais c'est le processus que nous et notre fabricant contractuel avons décidé comme étant le meilleur pour nos besoins de production. Comme nous le verrons bientôt, le moulage par injection devient la méthode de production la plus économique pour cette pièce dans les quantités supérieures à environ 13 000 unités.

Avec la Form 4L, nous avons imprimé 78 pièces par tâche d'impression, ce qui signifie que 13 tâches d'impression sont nécessaires pour produire 1000 pièces. La technologie d'impression propriétaire Low Force Display™ utilisée dans les imprimantes de la série Form 4 permet des vitesses d'impression rapides, et des ajustements ont été effectués dans l'éditeur de paramètres d'impression de PreForm pour augmenter encore la vitesse. Un paramètre d'impression personnalisé avec une hauteur de couche de 150 μm a permis de réduire le nombre de couches nécessaires pour réaliser l'impression, et d'augmenter l'irradiance et l'exposition pour réduire la durée nécessaire à chaque couche. Découvrez comment utiliser l'éditeur de paramètres d'impression ici.

Les pièces moulées par injection comme celles imprimées en 3D nécessitent toutes deux un post-traitement. Dans les pièces moulées par injection, il faut retirer les canaux. Les pièces imprimées 3D avec de la résine doivent être lavées et post-polymérisées, et les supports retirés. Dans les deux cas, le post-traitement peut être terminé par les opérateurs pendant la production, ce qui signifie que le post-traitement n'augmente la durée de production que pour le dernier cycle de pièces.

Bien que notre analyse directe se soit concentrée exclusivement sur le temps de production, le processus à proprement parler commence par la fabrication du moule utilisé pour l'injection. La réalisation d'un moule de cette taille et de cette complexité nécessite généralement plusieurs semaines, qui ne peuvent être réduites qu'en payant un supplément 2 à 3 fois plus élevé. De la conception définitive des pièces aux pièces finies, le délai de production est généralement de 4 à 6 semaines, compte tenu de la conception pour la fabrication, de la découpe des outils, de la production et du post-traitement.

Sans frais d'outillage, l'impression 3D s'est imposée comme un moyen peu coûteux de produire de petites séries de pièces. Cette réputation bien méritée s'applique également dans ce cas : à 1000 pièces, l'impression 3D coûte 85 % de moins que le moulage par injection. Nous avons analysé les chiffres et constaté que le seuil de rentabilité entre les deux méthodes est de 13 050 pièces.

Le coût par pièce du moulage par injection varie considérablement en fonction du volume de production, en raison de l'investissement initial substantiel requis. L'outil de moulage par injection utilisé pour mouler le verrou du mélangeur a coûté 3600 $. En outre, le fabricant sous contrat facture 32 cents par pièce pour les matériaux, la main-d'œuvre et les frais généraux. 

D'autre part, l'impression 3D ne nécessite pas d'outil, de sorte que le coût par pièce varie moins en fonction du volume de production et se compose du matériel, des consommables et de la main-d'œuvre.

Pour cette comparaison, nous avons amorti les coûts de l'ensemble de l'installation sur trois ans, y compris l'investissement initial à l'achat de l'imprimante et les coûts d'exploitation, notamment l'espace, l'électricité, la maintenance et les solvants pour le lavage des pièces. À des volumes élevés, la contribution des coûts du matériel au coût par pièce est presque négligeable.

En ce qui concerne les coûts des matériaux, le verrou du mélangeur de résine de la Form 4 utilise 6 ml de Black Resin, qui coûte maintenant 65 $ le litre lorsqu'il est acheté dans un conteneur de cinq litres, ce qui signifie que le coût du matériau par pièce est de 40 cents. En tant que fabricant verticalement intégré, Formlabs offre des remises substantielles sur les volumes, jusqu'à 35 $ par litre pour les résines, de sorte que pour les grandes séries de production, le coût par pièce pourrait être jusqu'à 50 % moins élevé. Contactez l'équipe commerciale pour en savoir plus sur les prix des résines en vrac et obtenir une répartition personnalisée du coût par pièce pour votre application spécifique.

Avec la Form 4, le facteur de coût le plus important est la main-d'œuvre. La zone d'impression plus petite de la Form 4 peut contenir la moitié des pièces de la Form 4L, ce qui signifie qu'il faut plus du double de tâches d'impression pour atteindre le nombre de pièces souhaité. Par conséquent, les opérateurs passeraient plus de deux fois plus de temps à préparer et à post-traiter les pièces imprimées avec la Form 4 qu'avec la Form 4L, et les coûts horaires de la main-d'œuvre seraient en conséquence plus élevés. Nous avons supposé un coût horaire de main-d'œuvre de 30 $ dans notre modèle ; ce coût peut être ajusté dans le calculateur de coût par pièce.

Il existe de nombreuses façons de calculer le coût par pièce : ce résumé n'en est qu'un parmi d'autres. Par exemple, nous avons omis les frais d'expédition et les tarifs dans nos calculs, car ces coûts sont spécifiques à chaque site. Dans le cas du moulage par injection, il s'agirait probablement de 500 à 1 000  $ supplémentaires, alors que l'impression 3D en interne n'entraîne aucun frais d'expédition.

Les spectateurs de la vidéo d'avril 2024 se sont demandé si les pièces imprimées en 3D allaient pouvoir résister à une utilisation intensive. Auparavant, les résines SLA étaient si fragiles qu'elles ne convenaient pas aux pièces complètes, mais la nouvelle génération de résines standard de Formlabs a une résistance et une rigidité comparables à celles du PET. Nous avons sélectionné Black Resin V5 pour cet essai car sa résistance et sa rigidité répondent aux exigences d'utilisation de la pièce. De plus, la couleur noire matte et lisse répond aux préférences esthétiques pour cette pièce.

La conception du verrou nécessite un équilibre entre rigidité et conformité : il doit être suffisamment rigide pour agir comme un levier et suffisamment souple pour s'enclencher et se placer. Les propriétés mécaniques de Black Resin V5 répondent aux exigences physiques d'une utilisation normale pour cette pièce. Pour connaître les propriétés supplémentaires de ce matériau, téléchargez la fiche technique de Black Resin V5.

Un testeur de cycle a été réalisé pour fermer et ouvrir la pièce plusieurs centaines de fois. La pièce imprimée en 3D était toujours en état de marche à la fin de l'essai.