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Produire à moindre coût des pièces complexes

GUIDE RÉALISÉ PAR FRANÇOIS-XAVIER LENOIR
Le large domaine du prototypage rapide couvre de l'impression 3D à la fabrication directe de pièces de métal, en passant par la production rapide de modèles ou d'outillages.

Fabriquer des pièces en ajoutant de la matière plutôt qu'en l'enlevant est séduisant pour l'esprit. Différentes technologies, toutes basées sur la superposition de couches, ont été successivement développées depuis vingt-cinq ans. Susceptibles de fabriquer des pièces réalistes proches des cotes réelles, parfois même capables de réaliser des produits finis dans des matières plastiques, céramiques ou métalliques, dites "bonnes matières", les différentes technologies de prototypage rapide sont aujourd'hui mieux cernées et l'on sait ce qu'il faut en attendre.

Des pièces proches du besoin réel et utilisables

De nombreux bureaux d'études et certains professionnels du design ont besoin de voir et de montrer des modèles en trois dimensions, éventuellement avec les bonnes couleurs et le bon aspect. Ils se satisfont très bien d'imprimantes 3D, peu chères (environ 30 000 euros quand même).

L'industrie manufacturière raisonne de toute autre façon. Elle a besoin de fabriquer des pièces en polymère ou en métal pour les tester, les modifier, les valider. Ces pièces réalisées par prototypage rapide, qui n'étaient que des prototypes au départ, sont maintenant proches du besoin réel et l'on arrive à les utiliser telles qu'elles sont fabriquées. « Néanmoins, il y a toute une éducation à refaire pour dessiner des pièces. Par exemple, il n'y a plus de dépouille », rappelle Xavier Toussaint, directeur technique d'AGTX du Groupe Allio. On peut même faire de la matière dans de la matière, avec un rôle fonctionnel.

Dans un premier temps, le prototypage rapide s'est répandu pour visualiser des formes et valider l'aspect, le maniement ou la faisabilité d'une pièce. Il s'agissait de raccourcir la conception des produits et de présenter aux clients potentiels des maquettes esthétiques et réalistes. Les caractéristiques mécaniques de ces premières pièces n'étaient pas leur point fort. Cependant, l'évolution de la tenue des matériaux et celle de leur mise en oeuvre ont été très rapides et des prototypes plus fonctionnels ont fait leur apparition. Il est devenu envisageable de vérifier physiquement certaines caractéristiques d'un produit comme l'aptitude au montage, l'assemblage par clipsage, le comportement ou la cinématique... Pour passer à des pièces réelles utilisables, il a fallu faire appel à la fabrication express ou "rapid manufacturing". Cette technique présente plusieurs avantages. En conception, les pièces complexes ne posent plus de problème de fabrication, le nombre de composants est réduit, le modèle peut être plusieurs fois modifié et des structures non homogènes obtenues, avec des propriétés différentes d'une zone à l'autre. Par ailleurs, la fabrication en petite série est économique et la production plus flexible, ce qui favorise la fabrication locale. Toutefois, elle n'est rentable que pour des pièces de formes complexes, difficiles à usiner ou à fixer.

Parallèlement, des réalisations d'outillages comme des moules pour l'injection en plasturgie ont ouvert de nouvelles voies. Il a ainsi été prouvé que l'on pouvait réaliser des séries dans un temps très court. Le temps moyen pour le lancement en fabrication de pièces nécessitant la réalisation d'un moule d'injection est descendu de plusieurs mois à trois ou quatre semaines, voire moins.

Le principe de toutes les méthodes de prototypage rapide consiste à décomposer une pièce en trois dimensions (3D) en une série de couches en deux dimensions (2D), plus ou moins épaisses. Cette décomposition s'effectue à partir d'une maquette numérique en CAO à l'aide de logiciels spécialisés. Les couches sont ensuite fabriquées par différents procédés basés le plus souvent sur l'ajout de matière. Certains empilent des couches de matériaux, soit des poudres frittées localement (par exemple à l'aide d'un laser), soit des résines polymérisées point par point (stéréolithographie). D'autres procédés réalisent des sections à partir d'un fil fondu ou bien par projection d'un liant sur de la matière, d'autres encore effectuent un flashage sur une couche de poudre.

Il est également possible de découper des feuilles, des films ou des plaques qui sont ensuite précautionneusement assemblés pour former un volume. Toutes ces méthodes présentent l'avantage l'éliminer les difficultés liées aux formes complexes, telles que les contre-dépouilles, les surfaces fermées...

Des matériaux plus nombreux et performants

Les matériaux ont toujours eu un rôle important en prototypage rapide. Dans les premiers temps, ils ont été un frein au développement, puis leurs propriétés physiques ont progressé aussi bien pour la stéréolithographie que pour le dépôt de matière ou le frittage de poudre. Les principaux matériaux utilisés sont l'ABS (acrylonitrile butadiène styrène), le Nylon 66, le PVC (polychlorure de vinyle) et le polypropylène (PP), et on trouve aussi du PS (polystyrène). D'autres matériaux ont maintenant des caractéristiques plus élevées : le polycarbonate (PC) donne des pièces plus dures et le PPS (polyphénylène sulfide) tient jusqu'à 200 °C. Le frittage de poudre, quant à lui, peut transformer presque tous les matériaux à condition cependant qu'ils puissent être broyés et fondus par laser. Outre les polymères thermofusibles classiques (polyamides, PMMA...), des élastomères, des poudres métalliques, des cires ou du sable de fonderie peuvent être utilisés.

L'un des acteurs majeurs du secteur, 3D Systems, propose un catalogue de résines provenant de plusieurs fournisseurs : résines liquides, poudres thermoplastiques, par exemple. Le fournisseur de matière le plus impliqué dans le prototypage rapide avec des dizaines de matériaux en évolution, DSM Somos, vient lui de présenter une résine presque incolore, la Watershed XC. « Avec cette résine, on perd la teinte verdâtre tout en obtenant la capacité de produire des pièces d'une clarté presque parfaite », estime Jason Morgan de Harvest Technologies (Texas, États-Unis).

Chez Huntsman, la résine Cibatool SL 7540 présente les mêmes caractéristiques physiques que les matières premières de produits finis. Les prototypes créés avec ce matériau ont donc des propriétés mécaniques proches des thermoplastiques courants. 3D Systems a également présenté de nouveaux matériaux Accura de frittage par laser. EOS a sorti une nouvelle poudre plastique, la PrimeCast 100, qui sert à produire des maîtres-modèles pour toutes sortes de fabrications, notamment pour le moulage silicone. Elle est complétée par les poudres Primepart DC, polyamide flexible, à qualité mécanique plus ductile, et la Primepart ST souple.

Autre évolution intéressante : les polyamides gris et noirs qui évitent de peindre les pièces.

Côté machines, le marché des imprimantes 3D continue à avoir, selon Terry Wohlers, le président du cabinet américain éponyme, le vent en poupe. Néanmoins, ces machines de bureau réalisent des pièces à l'aide de matières plus ou moins transparentes, peintes ou colorées par la suite. Elles vont plutôt s'orienter vers un bel aspect.

« Pour vraiment profiter de la fabrication rapide, il faut des pièces conçues spécialement, reprend Claude Barlier, directeur du Cirtes à Saint-Dié (Vosges). Il est surtout intéressant de faire des pièces de formes complexes, d'assembler des surfaces, donc de reconcevoir les pièces. » Le but est d'avoir des séries répétitives et des coûts compatibles. L'intérêt principal est de descendre le temps de réalisation de trois semaines à une semaine. Phenix Systèmes est l'un des principaux fournisseurs de ce type de solutions, principalement pour le secteur dentaire.

Pour réaliser des séries de pièces, une autre voie consiste à passer par l'outillage rapide ou "rapid tooling". Trois systèmes étaient en compétition : le frittage, la stratoconception et la projection de métal. « Avec la stratoconception, il est aisé d'intégrer dans un moule des canaux de formes complexes et de bonne qualité pour améliorer le passage de fluides, ou encore d'instrumenter des moules », explique Claude Barlier.

Autre tendance : la baisse de prix de machines. « À Euromold 2006, nous avions présenté la Formiga P100, un équipement de frittage plastique qui coûte deux fois moins cher que les solutions équivalentes qui existaient auparavant », explique André Surel, directeur d'EOS France. Grâce au recyclage, il suffit de 30 % de matière neuve au lieu de 50 % auparavant.

Deux technologies prometteuses

L'association Micado, qui a créé une commission de travail sur le thème "liaison CAO-fabrication rapide", note que les techniques de prototypage rapide ne sont pas toujours les mieux adaptées aux outillages rapides et à la fabrication rapide.

Néanmoins, deux technologies sont très prometteuses : la fusion sélective par fusion de la poudre au moyen d'un laser ou d'un faisceau d'électrons et l'injection coaxiale, injection de la poudre via une buse coaxiale et fusion simultanée par laser.

Enfin, l'AFPR (Association de la fabrication et du prototypage rapide) a annoncé en 2006 qu'elle souhaitait amener les techniques de fabrication additive au niveau des moyens de production industrielle. À ce titre, elle vous donne rendez-vous du 4 au 6 mars 2008 à une manifestation qui sera l'occasion de rencontres techniques stratégiques concernant la fabrication directe.

L'ESSENTIEL

Réduction des délais de conception et de réalisation due à l'interfaçage direct entre le modèle CAO et la machine. Plus la pièce est compliquée, plus le gain par rapport aux techniques classiques est important. Du choix du procédé, de la machine et des matériaux dépendent le succès de l'opération mais aussi son coût. L'outillage rapide (par exemple pour constituer des moules) est aussi un moyen indirect de raccourcir les délais de fabrication.

SIX GRANDES FAMILLES

Selon que l'on souhaite fabriquer rapidement des maquettes et modèles ou gagner du temps dans la réalisation de moules et noyaux pour la fabrication indirecte de pièces, ou que l'on cherche à fabriquer directement des pièces plastique, voire des pièces métalliques, à l'unité ou en petite série, l'utilisateur ou le donneur d'ordres dispose de toute une palette de machines et procédés.

> Impression 3D. Sorte de frittage. Une poudre est agglomérée par déposition de gouttelettes de liant. La pièce n'a pas exactement les bonnes dimensions, elle les obtient par traitement. Coût : à partir de 20 000 euros jusqu'à 40 000 euros, voire 125 000 euros. Convient notamment pour le bureau. > Stéréolithographie (SLA). Procédé par polymérisation de résine, le plus ancien et le plus utilisé. Donne des détails fins, mais nécessite généralement de prévoir un support. Le coût des machines va d'environ 125 000 euros à 350 000 euros, plus les frais de maintenance. > Dépôt de fil fondu (FDM). Un fil en fusion est déposé par une machine 3 axes sur la pièce en cours de fabrication. Ce procédé est rapide et peu cher. Il s'installe aussi dans un bureau d'études. Coût de la machine : de 70 000 à 200 000 euros environ.> Frittage laser de poudre (DTM) ou Selective Laser Sintering (SLS). Grand choix de matériaux (polyamides, PMMA, élastomères, céramiques, sables, métaux). Le laser fond la poudre qui est agglomérée par frittage. Prévoir 180 000 à 230 000 euros. > Fusion laser de poudre ou faisceau d'électrons, métal ou céramique. Procédés encore en recherche et développement. Supposent la maîtrise de hautes températures. Des applications commencent dans l'aéronautique. > Stratoconception. Le modèle à fabriquer est constitué de tranches, lesquelles sont assemblées par collage. L'avantage maximal est obtenu lorsqu'on arrive à réaliser dans le même temps un moule et tous les canaux d'alimentation et de régulation thermique associés.

GUIDECOMMENT CHOISIR LA BONNE TECHNOLOGIE ?

- Tout d'abord, il faut bien savoir ce que l'on veut faire avant d'acquérir une machine. En fonction de la résistance recherchée, de l'état de surface, des étapes de production prévues, du budget, du besoin d'esthétique et de couleurs..., les procédés à choisir changent du tout au tout. - Les coûts sont élevés, mais le but est de faire des gains sur l'ensemble de la chaîne. Pour en profiter, il faut agir très en amont pour prendre des options de design sur la phase de fabrication.- Est-ce que les pièces sont techniquement réalisables ? - Est-ce que l'on a besoin de fabrication individualisée ou personnalisée (par tailles par exemple, ou numéros de série) ? - Il est intéressant de rajouter des fonctionnalités aux pièces pour les complexifier et profiter de fonctions "gratuites", de prendre en compte les évolutions de pièces et, également, de regrouper les pièces de même nature pour réduire les coûts fixes.- Il est indispensable de connaître la productivité de la machine, le coût de la maintenance et celui de la matière première. Toute machine génère aussi des frais annexes sur les périphériques. Il faut bien les gérer. C'est souvent sur les périphériques que l'on fait le plus de gain (déballage, récupération de poudre...). - Enfin, il ne faut pas oublier que le prototypage rapide est plutôt lent ! Il demande souvent des heures, voire une dizaine d'heures.

LE TÉMOINPOB TECHNOLOGY RÉALISE DES PIÈCES MULTIFONCTIONS POUR LES ROBOTS

Spécialiste des petits robots éducatifs, ludiques ou professionnels, POB Technololy, Lyon (Rhône), n'emploie que 4 personnes, mais diffuse dans le monde entier, en Allemagne, en Amérique, au Japon, à Taïwan. Une grosse partie de son succès vient de sa réactivité. Les séries sont assez courtes, car les pièces doivent évoluer constamment, parfois pour les renforcer, parfois pour des détails. « Le frittage a changé ma vie », affirme Denis Lebrun, patron de POB, qui ajoute : « Nous savions usiner, mais c'est cher et il y avait beaucoup de pièces. L'injection plastique n'était pas envisageable pour nous. Elle n'est rentable qu'au-dessus de 2 000 pièces à cause de l'investissement important. » Grâce à Michel Berçot, chef de travaux à la plate-forme IDPro (Givors, Rhône), notre jeune dirigeant a fait la découverte du prototypage rapide. « Quand on commence à le maîtriser, il ouvre beaucoup de portes », estime-t-il. Ainsi le nombre de pièces des robots a été divisé par dix à vingt. En plus, l'entreprise peut maintenant réaliser des pièces multifonctionnelles, voire mécatroniques, avec des boîtiers différents, comme une main est capable de lancer des fléchettes. Les modifications rapidement prises en compte Le mécanisme est fabriqué directement en une seule fois. En outre, les pièces en polyamide sont personnalisables (marquage, logo, numérotation...), il suffit d'intervenir sur le fichier SolidWorks. La société sous-traite ses pièces auprès d'un fournisseur équipé d'une machine Phenix de 400 x 400 x 400 mm et bénéficie d'avantages substantiels pour des lots de pièces. Quand les commandes atteignent un niveau prédéterminé, les fichiers sont téléchargés et les pièces sont fabriquées pendant la nuit. Résultat : POB a diminué ses risques car il n'a pas de moules à financer, les modifications sont très vite prises en compte et les pièces de rechange sont livrées en trois ou quatre jours, contre une semaine pour la concurrence.

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