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Les techniques de prototypage rapide

Hédi Kaffel, ing., M. Sc., Ph. D. - CRIQ
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Une nouvelle révolution industrielle est en train de naître sous nos yeux. Cette révolution est rendue possible grâce à ce qu'on appelle les imprimantes 3D ou, encore, les machines de prototypage rapide (« rapid prototyping machines »). Encore très coûteuses il y a un an, ces imprimantes 3D peuvent être connectées à un PC et utilisées chez soi à des prix désormais abordables. La moins onéreuse d'entre elles, l'imprimante InVision LD, proposée par la société 3D Systems, coûte environ 14 000 $. Le marché du prototypage rapide se développe à une telle vitesse que bientôt, à l'instar des imprimantes ou des numériseurs, les prix vont chuter et les technologies, grandement s'améliorer.
Les technologies de prototypage rapide ouvrent aussi la porte à des procédés de « fabrication rapide ». Ces procédés, dont la mise en oeuvre est directe et locale, rendent possible la production rapide d'objets en petites séries et avec de nombreuses variantes, ce que ne permettent pas les technologies plus traditionnelles faisant appel à des moules de plus en plus souvent fabriqués en Asie.
Par ailleurs, ces technologies sont capables de produire des pièces très complexes, impossibles à mouler et à usiner, avec des canaux de refroidissements et avec plusieurs éléments déjà assemblés et fabriqués en une seule étape. Dans un futur proche, elles permettront même de fabriquer des pièces non plus dans un seul matériau, mais dans un gradient de matière où une évolution lente d'un matériau à un autre à l'intérieur même du volume gérera les variations souhaitées de propriétés.

Sous le terme « prototypage rapide » se cachent différents procédés restituant physiquement un objet 3D à partir d'un plan transcrit dans un fichier de CAO. Les différentes techniques de prototypage rapide permettent l'obtention, dans des délais très courts, de modèles qui autoriseront la validation de la conception d'un point de vue esthétique, géométrique, fonctionnel ou technologique. Le prototypage rapide intègre trois notions essentielles : le temps, le coût et la complexité des formes.

 

 

 

 

Temps : l'objectif du prototypage rapide est de réaliser rapidement les modèles dans un but de réduction des temps de développement des produits.
 
Coût : le prototypage rapide permet de réaliser des prototypes sans qu'il soit nécessaire de recourir à des outillages coûteux, tout en garantissant les performances du produit final. On est donc en mesure d'explorer différentes variantes du produit en cours d'élaboration afin de retenir la solution la plus appropriée.
 
Complexité des formes : les machines procédant par ajout de matière sont capables de réaliser des formes extrêmement complexes (inclusion, cavité, etc.), irréalisables par des procédés tels que l'usinage.

 

Aujourd'hui, l'industriel peut ainsi disposer d'un modèle de visualisation en moins de 24 h. La fabrication s'effectue par apport de matière soit point par point, soit couche par couche. La plupart des techniques de prototypage actuelles sont dites de fabrication par couche. Ces dernières sont constituées, entre autres, à partir de poudres à fritter de résines à polymériser, de couches découpées et collées, etc.

L'avantage sans conteste du prototypage rapide est la réduction des délais de fabrication. Plus la pièce est complexe et plus la différence avec une fabrication dite conventionnelle s'accroît. De plus, le prototypage rapide apporte de nouvelles possibilités en permettant de réaliser des pièces sans moule ni matrice.

LES DIFFÉRENTS PROCÉDÉS DE PROTOTYPAGE RAPIDE

La stéréolithographie

Principe : le processus débute avec un modèle informatique de l'objet à fabriquer. Ce modèle est obtenu grâce à un logiciel de CAO ou par l'acquisition numérique d'un objet existant qu'on veut reproduire. Le modèle, une fois dessiné, doit être exporté dans un format standard, le format STL (pour STereoLithography). Ce format a été à l'origine conçu pour communiquer avec les appareils de stéréolithographie, mais est aujourd'hui utilisé dans d'autres domaines. Le fichier STL est transmis à l'appareil de stéréolithographie puis le modèle (en 3D) est découpé en tranches (2D) d'épaisseur fixe. Cette épaisseur est choisie par l'opérateur et détermine la résolution de la restitution. Ce paramètre détermine donc la précision de l'objet qui va être produit. C'est la superposition des différentes couches résultantes qui constitue le volume du modèle.

L'impression 3D

Principe : l'impression 3D est une technologie de prototypage rapide récente. Elle permet de générer un objet réel à partir d'un fichier CAO en le découpant en tranches puis en déposant ou solidifiant de la matière couche par couche pour, au final, obtenir la pièce terminée. Le rouleau étale une couche de poudre, la tête d'impression dépose le liant, la section de la pièce est solidifiée, le piston descend pour faire place à une nouvelle couche et le procédé se répète jusqu'à finalisation de la pièce.

Par rapport aux autres technologies de prototypage rapide traditionnelles (stéréolithographie et autres), l'impression 3D est nettement meilleur marché et rapide, mais la solidité des pièces est légèrement inférieure.

Selective Laser Sintering (SLS)

Principe : cette technique est basée sur le principe d'agglomération de poudre polymère ou métallique. Pour la poudre polymère, la méthode consiste à fusionner localement les particules à la surface d'un lit de poudre à l'aide d'un faisceau laser aux endroits où l'on désire la pièce. La surface de poudre est ensuite abaissée afin de permettre le nivellement d'une nouvelle couche de poudre. Le laser balaie à nouveau la surface de la poudre pour créer une section additionnelle, juxtaposée à la précédente. La pièce est ainsi formée couche par couche et la pièce finale (poudre liée) se retrouve imbriquée dans une assise de poudre non liée.

Le même principe s'applique pour les poudres métalliques avec la différence que la poudre de métal a été préalablement enrobée de polymère. Le faisceau laser est utilisé pour agglomérer les particules de métal en fusionnant l'enrobage polymère qui agit comme une colle. Cet enrobage doit ensuite être éliminé par chauffage intense dans une première étape au four. La poudre de métal doit être frittée (microsoudures entre particules de métal) à haute température dans une deuxième étape pour que la pièce se maintienne sans l'aide du polymère. Cette technologie permet de fabriquer des pièces fonctionnelles contrairement à la STL. Par contre, les tolérances dimensionnelles et le fini de surface des pièces SLS ne sont pas d'aussi bonne qualité.

Fused Deposition Modeling (FDM)

Principe : un filament en plastique est déroulé d'une bobine et acheminé vers un bec d'extrusion. Le bec est chauffé pour fondre le plastique et un mécanisme d'entraînement sert à contrôler le flux de plastique fondu. Le bec se déplace sur la table 3D, suivant la géométrie de la pièce désirée, et dépose une mince couche de thermopolymère pour former les sections de la pièce. Le polymère appliqué se solidifie en refroidissant et se colle à la couche précédente.

Bien qu'ils se soient améliorés ces dernières années, le fini de surface et l'exactitude ne sont pas parmi les points forts de FDM, mais il s'agit d'un procédé relativement économique pour la fabrication de pièces fonctionnelles.

Laminated object manufacturing

Principe : un laser (ou couteau) sert à découper des patrons dans une feuille de papier dont la face inférieure a préalablement été imprégnée de colle thermodurcissable. Le papier, sous forme de rouleau, se présente sur une plate-forme contrôlée en position. Le papier est collé sur le dessus de la plate-forme à l'aide d'un rouleau chauffant et découpé selon le patron désiré. En tournant le rouleau, une nouvelle section de papier se présente. Elle est collée sur la section de papier précédente et découpée. La pièce finale peut être de grandes dimensions et a l'apparence du bois. Ce procédé est utilisé pour la fabrication des modèles pour la fonderie ou l'évaluation des concepts prototypes.

Et demain ? Verrons-nous des micro-usines personnalisées (MUP)?

Afin de mieux évaluer l'impact de ces avancées technologiques pour les PME manufacturières, voici un extrait d'un excellent article publié par M. Joël de Rosnay, Docteur ès Sciences, Président exécutif de Biotics International :

« Nous pouvons aisément supposer qu'une machine (appelons-la une « imprimante 3D ») qui coûte environ 14 000 EUR (env. 21 000 $ CA) aujourd'hui, coûtera demain 4 000 EUR (env. 6 000 $ CA) tout en bénéficiant de performances accrues par rapport à la génération précédente. Puis 1 500 EUR (env. 2 000 $ CA) après-demain, en bénéficiant encore une fois de meilleures performances que la génération précédente, et ainsi de suite. La loi de Moore ne s'appliquant pas uniquement aux microprocesseurs.

Le marché, quant à lui, se diversifiera. Accessible aujourd'hui aux professionnels exclusivement, car le poste budgétaire consacré aux maquettes, au prototypage rapide ou aux prototypes classiques est considérable, nous verrons apparaître une multitude de sociétés de services proposant la réalisation de tel ou tel objet à partir d'un fichier 3D trouvé sur le site Web d'un fabricant de téléphones ou de lecteurs MP3, sur le modèle des « copy shop » ou des cybercafés. Plus tard, il sera possible d'acquérir, pour quelques centaines d'euros, sa propre imprimante 3D. »

Vous désirez en connaître davantage sur les techniques actuelles et ce que nous réserve l'avenir du prototypage rapide? Nous vous invitons à consulter les deux articles de M. de Rosnay et les quelques sites suivants :

Pour obtenir de l'assistance technique au Québec :

Centre de productique intégrée du Québec

Pour connaître les fabricants, les entreprises de services et les distributeurs québécois :

http://www.icriq.com/fr/index.html

 

Article mis en ligne le 27 février 2007