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
œuvre 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, 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.
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| 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.
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| 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, etc.), 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 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, 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
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