Le prototypage rapide. Le prototypage rapide exploite les fichiers numériques que délivrent les logiciels de CAO. Il permet d obtenir une

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1 Page 1 Référence au programme : Prototypage des pièces exploite les fichiers numériques que délivrent les logiciels de CAO. Il permet d obtenir une pièce réelle en 3D en quelques jours, au lieu de plusieurs semaines pour le prototypage traditionnel. Le fraisage numérique et la plasturgie sont toujours largement utilisés pour le prototypage rapide. Cependant, la filière qui se développe de plus en plus actuellement se base sur le pilotage direct d un faisceau laser, depuis les fichiers de CAO à des "imprimantes 3D", capables de délivrer r directement une pièce réelle. La possibilité d'obtenir rapidement des pièces prototypes permet de valider des solutions, des fonctions, un design,. Il est possible de modifier la conception, les matériaux, les dimensions, la forme, l'assemblage, la couleur, la manufacturabilité et la robustesse en fonction des résultats des tests et analyses du prototype. Quelle que soit la technologie retenue, la qualité du produit est assurée par la continuité de la chaîne numérique depuis le modèle CAO jusqu au prototype final. 1 - Les étapes du prototypage typage rapide Le principe général du prototypage rapide consiste à décomposer un modèle 3D en couches 2D qui seront fabriquées par différents procédés se caractérisant principalement par l ajout de matière, contrairement aux procédés conventionnels qui se font par enlèvement de matière. Ce découpage en strates en deux dimensions permet d éliminer les problèmes de réalisation de formes complexes 3D, les surfaces en contre-dépouille, inaccessibles ou closes. L empilement des couches se fait soit automatiquement soit manuellement en fonction du procédé de génération des couches. La finition de prototypes nécessite des posttraitements comme le ponçage, l enlèvement de supports, l usinage, la peinture ou le vernissage Le procédé de prototypage peut se décomposer en cinq étapes La création ou récupération du modèle CAO en trois dimensions La qualité du modèle CAO aura des répercussions très importantes sur la suite du processus de prototypage. Les modèles de CAO utilisés sont des modèles surfaciques fermés ou des modèles solides L interfaçage avec les machines de prototypage L interface standard en prototypage rapide est le format STL, qui a été développé par 3D Systems. Ce format consiste à mailler les enveloppes du modèle CAO en triangles orientés vers l extérieur de la matière et jointifs bord à bord Le découpage en strates Le découpage du modèle 3D en strates 2D est le principe fondamental du prototypage rapide. La direction et le pas de découpage sont deux paramètres importants, qui conditionnent la qualité et le coût du prototype. Le pas ou l épaisseur des couches va générer un effet d escalier plus ou moins important en fonction des formes à construire. Pour limiter l effet d escalier, le pas peut être variable suivant l axe de découpage La fabrication du modèle en fonction des techniques utilisées La fabrication des prototypes dépend essentiellement des procédés utilisés. La grande variété des techniques impose une expertise particulière afin d optimiser ces procédés Le post-traitement Les prototypes doivent subir plusieurs opérations manuelles de finition, comme le ponçage, la suppression des supports, l imprégnation de certains matériaux, la peinture, le vernissage et même parfois des opérations de reprise par usinage pour obtenir la précision requise. Ce post-traitement traitement manuel est actuellement le maillon faible des procédés de prototypage rapide et mérite des efforts d automatisation.

2 Page Les différents types de prototypes Les prototypes permettent de valider rapidement la conception d un produit en phase de développement, ce qui permet de réduire le temps de mise sur le marché (le time to market) et d être le premier, ou dans les premiers, à offrir ce produit à la clientèle. Cette validation se fait à partir de supports physiques obtenus avec le minimum d outillages et sans rupture de la chaîne numérique. L autre intérêt majeur réside dans le fait que l équipe de développement et le client ont un support concret de discussion à partir duquel chacun peut s exprimer librement sans la hantise permanente des erreurs de compréhension des formes. Chacun voit très tôt la même chose au même moment, ce qui est favorable à l innovation et à l optimisation du produit dans les phases amont de développement. L impact du prototypage rapide est le plus fort dans les premières semaines de la conception, quand les modifications ne coûtent pas cher. On distingue différents prototypes dans le cycle de développement d un produit Le prototype virtuel (la maquette numérique) La maquette numérique permet une première visualisation du produit, mais ne permet pas toujours de ressentir l effet produit par sa forme et sa silhouette. Ce prototype virtuel est indispensable pour le calcul aux éléments finis ainsi que pour réaliser de nombreuses simulations de comportement cinématique, thermique, aérodynamique et de procédés de fabrication plasturgie, fonderie, forge, emboutissage Cette définition numérique sera le point de départ pour générer des prototypes physiques sur les machines de prototypage rapide Le prototype de forme, d aspect ou de design (la maquette conceptuelle ou de visualisation) Certaines personnes lisent difficilement un texte sur un écran ; on peut alors admettre que la maquette numérique soit difficilement compréhensible pour d autres. Le prototype de forme ou d aspect permet de valider les formes, le design, l ergonomie et l encombrement de nouveaux produits. À partir de différents prototypes, les développeurs peuvent choisir objectivement la meilleure forme et décliner d autres variantes. Les stylistes automobiles et les concepteurs de produits utilisent depuis longtemps ce genre de maquettes. Ce type de prototype trouve désormais sa place dans l art, par exemple dans la sculpture numérique ou l aménagement de studio. Ces sculptures, de grande précision et avec des formes difficilement réalisables autrement, sont souvent réalisées sur des imprimantes 3D à partir de matières transparentes ou peintes. Les architectes, avec l apparition de murs de formes libres torsadées et de structures originales de plus en plus complexes, ont très vite pris conscience de l intérêt de matérialiser leur projet par des impressions 3D pour visualiser, manipuler, vérifier et ressentir les effets produits par les formes et les silhouettes Le prototype fonctionnel (prototype proche bonne matière) Ce prototype proche de la "bonne matière" permet de valider les fonctions des futurs produits. Ses fonctions peuvent être la vérification de la montabilité de composants dans un environnement donné, comme par exemple le montage d un moteur dans un nouveau corps d aspirateur, l assemblage par clipsage de différentes pièces, la validation de la cinématique d un produit réalisé à partir de différents composants, l étude du comportement d un nouveau produit dans un milieu agressif ou soumis à des tests de soufflerie. Les pièces prototypes contribuent à la production d assemblages directement montés dans leur futur environnement, sous le capot des voitures de course, par exemple.

3 Page Les procédés de prototypage rapide De nombreux procédés de prototypage sont actuellement à la disposition des équipes de conception de produits. Il existe plusieurs dizaines de solutions pour réaliser des prototypes. L'évolution permanente des procédés de prototypage oblige le concepteur de produits à s'interroger constamment sur le meilleur procédé ou la meilleure technologie à utiliser pour son application unique. Les principaux procédés : La stéréolithographie (Stereolithography Apparus, SLA) La stéréolithographie (SLA) est un procédé de fabrication additif qui construit les pièces dans un bain de résine photopolymère durcissant aux UV, à l'aide d'un laser piloté par ordinateur. Le laser est utilisé pour dessiner et durcir une tranche du modèle de la pièce à la surface de la résine liquide. La couche solidifiée est ensuite abaissée en-dessous de la surface de la résine liquide et l opération recommence. Chaque nouvelle couche durcie adhère à la couche précédente. Ce processus continue jusqu'à ce que la pièce soit achevée. La SLA a été la première technologie de prototypage rapide. Produire des pièces ayant une géométrie complexe et d'excellentes finitions de surface par rapport à d'autres procédés additifs. Coût très compétitif et technologie largement disponible sur le marché. Permet d en apprécier le volume et l esthétique mais également de valider un concept, un assemblage de pièces ainsi que le clipage. Pièces prototypes beaucoup moins solides que les pièces produites à partir de plastiques techniques ne conviennent donc généralement pas aux tests fonctionnels. La résine durcit sous l'effet des UV elle continue à durcir quand on l'expose à la lumière du soleil et les pièces peuvent devenir fragiles et cassantes au bout d'un certain temps. Les polymères liquides peuvent être très toxiques.

4 Page Le frittage sélectif de poudre (Selective Laser Sintering, SLS) Le procédé de frittage sélectif par laser (SLS) utilise un laser pour créer des pièces strate par strate à partir de poudres qui sont frittées (fusionnées) de bas en haut. Les pièces SLS peuvent être précises et plus durables que les pièces SLA mais leur finition est relativement médiocre et présente un aspect granuleux ou sableux. Les liaisons entre les particules fusionnées étant relativement faibles, les pièces ainsi créées sont moins solides que des pièces usinées ou moulées à partir de la même matière. De plus, il n'existe que très peu de plastiques disponibles sous la forme de poudre nécessitée par le SLS. Pièces SLS sont généralement plus précises et plus durables que les pièces SLA. Produire des pièces ayant une géométrie complexe. Les pièces ont une texture granuleuse ou sableuse et ne conviennent généralement pas aux tests fonctionnels en raison de leurs faibles propriétés mécaniques Le dépôt de fil (Fused Deposition Modelling, FDM) Ce procédé utilise le mouvement d'une machine 3 axes pour déposer un fil en fusion sur la pièce en cours de fabrication. Le fil fondu extrudé par deux buses chauffantes, une pour le prototype et l autre pour les supports. La solidification est instantanée quand le fil entre en contact avec la section précédente. Les matériaux utilisés pour le fil sont la cire, le nylon, le polypropylène, l'abs, Ce procédé est relativement rapide et peu cher. Il peut être très utile dans la réalisation de pièces creuses. Aujourd'hui la plupart des procédés utilise un support soluble pour un retrait plus facile. Utilise directement un matériau identique à celui des pièces définitives permet de valider les assemblages par collage ou thermosoudage. Adapté aux pièces "coques" Plusieurs couleurs. Porosité importante liée au fait que des imperfections d adhérence sont présentes entre chaque passe de la buse. l ABS est sensible à la chaleur et ne résiste pas aux températures élevées. Limité par la dimension du plateau support.

5 Page L impression 3D (3D Printing on Concept Modeler) Cette technologie consiste à projeter de fines gouttelettes de photopolymères (de la même manière qu'une imprimante à jet d'encre) d une taille de 16 µm projetées sur une plateforme de construction jusqu'à ce que la construction du composant soit finalisée. Chaque couche de photopolymère est polymérisé par de la lumière UV immédiatement après la projection sur la pièce, résultant en un composant complètement finalisé qui peut être utilisé immédiatement. Le support de construction sous forme de gel a été spécialement conçu pour pouvoir supporter des géométries complexes et peut être facilement nettoyé à la main et est souvent soluble. Parois pouvant aller jusqu à 0,6mm de finesse dépendamment de la géométrie de la pièce. Très bon état de surface Plusieurs couleurs. Limité par la dimension du plateau support. Les pièces en plastique ont tendance à fluer avec le temps Le découpage de matériaux en feuilles La technologie LOM (Laminated Object Manufacturing) n'utilise pas le changement d'état des matériaux. Des feuilles sont découpées (par un laser, par usinage ou par jet d eau), empilées et collées. Selon les techniques utilisées, le découpage peut être la dernière opération. Une feuille de papier mince, recouverte d'un film de polypropylène, est déposée sur la section précédente et comprimée à haute température. La chaleur fait fondre le film qui colle la feuille de papier. Un laser découpe le contour correspondant à la section considérée à une profondeur égale à la hauteur de couche. La pièce finale à une texture proche de celle du bois L'usinage à grande vitesse (UGV) Cela permet de s'affranchir de l'effet de stratification du prototypage rapide. Les maquettes design sont souvent réalisées en LAB (planche usinable en polyuréthane). Mais il est fréquent d'usiner de l'aluminium, du plastique (chargé ou non) et des mousse polyuréthane. Moyens : Système de programmation à commande numérique. Grandes possibilités de positionnement de la pièce à usiner. Centres d usinage standards comportent 5 axes ; avec un chargeur d outils.

6 Page La coulée sous vide La coulée sous vide est une technologie qui permet la duplication de pièces prototypes. Un moule en silicone est produit à partir de la pièce proto (maitre modèle réalisé en impression 3D). 1 Le maitre modèle est préparé soigneusement avec la finition de surface requise ainsi qu avec la définition du plan de joint pour démouler la pièce. 2 Après préparation du maître modèle, le moule est réalisé en coulant du silicone autour du maître modèle sous vide pour éviter toute occlusion d air. 3 Après durcissement, le moule est ouvert selon le plan de joint et le maître modèle est retiré laissant une cavité dans le moule. Le silicone permet une certaine élasticité ce qui évite de devoir tenir compte de dépouille ou de légères contre-dépouilles lors du démoulage des pièces. Les moules silicone sont réalisés par coulée d'un silicone qui permet une grande fidélité de reproduction tant au niveau des détails varient peu dans le temps. Ils permettent également de réaliser un moulage sans retrait. 4 Ensuite le moule silicone est placé dans l enceinte de la machine où le vide est fait. La résine est alors injectée par gravité dans le moule, sous un vide contrôlé pour éviter toute te formation de bulles (dégazage). Les matières thermo-durcisseuses utilisées pour couler dans les moules permettent un copiage rapide et de haute qualité ayant des caractéristique mécanique très proche de la pièce réel Thermojet et coulée à cire perdue Il faut préparer le modèle en cire avec une machine de prototypage rapide à l'image de l'impression 3D mais avec de la cire à la place de la résine. Ce procédé permet la fabrication de prototypes en cire sans réaliser d outillage coûteux. Il permet notamment ment de fabriquer des pièces extrêmement fines et complexes avec une précision : + /- 0,01mm. Ensuite ce modèle (ou ces modèle en cas de moulage en grappe) sont utilisés directement en fonderie en modèle de «cire perdue» pour l obtention de pièces en aluminium, acier, titane, super alliages Le modèle en cire va permettre de réaliser un moule en plâtre ou céramique. En le chauffant, la cire est extraite du moule et on peu couler l'alliage souhaité.