Le prototypage rapide : positionnement, technologies, enjeux Journée de Veille Technologique Présentation CETIM jeudi 1er décembre 2005 François PERES Ecole Centrale de Paris
Sommaire I- Situation II- Cadre du prototypage rapide III- Technologies de prototypage rapide IV- L outillage rapide V- Tendances du prototypage rapide VI- Conclusion 2
Situation
Présentation François Pérès Maître de conférences à l ECP Responsable des cours de : production maintenance sûreté de fonctionnement Cadre de recherche : Maintien d un système en conditions opérationnelles Responsable du Create 4
Ecole Centrale Paris Ecole Centrale de Paris ECP 5
Le Create CREATE Centre de Prototypage Rapide Européen d Assistance de Transfert et d Expérimentation 6
Cadre du prototypage rapide
Nouveaux paramètres de compétitivit titivité Diversité, adaptabilité des produits, variantes Rajeunissement des produits, versatilité Qualité (technique, perçue, service) Contraintes d'environnement Normes d'accès à de nouveaux marchés Matériaux et procédés nouveaux Diminution des coûts et standardisation C O U T QUALITE LE PRODUIT MOTEUR DE LA COMPETITIVITE INDUSTRIELLE SAVOIR FAIRE D E L A I "Toujours plus vite, mieux et à moindre coût" Améliorer en permanence Développer différemment Mettre en oeuvre les bons outils Ingénierie Concourante, Design for Manufacturing CFAO SGDT Prototypage Rapide 8
Processus de développement d Modèle Numérique Premiers produits Produits série MARKETING CONCEPTION INDUSTRIALISATION PRODUCTION Concept Définition Fonctions Process 9 Validations Tâches Activités 3 Besoin du consommateur D Résultats Spécification Définition Définition outillage Réalisation outillage Pré-séries
Périmètre des technologies "Reverse Engineering" "Reverse Engineering" Reconstruction de de surfaces Digitalisation de de formes formes Modèle Modèle numérique Monde virtuel Monde Réel Techniques d ajout d ajout de de matière Modèle Post-traitements Techniques d enlèvement de de matière Prototypes de Design Prototypes Fonctionnels 10
Contribution du prototypage rapide Valider rapidement la conception Prototyper sans outils à partir d'un modèle 3D Accroître le choix des formes géométriques Impliquer simultanément toute l'équipe du projet Visualiser, manipuler, tester les modèles et maquettes Minimiser les risques 11
Bénéfices du prototypage rapide Plus grande réactivité par rapport aux changements du marché Meilleure créativité grâce à la possibilité d'explorer et d'itérer de nouveaux concepts dans le design Amélioration de la cotation des commerciaux Possibilité de réaliser l'emballage en parallèle avec le développement Optimisation du produit (réduction de poids, passages de fils,...) avant de faire l'outillage Capacité à tester rapidement des pièces en ergonomie, fonderie, moulage, soufflerie 12
Secteurs concernés Aéronautique Electronique Médical Pièces mécaniques Connectique, Automobile Luxe Produits ménagers Prothèses,... Pièces mécaniques et design Flacons, bijoux, Jouets, électroménagers, 13
Technologies de prototypage rapide
Technologies STEREOLITHOGRAPHIE Principe et caractéristiques Première machine : 1988 Développée par 3D system (USA) Polymérisation d une résine par un laser piloté par la CAO Procédé le plus répandu Avantages Bonne précision Procédé mature Inconvénients Nécessité de support 15
Technologies Lentilles Lenses Rotating Miroir rotatif mirror STEREOLITHOGRAPHIE C o c m o p n u t t r e o l r Platform Plate-forme Laser Laser Scraper Racleur Resin Résine Prototype Prototype Object 16
Technologies SOLID GROUND CURING Principe et caractéristiques Développé par Cubital (Israël) Polymérisation d une section par flashage avec une lampe ultra-violet Utilisation d un dispositif de masquage Avantages Rapidité Absence de supports Inconvénients Coût Taille de la machine Post-traitements 17
SELECTIVE LASER SINTERING Technologies Principe et caractéristiques Développé par DTM (USA) Polymérisation d une poudre par un laser piloté par la CAO La poudre est chauffée jusqu à une température légèrement supérieure à son point de fusion Avantages Multiplicité des poudres Fabrication de pièces assemblées Inconvénient Porosité 18
Technologies Avantages Rapidité Economie Inconvénient Qualité grossière des surfaces 3D PRINTING Principe et caractéristiques Développé par le MIT (USA) Agglomération de poudre par une encre faisant office de liant 19
Technologies FUSED DEPOSITION MODELING Principe et caractéristiques Première machine en 1988 Développé par Stratasys (USA) Dépose d un fil fondu par une buse montée sur une machine 3 axes Avantages Grande diversité de matériaux Economie Inconvénient Présence de supports 20
Technologies LAMINATED OBJECT MANUFACTURING Principe et caractéristiques Feuilles découpées par un laser, et collées les unes aux autres Une fine feuille de papier recouverte d un film de polypropylène est déposée sur la section précédente et pressée à chaud Avantages Rapidité Stabilité (déformation, rétreint) Matériau non polluant Inconvénient Quantité de déchet 21
Technologies STRATOCONCEPTION Principe et caractéristiques La pièce est reconstituée par empilage de sections découpées (laser, jet d eau, fraisage, ) L assemblage se fait par soudage, collage ou locating) Avantages Tous matériaux Prototypes de grande taille Inconvénient Opérations manuelles 22
Technologies HIGH SPEED MACHINING Principe et caractéristiques Enlèvement de matière à partir d un bloc solide Processus accéléré par la rapidité de déplacement des axes et de pénétration dans la matière Avantages Prototype bonne matière Adapté à la réalisation de moules Inconvénient Coût de la réalisation 23
L outillage rapide
Etat de l artl Technologies dédiées Frittage de poudre UGV Technologies dérivées du prototypage rapide Modèles perdus Coulée sous vide Procédé TAFA 25
Modèles perdus Utilisation du prototype comme modèle Enrobage du modèle pour la réalisation du moule Elimination sous forme gazeuse du modèle par pyrolyse Empreinte laissée libre pour la coulée du métal 26
Coulée e sous vide Schéma de principe 27
Coulée e sous vide Schéma de principe (suite) 28
Coulée e sous vide Exemples de réalisation 29
Coulée e sous vide Equipement 30
Procédé TAFA ou métallisationm Schéma de principe Pistolet Joint Agent démoulant Modèle Plate-forme Cales Maillage Réseau Boulon Barres d aluminium 31
Procédé TAFA ou métallisationm Schéma de principe Matériau de renfort Deuxième moitié Poudre de fer Pièce injectée Couvercle 32
Procédé TAFA ou métallisationm Exemples de réalisation 33
Procédé TAFA ou métallisationm Equipement 34
Tendances du prototypage rapide (revue de presse)
Développement de l outillage rapide Outillages aciers/alliages de cuivre Plusieurs dizaines de milliers de pièces Ni infiltration ni posttraitements : frittage direct OK pour petites pièces thermoplastiques difficultés sur des moules plus techniques «Des moules métalliques par frittage direct» Industries & Techniques Janvier 1999 36
Vers la fabrication rapide Premisses dans l aéronautique et le spatial Boeing a fabriqué en 2 jours 200 pièces par frittage de poudre polyamide, pièces montées sur avion et certifiées Solution alternative (production d un moule d injection aurait nécessité 4 mois de travail) Coût 600$/pièce contre 17600$/pièce «La fabrication express» Industries & Techniques Octobre 2000 37
Stagnation des ventes de machines Peu d innovations notables lors des derniers salons Nombre de machines vendues : ralentissement de la croissance Freiné par un coût élevé, le développement du prototypage rapide prend une direction originale grâce à la sous-traitance et aux centres de transfert de technologie 38 «Marché à maturité ou en mutation?» Industries & Techniques Octobre 2000 «Le prototypage rapide se banalise» Industries & Techniques Septembre 1999 «Le prototypage rapide s oriente vers le service» Usine Nouvelle N 2520
Conclusion
Conclusion Le prototypage rapide a de beaux jours devant lui Le prototypage virtuel et la simulation gagnent du terrain mais les technologies de prototypage se décalent vers l outillage rapide et la fabrication express 40
Le prototypage rapide : positionnement, technologies, enjeux Journée de Veille Technologique Présentation CETIM jeudi 1er décembre 2005 François PERES Ecole Centrale de Paris