Mars 2013



Prototypes injectés, usinés CNC ou imprimés en 3D : que choisir et dans quel cas ?

Il y a longtemps que l'usinage CNC et le moulage par injection existent mais c'est seulement récemment que ces procédés sont devenus viables pour le prototypage de pièces en plastique. Un moule à injection pouvait produire des milliers de pièces, mais le temps de mise au point de ce dernier pour obtenir la première pièce prenaient plusieurs semaines ou même plusieurs mois et coûtait très cher. De même, l'usinage CNC pouvait produire une pièce de très nombreuses fois, mais seulement après la création du programme d'usinage, une opération nécessitant beaucoup de temps et de main-d'ouvre. Avec un nombre de pièces suffisant, on pouvait dans les deux cas amortir les coûts de préparation, mais le prototypage s'effectue avec un petit nombre de pièces produites rapidement et économiquement, en vue de les examiner brièvement puis de les mettre de côté. Jusqu'à une époque relativement récente, tous les prototypes étaient réalisés à la main à partir de plans tirés sur papier. Ce processus laborieux, et parfois sujet à erreur, était cependant indispensable.


La première technologie utilisable pour automatiser le prototypage de pièces en plastique a été l'impression 3D, un procédé additif, inventé dans les années 1980 et commercialisé dans les années 1990. L'impression 3D est née de l'union du logiciel de CAO Autodesk et de l'imprimante pour ordinateur. Autodesk ainsi que d'autres programmes de CAO ont permis aux concepteurs de créer dans le « cerveau » d'un ordinateur, d'abord en deux dimensions puis en trois, un modèle virtuel définissant complètement un objet solide. De son côté, l'imprimante avait la capacité de produire une image en deux dimensions à partir du même ordinateur. Le remplacement de l'encre par un liquide pouvant se solidifier ou par une poudre pouvant fondre et l'empilement de couches bidimensionnelles superposées, constituaient certes un défi technologique mais représentaient l'étape logique suivante. Tout à coup, les concepteurs ont pu créer un modèle CAO 3D sans quitter leur bureau et tenir en main une pièce tridimensionnelle au bout de quelques heures ou de quelques jours (voir Figure 1). Cette pièce, sa forme globale du moins, reproduisait le modèle 3D en éliminant l'erreur humaine dans le passage du plan à la pièce et évitait au concepteur de devoir essayer d'imaginer l'impression visuelle que produirait la pièce, à partir d'un dessin sur papier. L'impression 3D est rapidement devenue la méthode privilégiée pour le prototypage du plastique.

Figure 1 : Échantillon de pièce obtenu par FDM (dépôt de fil fondu). Le procédé FDM construit la pièce de bas en haut à l'aide d'une tête d'impression commandée par ordinateur.

Figure 1 : Échantillon de pièce obtenu par FDM (dépôt de fil fondu). Le procédé FDM construit la pièce de bas en haut à l'aide d'une tête d'impression commandée par ordinateur.


Les technologies d'impression 3D ne cessent de croître en termes d'applications et de capacités mais elles restent néanmoins limitées du point de vue des matières utilisées et de la robustesse des pièces produites. L'usinage en revanche étant un procédé soustractif peut depuis longtemps produire des objets solides dans des centaines de matériaux différents (voir Figure 2). Toutefois, il n'était pas évident de concrétiser le potentiel de l'usinage comme procédé de prototypage.

Figure 2: Échantillon de pièce produit par usinage CNC (sur machine à commande numérique). Un bloc de plastique  ou de métal massif, fixé sur une  commande numérique, est fraisé jusqu'à obtenir la pièce finie.

Figure 2: Échantillon de pièce produit par usinage CNC (sur machine à commande numérique). Un bloc de plastique ou de métal massif, fixé sur une commande numérique, est fraisé jusqu'à obtenir la pièce finie.


L'usinage présentait un avantage : contrairement à l'impression 3D qui nécessitait de nouvelles technologies de production, les équipements d'usinage CNC étaient déjà en place. La difficulté consistait à développer un programme permettant de convertir des modèles CAO en programme d'usinage. Le découpage d'un solide en tranches pour l'impression 3D était relativement simple. La conversion entièrement automatisée de modèles 3D en déplacements pour un centre d'usinage 3 axes, ainsi que la génération automatique de systèmes de tenue des pièces, présentaient une grande complexité et cet objectif n'a été atteint qu'en 2007. Toutefois, maintenant que le programme existe, l'usinage CNC de pièces à l'unité est devenu une option de prototypage viable et bon-marché. Dans certains cas les pièces peuvent coûter plus chères qu'avec l'impression 3D et il n'existe pas de centre d'usinage « de bureau » comme pour les imprimantes 3D, mais la capacité de produire des prototypes dans une matière équivalente au matériau de production permet de tester les propriétés mécaniques, électriques, chimiques, thermiques et optiques d'une pièce. Ceci est d'autant plus important que le nombre de matières plastiques spécialisées ne cesse d'augmenter. L'usinage permet non seulement de produire des prototypes en matière plastique mais aussi en métal.

Figure 3 : Échantillon de pièce moulée par injection. Le moulage par injection rapide s'effectue par injection de thermoplastiques dans un moule.  Le procédé peut être qualifié de « rapide »grâce à la technologie utilisée pour produire le moule en aluminium au lieu de l'acier traditionnellement utilisé pour les moules de production.

Figure 3 : Échantillon de pièce moulée par injection. Le moulage par injection rapide s'effectue par injection de thermoplastiques dans un moule. Le procédé peut être qualifié de « rapide »grâce à la technologie utilisée pour produire le moule en aluminium au lieu de l'acier traditionnellement utilisé pour les moules de production.


Tout comme l'impression 3D, l'usinage CNC rapide n'offre pas d'économies d'échelle significatives lorsque les volumes de production augmentent. En revanche, c'est dans ce domaine que le moulage par injection excelle. Comme dans le cas de l'usinage, un programme lui permet de transformer rapidement des modèles 3D en programme d'usinage pour fabriquer les moules en aluminium. Une fois le moule créé, le coût par pièce diminue rapidement. Ce procédé est donc excellent pour produire des dizaines ou même des centaines de prototypes destinés à des essais fonctionnels ou des tests de marché, ou encore des milliers de pièces à commercialiser. Le moulage par injection rapide est une très bonne solution de prototypage car il permet de produire des pièces dans pratiquement toutes les matières plastiques injectables (voir Figure 3). Ajoutons à cela qu'il permet de tester non seulement les fonctionnalités mais aussi la moulabilité. L'impression 3D et l'usinage permettent de produire des géométries qui seraient difficiles, voire même impossibles à produire dans un moule.


Chacun de ces procédés remplit une fonction particulière dans le processus de développement d'un produit. Pour obtenir rapidement les premiers prototypes individuels et même parfois les produire sans quitter votre bureau, il est difficile de faire mieux que l'impression 3D. Pour les petites séries de prototypes fonctionnels en matière équivalente à la production, l'usinage CNC est une solution parfaite. Enfin, pour produire un grand nombre de prototypes bonne-matière et tester la moulabilité, ou pour la production de petites séries de pièces, le moulage par injection rapide est le choix idéal.