Proto Labs, Ltd.

6 façons de réduire vos coûts et d’améliorer vos conceptions grâce à l’impression 3D industrielle

La fabrication additive peut réduire vos coûts de prototypage et de production en petites séries, sous réserve que vous en connaissiez les règles.

Depuis quelques années, la plupart des concepteurs et ingénieurs se sont aguerris aux techniques d’impression 3D. Également appelé fabrication additive, ce terme recouvre de multiples technologies, allant du modelage par dépôt de fil en fusion (FDM) qui crée des prototypes en plastique, à la polymérisation laser qui fabrique des pièces en résines photopolymères, en passant par la fusion sur lit de poudre qui produit des composants en plastique ou en métal très dense.

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En DMLS, la machine fritte chaque couche l’une après l’autre, jusqu’à ce que la pièce soit terminée.

Toutes ces technologies offrent un énorme potentiel pour la réduction des coûts de prototypage. Deux d’entre elles, le frittage sélectif par laser (SLS) et le frittage laser direct de métal (DMLS), se distinguent par quatre atouts maîtres pour réduire les coûts : production plus rapide ; diminution de la quantité de déchets ; pièces plus légères tout en restant solides. Le SLS et le DMLS sont ainsi les alliés de milliers d’entreprises qui impriment des pièces finales en 3D. Les exemples abondent :

  • La sonde Juno de Lockheed Martin, actuellement en orbite autour de Jupiter, contient une dizaine de supports de guides d’ondes imprimés en 3D.
  • L’entreprise Activated Research Company a eu recours au DMLS pour développer une conception totalement innovante de son microréacteur catalytique à chromatographie gazeuse, le Polyarc, qu’elle a mis sur le marché en un temps record de 15 mois.
  • Raytheon utilise l’impression 3D pour fabriquer des fusées, des ailettes et des composants de systèmes de commande de missiles guidés, avec des délais de production réduits à quelques heures au lieu de plusieurs jours.
  • Boeing est entré dans le livre des records en 2016 en construisant la plus grosse pièce jamais imprimée en 3D, un équipement utilisé dans la construction de son 777, et s’est félicité d’avoir réduit ses délais de fabrication de plusieurs semaines.
  • Le constructeur naval Brunswick Corporation a fait appel à l’impression 3D pour fabriquer des grilles de climatisation pour ses yachts Sea Ray et en a retiré deux avantages : ne plus utiliser d’outils jetables et accélérer le développement de ses produits.
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Cette grille a été fabriquée par Proto Labs pour les systèmes de climatisation de trois modèles Sea Ray de luxe de Brunswick Corporation.

Toutes ces entreprises bénéficient de meilleures fonctionnalités, de pièces plus légères, de coûts de fabrication réduits et, souvent, des trois à la fois. Voici six règles de conception qui ont rendu ces réussites possibles :

1. Optimiser la conception

Les pièces imprimées en 3D bien conçues se plient essentiellement aux mêmes règles que les pièces moulées par injection. Utilisez des transitions douces entre les surfaces adjacentes. Évitez les grandes différences de profils et de volumes. Éliminez les angles vifs qui créent souvent des contraintes résiduelles dans la pièce finie. Veillez à ce que les parois minces et non soutenues ne montent pas trop haut, au risque qu’elles se courbent ou se déforment. Enfin, les surfaces à angles peu profonds ont tendance à former des marques « en escalier » disgracieuses qui proscrivent leur usage comme éléments cosmétiques — si possible, aplatissez-les.

2. Sortez du carcan des traditions

Les conceptions imprimées en 3D les plus spectaculaires tirent parti de la capacité de la fabrication additive à créer des formes « naturelles » comme les nids d’abeilles ou les matrices complexes. N’ayez pas peur d’utiliser ces formes : elles vous permettront de créer une pièce plus solide et plus légère. N’hésitez pas non plus à intégrer des trous — beaucoup de trous — dans votre conception. En fabrication traditionnelle, percer des trous dans un bloc de matière compact augmente le coût de la pièce ainsi que la quantité de déchets produits. À l’inverse, dans le monde additif, un grand nombre de trous est synonyme de plus faibles quantités de poudre et de délais de traitement raccourcis. Et n’oubliez pas que les trous imprimés en 3D ne sont pas nécessairement ronds. La plupart du temps, un trou elliptique, hexagonal ou de forme libre conviendra mieux et sera plus facile à imprimer.

3. Pensez aux prochaines étapes du cycle de conception

Ce n’est pas parce que vous pouvez imprimer des pièces percées de multiples trous que vous devez forcément le faire, surtout si vous envisagez ensuite de les fabriquer en grandes séries. En effet, la souplesse offerte par l’impression 3D est telle que vous pouvez facilement vous retrouver dos au mur si vous ne tenez pas compte de la technique de fabrication qui sera utilisée après la phase de prototypage. Comme l’illustrent les exemples cités plus haut, de plus en plus d’entreprises se tournent vers l’impression 3D pour fabriquer leurs pièces finales, mais bon nombre de ces pièces passeront de l’impression à l’usinage, au moulage ou à la coulée au fur et à mesure que les volumes à fabriquer augmenteront. C’est pour cette raison qu’il est important d’effectuer une analyse de faisabilité dès le début du cycle de conception afin de garantir la rentabilité économique de la production pendant tout le cycle de vie de la pièce.

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Certaines pièces produites par DMLS doivent être finies à la main, comme sur cette photo. Une conception mieux pensée minimise ces opérations de post-production qui augmentent les coûts et allongent les délais.
4. Évitez les opérations secondaires

Les pièces en plastique produites par SLS n’ont pas besoin de structures de support pendant la fabrication ; le post-traitement se limite donc en général à des opérations relativement simples : microbillage, peinture, alésage et taraudage des trous, usinage des éléments clés de la pièce. Le DMLS, en revanche, nécessite souvent des « échafaudages » coûteux pour soutenir et contenir certaines géométries de pièces en métal — sans eux, les surfaces risquent de gondoler et de se déformer. Cela est particulièrement vrai pour les géométries en surplomb, comme les éléments en forme de T large qui nécessitent des supports de fabrication sous les ailes, lesquels doivent ensuite être éliminés par usinage ou rectification, augmentant les coûts et les délais de traitement. L’histoire est la même, quoique moins spectaculaire, pour la stéréolithographie (SL), où les supports en résine polymérisée sont faciles à éliminer avec une meule manuelle et du papier de verre. Proto Labs s’efforce autant que possible d’orienter les pièces de façon à réduire les surplombs et autres éléments difficiles à gérer, mais le concepteur a un rôle à jouer en minimisant leur présence dès le depart.

5. Étudiez bien les tolérances

Concepteurs et ingénieurs doivent éviter de « sur-tolérancer » leurs pièces au risque de devoir, d’une part, utiliser des couches plus fines (augmentant les délais et les coûts de fabrication) et, d’autre part, prévoir des opérations d’usinage secondaires pour respecter des dimensions d’impression déraisonnables. De plus, l’impression 3D offre un si grand nombre d’opportunités pour réduire le nombre de pièces qu’il est moins crucial que les zones d’assemblage s’ajustent de façon extrêmement précise. Et ce n’est là qu’une illustration supplémentaire de la façon dont cette technologie réduit les coûts de fabrication.

6. Prenez du recul

Le coût initial des pièces imprimées en 3D vous paraît plus élevé ? Ne vous laissez pas effrayer. La fabrication additive ouvre des perspectives extraordinaires : diminution du nombre de pièces, poids allégé, intégrité structurelle améliorée, coûts d’assemblage réduits, passages internes pour le refroidissement et le câblage, éléments impossibles à fabriquer avec les techniques de conception traditionnelles. N’oubliez pas non plus que l’impression 3D ne nécessite aucun équipement, moule ou autre type d’outillage, ce qui supprime les coûts non directement associés au prix unitaire de la pièce. En regardant uniquement le prix affiché au lieu de prendre du recul pour avoir une vue d’ensemble de la fonctionnalité de votre produit, vous risquez de concevoir et reconcevoir toujours les mêmes pièces et manquer ainsi votre chance de réduire l’ensemble de vos coûts de fabrication.

Pour en savoir plus sur l’impression 3D, consultez notre livre blanc sur "les technologies d'impression 3D pour le prototypage et la production".

Comme toujours, si vous avez la moindre question, n’hésitez pas à nous contacter au +33 (0)4 27 50 29 47 ou à l’adresse customerservice@protolabs.fr. Pour lancer dès aujourd’hui votre prochain projet de conception, téléchargez maintenant votre modèle de CAO 3D sur protolabs.fr et recevez votre devis interactif dans quelques heures.

Sources : Proto Labs, Concept Laser Corp., EOS. Inc.

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