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9 Stratégies de conception d'ensembles composés de plusieurs pièces

Créer des ensembles rentables implique souvent de réduire le nombre de pièces, par des conceptions simples et flexibles, de même que d'envisager toutes les technologies de fabrication disponibles.
En rendant symétriques deux moitiés d'une boîte (une moitié est illustrée ici) et en répartissant également les trous et les filets dans chaque partie et de manière opposée les uns aux autres, il est possible d'utiliser un moule unique, ce qui réduit de moitié les coûts de l'outillage.

Deux principes de base de la conception en vue de meilleures pratiques de fabrication et d'assemblage concernent la réduction de la nomenclature et la réalisation de produits faciles à assembler. Les conseils qui suivent concernent les pièces moulées par injection, mais certains s'appliquent également aux pièces usinées et imprimées en 3D. À savoir :

  • Les pièces symétriques
  • Les pièces auto-couplées
  • Les moules famille (1+1 empreinte)
  • Les éléments de fixation
  • Les pièces dotées d'une seule forme
  • Les considérations portant sur l'assemblage
  • Le surmoulage plastique/plastique et le surmoulage d'inserts
  • Les pièces en silicone
  • Les autres procédés
À la recherche de la symétrie

Même s'il s'agit d'un concept difficile à appréhender au début, nombre d'ensembles construits traditionnellement au moyen de deux composants uniques peuvent être réalisés à partir de deux pièces identiques. Prenez l'exemple simple d'un boîtier constitué de deux coques. Le savoir-faire conventionnel indiquerait de placer des trous de boulon dans une moitié, des bossages filetés dans l'autre, puis d'utiliser cinq ou six fixations et rondelles afin de les boulonner ensemble. Mais ceci exige d'usiner deux moules d'injection. En rendant symétriques deux moitiés d'une boîte, en répartissant également les trous et les filets dans chaque partie et de manière opposée les uns aux autres, il est possible d'utiliser un moule unique, ce qui réduit de moitié les coûts de l'outillage.

Pièces auto-accouplées

Mais pourquoi ne pas se passer entièrement des vis ? Notre exemple de boitier est désormais symétrique, mais il nécessite encore une installation manuelle des inserts filetés, sans qu'il soit même encore question des vis et rondelles évoquées. Un simple système de clips et de crochets d'accouplement permet d'attacher ensemble les deux moitiés, ce qui non seulement élimine des éléments de fixation supplémentaires mais rend aussi le processus d'assemblage plus aisé. Si l'on passe au-delà de cette étape logique et que l'on remplace les mécanismes de fixation par une charnière souple placée le long d'un bord du boitier, le résultat obtenu est une conception en une seule pièce. La nomenclature a été réduite de 13 pièces, la durée d'assemblage a été réduite à zéro, et il n'est nécessaire d'acheter qu'un seul moule. A noter pour information, que l'on peut effectuer une impression 3D des charnières souples au moyen du frittage sélectif par laser à base de nylon.

Une histoire de famille

Si la conception ne permet pas d'obtenir une pièce auto-accouplée symétrique, une autre méthode pour optimiser les coûts consiste à utiliser un moule famille. C'est une solution idéale pour produire une série de pièces de formes et de tailles semblables telles que les coques supérieure et inférieure d'un boitier. Naturellement, elles doivent toutes être réalisées dans la même matière. 

Rationnalisation des éléments de fixation

Inutile de rappeler à chacun l'expression « Réinventer la roue ». Il convient d'éviter à tout prix de concevoir et fabriquer ses propres écrous, vis, arbres, tiges, clavette, ainsi que des dizaines d'autres composants prêts à l'emploi. Il est préférable de repenser la conception de votre produit en tenant compte de composants standard, notamment si une augmentation des volumes de production est prévue à un certain moment.

Adoption de pièces dotées d'une seule forme

Les propriétés qui permettent aux plastiques tels que le polypropylène (PP) et le styrène butadiène (SB) de se prêter particulièrement bien aux charnières souples conviennent parfaitement à d'autres composants flexibles, ce qui permet de simplifier les ensembles et de réduire les nomenclatures - dans certains cas, un ensemble préalablement complexe peut être réduit à une seule pièce. Par exemple, une série d'amortisseurs en métal composant un équipement de sport peut être remplacée par un seul amortisseur en plastique, et moulée ensemble au moyen d'un composant d'accouplement. Et plutôt que de faire appel à des ressorts à lames boulonnables en métal pour un petit ensemble de voitures télécommandées, il suffit de les mouler en nylon de manière à ce qu'ils fassent partie du châssis. Les concepteurs n'ont pas non plus à se cantonner aux formes traditionnelles - un ressort hélicoïdal peut aisément adopter une forme courbée en zig-zag, ou encore celle d'un S, d'un C ou d'un W horizontal. Il faut alors s'assurer que les propriétés mécaniques, chimiques et électriques du plastique choisi conviennent à l'environnement dans lequel elles seront utilisées.

Assemblage aisé

Si un produit nécessite un assemblage, essayez de faciliter la tâche en orientant les vis et connecteurs divers de telle façon qu'ils soient tous accessibles depuis le même côté, ce qui permettra de réduire au maximum le retournement ou le basculement de la pièce. Utilisez des éléments de fixation standard chaque fois que cela est possible, afin que l'opérateur n'ait pas à se munir d'un outil manuel différent à chaque fois. Pensez à intégrer des systèmes centreur / locating et Poka Yoke pour guider le montage, favoriser les ajustements, et éviter les erreurs d'assemblage. Enfin, n'hésitez pas à passer un peu de temps dans l'atelier de montage : être au courant des problèmes apparaissant à ce stade vous apportera un retour d'expérience précieux en matière de conception.

Les pièces en silicone liquide (LSR) peuvent éliminer les difficultés de moulage associées aux ensembles. D'autre part, le LSR étant biocompatible, résistant à la chaleur et à la stérilisation, il constitue une matière tout indiquée pour nombre d'applications médicales et de l'agro-alimentaire.
Penser aussi au surmoulage

Il arrive fréquemment que deux composants ou plus puissent être moulés ensemble. Plutôt que de souder, coller ou visser un élément souple sur une pièce en plastique, le surmoulage crée une liaison permanente ne nécessitant aucun autre processus d'assemblage secondaire. Les deux plastiques doivent être compatibles du point de vue chimique, mais une multitude de combinaisons et de couleurs de matières est possible. De même, on peut placer des inserts filetés dans le moule pour qu'ils soient surmoulés. Une grande variété de bagues, tiges et fixations peut être surmoulée directement dans les pièces en plastique, d'où une économie de temps et des conceptions simplifiées. 

Pièces en silicone liquide

En raison de ses propriétés de « durcissement à froid », d'une fluidité exceptionnelle et d'une absence de problèmes traditionnels du moulage tels que les retassures et les lignes de soudure, le silicone liquide (LSR) s'affranchit de nombre de règles du moulage par injection. Les pièces en LSR ne réduiront probablement pas le nombre de pièces du montage, mais elles élimineront de nombreuses difficultés de moulage et constituent souvent une très bonne alternative par rapport aux autres matières élastomères. Il est possible de former des garnitures et des joints complexes, et le LSR étant biocompatible, résistant à la chaleur et à la stérilisation, il constitue une matière tout indiquée pour nombres d'applications médicales et de l'agro-alimentaire. Le LSR tolère également les fortes variations d'épaisseur de paroi et permet de tenir aisément compte des contre-dépouilles. 

Envisager des solutions différentes

Le monde de la fabrication est en pleine évolution. Des technologies et matières dont on rêvait encore il y a quelques dizaines d'années modifient à présent l'univers de la conception et de l'ingénierie de manière radicale. L'impression 3D en fait partie. Elle offre de nouvelles alternatives en termes de conception, jusqu'alors impossibles avec les procédés traditionnels. Par la liberté qu'elle offre sur les géométries, elle permet en effet de réaliser des nomenclatures de pièce unique, d'où l'élimination de l'assemblage. Selon la technologie d'impression 3D, et l'application recherchée, on pourra même utiliser des matières compatibles pour des pièces fonctionnelles. Proto Labs propose de nombreuses options d'impression 3D, notamment des procédés permettant de réaliser des pièces en plastique, en métal. Naturellement, il est préférable de réaliser certains ensembles composés de plusieurs pièces de manière traditionnelle, en usinant chaque pièce une à une, puis en les assemblant. Toutefois, là également, les règles de conception applicables à la faisabilité et à l'assemblage sont de mise. Simplifiez les opérations, ne réalisez pas ce que vous pouvez acheter prêt à l'emploi, explorez toutes les options de fabrication à votre disposition et appréhendez bien les règles afférant à chacune d'elles. 

Comme toujours, n'hésitez pas à contacter l'un de nos ingénieurs spécialisés au +33 (0)4 27 50 29 47 ou à l'adresse customerservice@protolabs.fr.

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