Pourquoi la conception de produits et le prototypage rapide vont de pair

Le prototypage rapide utilise généralement l’impression 3D pour accélérer la création de modèles ou d’assemblages à l’échelle basés sur des conceptions numériques, le plus souvent à partir de fichiers de CAO 3D. Grâce à la possibilité de développer et d’affiner les prototypes physiques en amont, les ingénieurs disposent de retours exploitables de la part des collaborateurs, de manière rapide et économique. Les designers industriels (anglais) et les partenaires peuvent utiliser le prototypage rapide pour évaluer l’esthétique et l’ergonomie d’un produit avant la phase de test par les utilisateurs. Les ingénieurs peuvent également fournir des informations sur les propriétés et les performances des matériaux d’un prototype. D’autres collaborateurs peuvent valider la fabricabilité et la facilité d’utilisation des prototypes rapides avant la production.

Le prototypage rapide est devenu indispensable dans la conception de produits, car il permet de transformer rapidement des concepts numériques en modèles réels. Cette rapidité contribue à accélérer le retour d’informations, en permettant d’identifier les défauts potentiels de conception et en assurant une transition plus fluide entre l’idéation et la production.

La fabrication additive, ou impression 3D, a révolutionné le prototypage rapide en apportant un moyen économique et efficace de produire des conceptions complexes. Son approche conviviale accélère la création de prototypes et permet ainsi aux concepteurs d’itérer plus vite et de résoudre rapidement les problèmes de conception.

L’usinage CNC complète le prototypage rapide en fournissant une finition de surface précise et ciblée, en particulier pour les composants exigeant des tolérances strictes ou des matériaux spécifiques. Alliant rapidité et précision, ce procédé garantit que les prototypes fonctionnent et que leur conception a été affinée.

Autodesk Fusion est une solution intégrée qui combine la conception CAO, l’impression 3D et les fonctionnalités d’usinage CNC. Ses outils unifiés rationalisent l’ensemble du processus, depuis la conception jusqu’à la production, ce qui en fait un choix idéal pour les utilisateurs qui souhaitent exploiter tout le potentiel du prototypage rapide dans la fabrication.

Avec des imprimantes 3D en interne, le cycle de prototypage rapide peut se dérouler sur 24 heures comme suit : les concepteurs travaillent sur un modèle de CAO 3D pendant la journée, lancent l’impression 3D des pièces du prototype la nuit, puis testent et ajustent la conception du prototype le lendemain. Cette cadence efficace permet aux équipes d’ingénierie d’intégrer des retours exploitables de clients et de collaborateurs, chaque itération se rapprochant de la forme finale du produit.

Cette boucle de rétroaction aide les développeurs à identifier et à résoudre les problèmes de conception avant de se préparer à passer à la production. La liberté de tester de nombreuses itérations de produits permet également aux ingénieurs d’explorer des conceptions en limitant les risques.

Le développement d’un prototype rapide peut se dérouler en plusieurs étapes au cours desquelles la complexité et les propriétés physiques du prototype évoluent. Lors des premières étapes du développement d’un produit, les prototypes de preuve de concept aident à valider les concepts et à démontrer la viabilité d’un produit. Les prototypes d’apparence permettent de démontrer l’ergonomie et l’expérience utilisateur sans doter le produit de fonctionnalités complètes. Les prototypes fonctionnels ne ressemblent pas forcément au produit final, mais ils possèdent les mêmes fonctionnalités et propriétés mécaniques, thermiques et électriques. Enfin, les prototypes d’ingénierie combinent les caractéristiques des prototypes d’apparence et fonctionnels dans un prototype de préproduction final conçu pour la fabrication et qui doit être au minimum viable pour les tests en laboratoire.

Le prototypage rapide est généralement associé aux techniques de fabrication additive (impression 3D). Bien qu’il existe d’autres technologies de prototypage, la plupart sont trop coûteuses pour être considérées comme du prototypage rapide. Par exemple, les nombreuses exigences en matière d’outillage et de configuration du moulage par injection rendent le prototypage rapide peu pratique et coûteux.

L’usinage CNC (fabrication par enlèvement de matière) peut parfois s’avérer utile pour les pièces de prototypage rapide qui ne conviennent pas à la fabrication additive. Toutefois, les machines CNC prennent généralement plus de temps à configurer, à utiliser et à outiller que les imprimantes 3D et sont moins souvent utilisées pour le prototypage rapide.

C’est pour cette raison que différents types de fabrication additive sont employés comme synonymes du terme « prototypage rapide ». Les trois technologies additives les plus courantes sont la fabrication par dépôt de fil en fusion (FFF) (anglais), également appelée modélisation par dépôt de fil en fusion (FDM), la stéréolithographie (anglais) (SLA) et le frittage sélectif par laser (SLS).

La fabrication par dépôt de fil en fusion est la méthode d’impression 3D la plus répandue, car elle est la plus simple et la moins coûteuse. Elle est aussi relativement rapide et donc adaptée au prototypage rapide. Toutefois, le dépôt de thermoplastiques fondus, couche par couche, produit également des imperfections en surface. Comme elle offre la résolution et la précision les plus faibles des technologies d’impression 3D, son utilisation est réservée aux pièces simples et aux premières versions des prototypes.

Les technologies SLA et SLS 3D sont plus coûteuses que la fabrication par dépôt de fil en fusion, mais produisent des pièces plus solides, plus fonctionnelles et plus précises. La stéréolithographie dirige un faisceau laser vers des résines afin de les polymériser en pièces en plastique dures avec une haute résolution et des tolérances strictes. C’est une façon très rapide de produire des prototypes d’apparence et fonctionnels. Le frittage sélectif par laser est une approche de prototypage rapide très utilisée pour la fabrication de prototypes fonctionnels et d’ingénierie destinés à la réalisation de tests fonctionnels et sur le terrain. Des lasers très puissants fractionnent les particules de toutes sortes de poudres, y compris des métaux. Le frittage peut produire des pièces d’une résistance exceptionnelle, même avec des géométries complexes et des caractéristiques inhabituelles.

Il existe d’autres méthodes d’impression 3D pour le prototypage rapide : la fonte sélective au laser, la fabrication d’objets laminés (LOM), le traitement numérique de la lumière (DLP) et la projection de liant. La fonte sélective au laser (SLM), ou fusion sur lit de poudre, est un autre exemple de processus additif à base de métaux (anglais) qui permet de construire des prototypes ou des pièces de production couche par couche à partir de titane, d’aluminium, d’acier inoxydable et d’autres poudres métalliques. La technologie de traitement numérique de la lumière est similaire à la stéréolithographie, mais elle est plus rapide et moins coûteuse, et peut également nécessiter des structures de support lors des étapes ultérieures d’impression et de polymérisation. La fabrication d’objets laminés permet de coller des couches de papier découpé par machine, de plastique ou d’autres matériaux pour fabriquer des pièces. Enfin, la projection de liant est une méthode d’impression 3D rapide qui utilise de nombreuses poudres de matériaux différentes. Ce processus lie les couches de poudre en les pulvérisant sous forme de minuscules gouttelettes, en compressant les couches et en finissant les objets par polymérisation au four ou frittage.