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De la vision à la réalité dans les enseignements d’exploration SI et CIT. Avec les équipements de prototypage rapide ou de fabrication rapide .
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De la vision à la réalité dans les enseignements d’exploration SI et CIT Avec les équipements de prototypage rapide ou de fabrication rapide
SI : « Recherche d’une solution à un problème technique…. On fera appel uniquement à des composants du marché ou des équipements de prototypage pour matérialiser la solution ». CIT : « Matérialiser une solution innovante* * À ce niveau et dans ce contexte, cela correspond à la réalisation d’une maquette à partir d’éléments existants, à la modification d’un composant (comme la création d’une pièce nouvelle prototypée…) »
Définition : (Le prototypage rapide - Alain Bernard et Georges Taillandier - Ed. Hermès) La notion de "prototypage rapide" signifie littéralement "fabrication rapide de modèles et prototypes" et désigne différents procédés permettant de restituer physiquement des objets 3D, à partir du modèle CAO, sans outillage et dans un temps beaucoup plus court que par des techniques classiques. "Le terme de "prototypage rapide" peut, en fait, s'étendre à toute la chaîne d'obtention du prototype, depuis l'idée jusqu'à la pièce, pourvu que cette chaîne soit nettement plus courte que les approches traditionnelles, avec une implication forte de la chaîne numérique."
Les différents prototypes pour les EE SI et CIT - Prototype de forme : Ce prototype permet de valider des choix de style, d’apparence ou d’ergonomie. - Prototype fonctionnel : La bonne matière est la caractéristique prépondérante de ce prototype, il présente des propriétés géométriques et physiques très voisines de celles de la pièce finale.
Les différents procédés de prototypage rapide utilisable en SI et CIT Prototypage additif : Moyens de fabrication par ajout de matière Prototypage soustractif : Moyens de fabrication par enlèvement de matière COUCHE ENTIERE Flashage et changement d’état POINT PAR POINT Par balayage et changement d’état COUCHE ENTIERE Découpe puis addition COUCHE ENTIERE Addition puis découpe
Fabrication par découpe Stratoconception Principe de fonctionnementLes couches du modèle tranché sont mises en place sur un ou plusieurs plans (les couches peuvent avoir des épaisseurs différentes, liées aux hauteurs cylindriques des pièces). Cette mise en place est transmise au logiciel d'usinage qui va piloter le contournement de chacune des tranches. Après usinage, les tranches sont assemblées par collage. Le modèle ainsi obtenu est ensuite poncé puis poli. Matériaux : Aluminium, bois, plastiques…
Fabrication par laminage L.O.M(Lamination Objet Manufacturing) Principe de fonctionnement : Ce procédé fonctionne par empilage de couches de matériau thermocollant. Après chaque collage, un laser de puissance ou un système de découpe réalise le contour de la couche. Ce procédé permet de faire des pièces pleines à moindre coût. Pièce Découpe Matériaux : Papier, Composite Rouleau presseur Support Descente de la plate-forme Papier thermocollable Couche de papier collé Démoulage de la pièce
Dépôt de fil fondu FDM (Fused Deposition modeling) Le principe consiste à déposer un fil d'ABS fondu au travers d'une buse chauffante se déplaçant en XY. La chambre de production doit être chauffée pour obtenir un collage suffisant des couches adjacentes. La construction des pièces nécessite des supports et le procédé bien que lent pour les grandes pièces à l'avantage d'être économique. Le procédé est simple, propre et non polluant. Principe de fonctionnement : Procédé basé sur l’extrusion de matière Matériaux : ABS, PC … 5 jours pour fabriquer des phares de voiture
Projection de colle Le 3D Printing Principe de fonctionnement : Après avoir déposé une fine épaisseur de poudre sur la surface de production, des têtes d'impression, qui contiennent un liant, viennent coller les grains selon la section à créer, comme une imprimante 3D crée une image. Le procédé est rapide et ne nécessite pas de supports. En sortie de machine, les pièces dites à l'état "verte", sont fragiles et doivent subir un post traitement d'imprégnation de résine pour être manipulables. Matériaux : Les poudres qui doivent être fluides et avoir une granulométrie suffisante sont diverses : plâtre, silice. Le liant diffère selon la poudre utilisée. Il ne doit pas être visqueux et est additionné de solvant pour ne pas endommagé les têtes d'impression.
Projection de résines Le 3D Printing Principe de fonctionnement : La technologie brevetée Polyjet d’Objet fonctionne par un jet de résine photopolymère en fines couches sur un plateau, créant un modèle couche par couche. Chaque couche de photopolymère est durcie par une lampe UV immédiatement après être déposée, produisant un modèle complètement solide qui peut être manipulé et utilisé sans post-traitement. Le matériau support, de type gel, spécialement conçu pour des géométries complexes, s’enlève facilement à l’eau sous pression dans une cabine de nettoyage fourni avec le système d’impression 3D. Matériaux : Résines
Imagerie par transfert de film FTI (Film Transfert Imaging) Principe de fonctionnement : Un film transparent recouvert d’une couche de résine photopolymère est placé devant le vidéo projecteur intégré à la machine, l’image de la coupe 2D projetée dessus va faire durcir la résine. Le plateau de production est remonté d’une épaisseur tandis que le film transparent fait un aller-retour dans la cartouche afin d’avoir une nouvelle couche de résine liquide déposée dessus, l’image de la coupe 2D suivante est projetée dessus et ainsi de suite. La pièce est ainsi reconstituée couche par couche. Matériaux : Résines
CRITERES DE CHOIX Le choix d’un procédé de prototypage rapide est évidemment contraint par un aspect technique dépendant de la fonction du prototype et par un aspect économique lié à l’investissement et aux coûts d’exploitation. Le volume de travail Le volume de travail dépend de la taille de la pièce à prototyper. La stratoconception n’est pas limitée par la hauteur de la pièce puisqu’en théorie on peut empiler autant de plaques que nécessaires. Dans les autres cas on peut envisager des techniques de collage si la nature du matériau et la fonction du prototype le permettent. Le matériau Ce critère est particulièrement déterminant car il conditionne en partie les caractéristiques mécaniques du prototype. L’idéal est le prototype dit « bonne matière » (dans le cas de prototypes fonctionnels), c’est à dire présentant les mêmes caractéristiques que le produit final. En attendant , il peut être fragile ou résistant, rigide ou flexible, résistant en température. Dans certain cas le matériau est poreux et ne permet pas les tests d’étanchéité, soluble, il ne devra pas être immergé.
L’état de surface L’état de surface de la pièce, avant parachèvement éventuel dépend du mode de génération de la couche de matière : diamètre du faisceau laser et sa trajectoire en stéréo lithographie ; diamètre des grains, diamètre du faisceau laser et sa trajectoire en frittage de poudre, épaisseur des strates en stratoconception FDM ou LOM. La précision, le retrait, la stabilité Hormis les imprécisions liées aux machines elles-mêmes, c’est le matériau qui est le principal facteur d’erreur. Le retrait est présent à chaque fois qu’il y a dans le procédé une élévation de température, notamment en frittage. La maîtrise du retrait est délicate et dépend essentiellement de l’opérateur et de son savoir-faire dans le choix du sens de stratification et des paramètres de réglage de la machine (capitalisation des résultats). Ceci est d’autant plus vrai que le retrait n’est pas isotrope. Les acrylates sont réputés pour avoir un fort retrait, les époxydes un retrait nul. La fluidité, la viscosité pour les polymères liquides, la granulométrie pour les poudres sont des caractéristiques qui influent la précision. Le délai Le temps de fabrication sur la machine est plus facile à estimer que le temps nécessaire à la finition. La vitesse de croissance des couches en mm/h est une bonne indication, elle dépend de l’épaisseur de chaque couche à fabriquer et de l’étendue des surfaces successives à balayer.
Le parachèvement On ne peut pas à proprement parler de difficultés, sauf dans le cas de pièces à géométrie précise : la finition réalisée manuellement ne doit pas altérer la grande qualité géométrique de la pièce sortie de machine. Le temps nécessaire pour finir les prototypes : suppression des supports, assemblage et collage des couches ponçage, sablage, vernis ou peinture, cuisson peut être important et doit être pris en compte dans le temps de fabrication. L’environnement La toxicité des matériaux, notamment des résines, imposent un local ventilé. La non-toxicité des poudres n’est pas prouvées. Une atmosphère contrôlée peut présenter des avantages. Les machines sont très sensibles aux vibrations. Le prix De plusieurs dizaines de milliers à plusieurs centaines de milliers d’euros pour une machine de frittage l’investissement doit être rigoureusement étudié.
Evolution des moyens de fabrication : Innovation de rupture
