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Prototypage rapide

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Qu'est ce que le prototypage rapide ?

Le prototypage rapide regroupe un ensemble d’outils qui permettent de créer les éléments  intermédiaires de la conception de produits : les modèles numériques, les maquettes et les prototypes.
Ainsi, il permettra d'aller de la phase d'invention à celle de production, et de concevoir les divers outils et méthodes de cette dernière.

Quels sont les  intérêts du prototypage rapide ?

Ils sont liés à trois notions :

-    Temps : le prototypage rapide permet de réaliser rapidement les modèles, dans un but de réduction des temps de développement des produits

-    Coût : le prototypage rapide permet de réaliser des prototypes sans recourir à trop d'outillage coûteux, tout en garantissant les performances du produit final. Il permet d’explorer différentes variantes du produit en cours d’élaboration afin de retenir la solution la plus appropriée.

-    Complexité des formes : les machines procédant par ajout de matière sont capables de réaliser des formes extrêmement complexes (inclusion, cavité...), irréalisables par des procédés traditionnels.

Par ailleurs, les modèles ou maquettes produites aideront à valider le produit et à vérifier si il est en adéquation avec les fonctionnalités qui lui ont été attachées.

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Qu'est ce qu'un prototype ?


Un prototype désigne le premier, ou l'un des premiers exemplaires d'un produit industriel.

Le Prototypage rapide, ça désigne toutes les techniques qui permettent la fabrication par des machines de modèles issus de fichier C.A.O dans un délai très court.

Cela va jusqu’a la fonderie, la plasturgie, l’usinage, l’outillage, le maquettage, tant qu’il n’y a pas rupture de la chaine numérique. Comme la découpe laser par exemple.

Cela peut aller de la maquette de bijou en cire à usiner une formule 1 grandeur nature

Pourquoi le prototypage rapide ?

Le design et le développement de produit sont un processus très complexe dans les grandes marques en général, et particulièrement dans les grandes maisons de luxe.

Aussi, la fabrication de prototypes pendant le développement d’un produit est nécessaire afin d’obtenir des pièces qui  permettront la validation du projet.

Validation du projet sur : son esthétique, sa géométrie, ses fonctionnalités ou sa technologie.

Le prototypage rapide apporte de nouvelles possibilités en permettant de réaliser des pièces sans moules ni matrices.

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L'avantage sans conteste est la réduction des délais de fabrication des nouveaux produits.

Et plus la pièce est complexe, plus c’est interressant

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C’est le nombre de secteurs industriels concernés qui explique la diversité et l’ingéniosité des divers procédés.
tableau des domaines D’utilisations:
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De l’automobile à l’aéronautique en passant par le jouet, la téléphonie, l’électroménager, le flaconnage, l’architecture, le médical ou encore la création d’œuvres d’art.

 

Avantages:

·                                 Rapide et peu coûteux par rapport au prototypage conventionnel

·                                 Permet de produire plusieurs pièces dans un même temps.

·                                 Permet la construction de formes très complexes

Inconvénients :

·                                 Précision dimensionnelle

·                              Qualité de surface

·                                Moins résistant et rigide que des pièces en métal


Comment ça marche ?


La complexité de l’objet, la précision désiré, la matière obtenue en finalité, ou une étape précise du processus de fabrication détermine  le choix du procédé utilisé.

 

Suivant les besoins, on définit, en général, quatre types de prototypes :

·                     Le visuel pour valider le design.

·                     Le géométrique pour confirmer les cotes,

·                     Le fonctionnel pour homologuer certaines fonctions d'une pièce,

·    Le technologique qui est fabriqué avec la bonne matière et avec le bon procédé série.

Le choix des matériaux permet un large champ d’applications qui va du prototypage à la fabrication rapide par des machines à commande numérique qui servent à matérialiser soit par enlèvement, soit par ajout de matière.

1)- Enlèvement de matière :

le principe est d’enlever la matière a l’aide d’une fraiseuse, pilotée par un programme que l’on aura paramétré sur l’ordinateur pour définir les parcours de l’outil,  étape complexe et rigoureuse qui fait la qualité de finition incontestable de ce procédé. (très utilisé en Horlogerie)

 

On peux utiliser  les 2 méthodes de  modélisation que sont le volumique et le surfacique.

·        En récupérant les courbes de construction de l’objet pour définir le parcours d’outils.

 ·        En procédant plus simplement par balayage de la surface englobante. 

La forme de l’objet définit si il faut usiner sur 3, 4, 5, voir 7 axes: c’est là que l’on trouve les limites de ce procédé,
souvent trop complexe au stade du prototype.

 

 

 

2)-ajout de matière :

 

La fabrication s'effectue par apport de matière soit point par point, soit couche par couche.

La plupart des techniques de prototypage actuelles sont dites de fabrication par couches.

Les couches sont constituées à partir de poudres à fritter localement, de résines à polymériser localement, de couches découpées ou micro-fraisées et collées, de sections construites par dépôts d'un fil fondu ou de projection de liant sur de la matière.

 

 

 

Les principaux procédés sont :

 

-                     la stéréo lithographie (SLA) : Cette méthode de photopolymérisation permet de solidifier, à l'aide d'un laser,
des résines liquides sensibles aux Ultra-Violets, donc à la lumière du laser.
Les pièces sont construites par superposition successive de couches, point par point ou par flashage d’une couche entière.
Cette technique a été la première disponible commercialement. (3D system,1987).
C’est aujourd’hui le système le plus répandu dans l’industrie.

 

-                     le frittage de poudre (SLS) :

 
Un laser trace la forme de chaque strate fusionnant de la poudre en couche fine.

 Les grains qui ne sont pas chauffés ne sont pas affectés et restent comme support pour la couche suivante
 et d'éventuels porte-à-faux de la pièce.
Une nouvelle couche est étalée par un rouleau mécanique, et le cycle recommence.

 

-                     le dépôt de liant ou de cire:

Chaque couche est construite par extrusion d'un mince "fil" de plastique ou de gouttelettes de cire chauffé
 juste au-dessus de son point de fusion.

Le filament thermoplastique est déposé par une tête contrôlée en XY.

La nouvelle couche se refroidit naturellement par contact avec la couche précédente plus froide. Une pièce peut être facilement construite avec différentes matières et couleurs.

 

-                     la découpe de matériaux en feuille (statoconception.) : Les pièces sont fabriquées à partir des sections coupées dans de minces tranches de matériau brut. Chaque couche est empilée et collée avant ou après avoir été découpée au laser. Ces matériaux peuvent être du plastique, un composite de polyester ou du papier, Et plus récemment du métal.

 

Principe :

stéréolithographie-principe

 

Le processus débute avec un modèle de l'objet à fabriquer. Ce modèle est obtenu grâce à un logiciel de CAO ou par acquisition numérique d'un objet existant qu'on veut reproduire.

·               Le modèle une fois dessiné doit être exporté dans un format standard, le format STL (pour STereoLithography).

 Ce format a été à l'origine conçu pour communiquer avec les appareils de stéréolithographie mais est aujourd'hui utilisé dans d'autres domaines. Il s'agit d'un standard industriel de facto. Ce format décrit les modèles sous formes de surfaces triangulaires contiguës, qui créent une peau de l’objet avec un maillage de polygone.

·               Le modèle (en 3D) est découpé en tranches (2D) par un logiciel spécifique a chaque  machine. Cette épaisseur est choisie par l'opérateur et détermine la résolution de la restitution.

 Ce paramètre détermine donc la précision de l'objet qui va être produit et influe sur le temps de fabrication, plus les couches sont fines, plus c’est long, parce qu’il y en a plus a faire !

·               Le fichier STL est transmis à l'appareil de stéréolithographie qui intègre un module de commande de type automate programmable ou alors avec une interface PC.

·               L'objet est produit par la machine et doit subir un post-traitement, qui consiste a nettoyer les résidus, et finir de polymériser la résine.

·               L’objet peut subir enfin une finition manuelle pour éliminer les supports ou attaches de fabrication. Puis le ponçage, peinture, etc .



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