De la fabrication additive au moulage par injection
La précision et la répétabilité de l'impression 3D de qualité industrielle ont établi la fabrication additive comme un processus efficace et précis pour le prototypage fonctionnel. Parallèlement, le moulage par injection plastique a longtemps été un moyen fiable et économique en termes de coûts et de temps pour produire des pièces pour des séries de production plus importantes de dizaines de milliers et au-delà.
En conséquence, les ingénieurs, les concepteurs et les développeurs de produits ont découvert que ces deux processus fonctionnent bien ensemble dans le cycle de vie d'un produit, commençant par l'atténuation des risques de conception du prototypage par impression 3D, puis passant à la méthode de fabrication du moulage par injection pour augmenter les volumes pour des quantités plus élevées. Pour des millions de conceptions de pièces au fil des ans, cela a été une combinaison de prédilection.
Chez Protolabs, des exemples abondent dans plusieurs industries, y compris aérospatiale et défense et medtech.
Il convient de noter qu'il existe plusieurs processus d'impression 3D capables de construire des pièces de production entièrement fonctionnelles. Le frittage direct de métal par laser, par exemple, utilise une gamme de métaux pour fabriquer des pièces finales d'utilisation. Le frittage sélectif par laser, utilisant des matériaux à base de nylon, peut créer des pièces finales très durables. La Fusion Multi Jets est également utilisée pour fabriquer des pièces finales en nylon utilisées en fin de production.
Cela dit, passer des prototypes imprimés en 3D aux pièces finales moulées par injection reste une option fréquemment utilisée, principalement, comme mentionné, parce que le moulage est un moyen plus économique et plus rapide de produire des pièces en plus grand nombre.
Lors du choix de cette option, il existe un certain nombre de considérations de conception uniques à garder à l'esprit. Ce post offre des conseils pour naviguer dans ce changement :
- Définir une pièce avant de concevoir une pièce
- Utiliser plusieurs prototypes
- Manœuvrer à travers le moulage
- Choisir des matériaux
- Atténuer les coûts et les délais
Atténuation des Risques de Conception : Définir une Pièce avant de la Concevoir
Le prototypage avec l'impression 3D ou la fabrication additive concerne avant tout l'atténuation des risques de conception : examiner comment améliorer la conception d'une pièce ; identifier les risques potentiels pour la forme, l'ajustement et la fonction d'une pièce ; tester et évaluer une variété de concepts de conception ; et veiller à ne pas se limiter en ne tenant pas compte de la faisabilité de fabrication de la pièce. En effet, avec l'impression 3D, il y a peu de règles ou de limitations susceptibles de vous poser des problèmes lors de la création d'une pièce. Mais concevoir une pièce moulable, eh bien, c'est une autre histoire. La fonction affecte la forme pour tout type de pièce, mais avec les pièces en plastique en particulier, elle affecte également la finition, et même la conception du moule qui les forme.
C'est là qu'intervient notre plateforme de devis numérique automatisée. Cette analyse est particulièrement cruciale si vous envisagez que la pièce soit moulée, ou du moins produite en quantités quelque peu plus importantes que la simple étape de prototypage. Pour les pièces imprimées en 3D, vous obtenez un devis instantané avec une tarification interactive basée sur le matériel, la résolution et la finition. De plus, vous pouvez toujours obtenir des retours de conception de l'un de nos ingénieurs en fabrication additive internes. Pour les pièces moulées, vous obtenez un devis en ligne interactif en quelques heures, ainsi que l'analyse DFM, et une tarification en temps réel basée sur la quantité, la finition et le délai.
Mais revenons à quelques exemples d'atténuation des risques. Dans l'industrie automobile, la conception d'une pièce qui s'intègre comme composant du moteur d'un SUV devra probablement résister à une exposition à de hautes températures et à l'humidité. Cela orientera des choix clés tels que le matériau à utiliser et la méthode de production à privilégier. Cela pourrait nécessiter l'utilisation du frittage sélectif par laser (SLS), un processus d'impression 3D capable de produire des pièces de production fonctionnelles, ou peut-être nécessiter des pièces moulées ou usinées. Ou disons, une entreprise de medtech prototype un nouvel outil chirurgical portable. Dans ce cas, un prototype imprimé en 3D serait un outil qui fonctionnerait bien dans un cabinet médical ou une clinique pour des démonstrations de vente et des tests d'utilité.
À ce stade initial, le meilleur conseil est d'utiliser de bons principes de conception solides pour aider à définir une pièce avant de la concevoir. Ce qui mène à la section suivante : le rôle des prototypes itératifs ou multiples.
Le prototypage multiple aide à déterminer une méthode de production
Comme nous l'avons dit, il y a peu de règles ou de limites à la création d'une pièce par fabrication additive. C'est à la fois une bénédiction et une malédiction. C'est surtout un défi lorsque les concepteurs veulent transformer un prototype imprimé en pièces moulées ou en une autre méthode de production. Pourquoi ? Eh bien, dans le cas du moulage, il "n'aime pas" les sections transversales épaisses, les surplombs, les flux qui s'enroulent autour d'un noyau et se tricotent, les géométries complexes, les canaux ou chambres internes, les géométries organiques, et ainsi de suite. En d'autres termes, ce n'est pas parce qu'une chose peut être imprimée en 3D qu'elle peut nécessairement être moulée.
As a result, cross-quoting—quoting across or against multiple processes—along with iterative prototyping, can be a helpful vetting process to a part design. Doing this in parallel will help show whether the part will even be functional, and then how it might be successfully converted to the next step, to a method that allows for higher volume production, whether that might be moulding, casting, machining, sheet metal fabrication, or other process. This multi-prototyping will likely also help you figure out price and time considerations, too.
Dans le cas du moulage par injection, vous rencontrerez davantage de restrictions sur ce qui peut et ne peut pas être moulé, car si le moule ne peut pas être produit, la pièce ne peut pas l'être. Pour le moulage par injection, de nombreuses techniques et éléments de moulage devront être utilisés ou ajoutés (voir la section suivante sur les manœuvres de moulage).
L'industrie aérospatiale a donné un exemple de ce processus de cotation multiple avec le drone quadcopter de Lockheed Martin (voir encadré). Le concepteur du projet, Miguel Perez, ingénieur chez Lockheed Martin, a travaillé avec le système de cotation automatique de l'analyse DFM de Protolabs, qui l'a guidé à travers diverses itérations de pièces et l'a finalement amené à passer du prototypage par impression 3D au prototypage et à la production en faible volume par moulage par injection.
Il soumettait un modèle non modifié au système de devis et obtenait ensuite un retour d'information, par exemple sur la manière dont les moitiés du moule pourraient fonctionner, sur des suggestions de tirage latéral et sur les caractéristiques qui ne pouvaient pas être moulées. Perez utilise alors ces informations pour transformer la pièce imprimée en 3D en plusieurs pièces d'interface moulables qui préservent l'intention de la conception. Il soumettait ensuite à nouveau les pièces modifiées et recevait encore plus de commentaires du système de devis sur la manière dont le moule pouvait être réalisé, lui montrant par exemple les endroits où il avait pu négliger des ébauches requises dans les directions appropriées.
Dans l'industrie médicale, on peut citer l'exemple des tests de vérification que l'impression 3D permet d'effectuer sur une pièce telle qu'un verrou Luer, qui se visse et s'adapte à l'extrémité des seringues. Il existe certaines façons de mouler ces verrous pour réduire les coûts, mais les conceptions peuvent d'abord être validées par l'impression 3D, en s'assurant qu'elles sont suffisamment serrées pour assurer l'étanchéité, par exemple, avant de juger qu'elles fonctionnent suffisamment bien pour passer au moulage.
En fin de compte, en fonction de la pièce conçue, les essais et l'utilisation de plusieurs prototypes peuvent vous aider à vérifier si quelque chose fonctionne et à acquérir plus de confiance dans un prototype avant de passer au moulage.
Manœuvrer à travers le moulage
Pour passer des prototypes imprimés aux pièces moulées, il convient d'envisager et, le cas échéant, d'appliquer un certain nombre de méthodes de conception du moulage. Les deux principales techniques sont l'épaisseur de paroi uniforme et le tirage, mais il en existe plusieurs autres. En voici un bref aperçu :
Épaisseur uniforme de la paroi. Le maintien d'une épaisseur de paroi uniforme est probablement la condition de conception la plus importante pour obtenir de bonnes pièces moulées. Une épaisseur de paroi uniforme permet au plastique fondu de remplir le moule de façon homogène, ce qui évite de créer une pièce présentant une déformation, un affaissement, des lignes de tricotage fines ou d'autres défauts.
Trait de scie. L'ajout d'une dépouille ou d'une pente aux parois verticales d'une pièce facilite l'éjection ou le démoulage de la pièce. La règle principale est d'appliquer un degré de dépouille par pouce de profondeur de la cavité du moule.
Rayons. Utilisez des rayons ou des coins arrondis pour améliorer l'écoulement du plastique dans le moule ainsi que l'intégrité de la pièce. Les angles vifs augmentent la tension sur la pièce et gênent l'écoulement du plastique fondu (résine).
Nervures, goussets, rampes. L'inclusion de nervures et de goussets de soutien peut accroître la résistance des pièces structurelles et contribuer à éliminer le gauchissement, l'enfoncement et les vides. Les nervures doivent représenter 40 à 60 % de l'épaisseur de la paroi adjacente. Des rampes plutôt que des marches abruptes peuvent réduire les tensions entre les parties plus épaisses et plus minces de la paroi.
Bossages. La conception d'une paroi plus fine sur un bossage ou un élément de montage destiné à recevoir une vis permet d'éliminer les enfoncements et les vides.
Pour plus de détails sur les directives de conception du moulage par injection, y compris les recommandations relatives à la taille des pièces et aux matériaux, consultez nos directives de conception pour le moulage par injection de plastique, qui comprennent des dimensions maximales, des listes de plastiques et de finitions de surface couramment utilisés, ainsi que des options de finition secondaire ; des directives de conception pour le caoutchouc silicone liquide (LSR) ; et des directives pour le surmoulage et le moulage d'inserts.
Considérations sur les matériaux pour le moulage par injection
Les deux grandes catégories de matières plastiques sont les thermoplastiques et les thermodurcissables (LSR par exemple). Le choix d'un matériau repose sur une série de considérations. Les propriétés mécaniques, physiques, thermiques et électriques du matériau sont importantes. La fabricabilité est essentielle, comme les caractéristiques des résines (matières plastiques sous leur forme brute), y compris leur résistance à la déformation pendant le refroidissement et leur capacité à remplir les petites caractéristiques d'un moule. Selon la fonction de la pièce, l'aspect cosmétique peut également être important. Le coût des matériaux est une autre question. D'autres considérations particulières peuvent également entrer en ligne de compte, comme la nécessité d'obtenir des certifications FDA ou UL.
Atténuer les coûts et les délais
Les coûts et les budgets globaux, ainsi que les délais et les échéances, sont également des éléments clés à prendre en compte. Dans certains cas, on peut avoir l'impression que le coût est le principal facteur influençant le développement d'une pièce ou d'un produit. Pourtant, en utilisant des méthodes de production plus abordables telles que le moulage, les coûts peuvent être maîtrisés.
Dans le même ordre d'idées, l'imminence d'un délai peut également sembler être un facteur déterminant. Cependant, grâce aux méthodes de fabrication digitale qui peuvent accélérer le développement de produits, le prototypage et la production de pièces et de produits peuvent être considérablement raccourcis.
Gus Breiland est ingénieur technique principal chez Protolabs, dans le Minnesota.