Conception 3D et prototypage rapide

La convergence d'un trio de technologie facilite la conception 3D avec un processus de prototypage rapide

La conception en trois dimensions (3D) devient rapidement un ingrédient essentiel du processus de conception, tout particulièrement grâce à l'association croissante de l'électronique et de la conception mécanique. Mais des obstacles importants s'opposaient à l'adoption de la conception 3D dans de nombreux domaines, notamment les coûts prohibitifs des logiciels de modélisation 3D, et de l'impression 3D. C'est pourquoi la conception 3D est restée principalement réservée aux départements spécialisés en génie mécanique des grandes entreprises.

Mais la confluence de logiciels de conception 3D gratuits et faciles à utiliser, la disponibilité de maquettes CAO 3D de composants et l'accessibilité croissante de l'impression 3D forme aujourd'hui un triumvirat de constituants clés qui met la conception 3D à la portée d'un univers technique nettement plus étendu. Cette évolution des logiciels 3D et des technologies de fabrication additives permet à un nombre croissant d'ingénieurs et de sociétés de profiter des avantages offerts par la conception 3D. Par exemple, la création rapide de prototypes permet d'économiser des semaines, voire des mois dans le cycle de conception et de développement des produits.

 

Logiciel de conception 3D

Le premier de ces trois éléments clé est le logiciel de modélisation 3D. Les estimations varient, mais des millions d'ingénieurs dans le monde pourraient bénéficier de l'utilisation de logiciels de conception 3D de qualité professionnelle. Les logiciels de conception 3D traditionnels sont devenus de plus en plus puissants, mais ils peuvent aussi être assez coûteux. Les licences des derniers outils très sophistiqués des principaux fournisseurs de CAO peuvent coûter entre 5 000 et 30 000 dollars, sinon plus, sans compter des frais annuels de maintenance élevés. La courbe d'apprentissage importante constitue le second obstacle parfois associée à ces outils. Plusieurs mois peuvent être nécessaires avant que des utilisateurs novices deviennent totalement productifs sur un outil 3D avancé. Ces deux facteurs ont certainement fait hésiter de nombreuses sociétés envisageant d'investir dans la conception 3D. Par conséquent, la conception 3D a souvent été externalisée à des sociétés spécialistes de la CAO. Cette solution peut créer des goulots d'étranglement dans le développement des produits, car même le traitement des modifications les plus simples peut nécessiter plusieurs semaines.

Des logiciels de conception 3D gratuits ou très peu coûteux étaient disponibles auparavant, mais la plupart offraient des fonctionnalités limitées. DesignSpark Mechanical est un nouvel outil de modélisation 3D des solides proposé par RS. Il pourrait révolutionner la situation. Il est totalement gratuit pour les ingénieurs souhaitant le télécharger et l'utiliser, et ne comporte aucune restriction de licence. Développé en conjonction avec SpaceClaim, le nouveau DesignSpark est basé sur la technologie de la « modélisation directe ». Il permet de créer facilement des géométries grâce à des techniques de modélisation puissantes et intuitives, basées sur les gestes. La disponibilité d'un outil gratuit et d'apprentissage rapide peut offrir des avantages importants aux concepteurs industriels et ingénieurs en électronique, notamment grâce à l'intégration croissante et à la convergence des univers de l'électronique et de la conception mécanique. Cette disponibilité signifie aussi que d'autres personnes, par exemple dans les ventes, le marketing et la production, peuvent utiliser cette plateforme commune pour contribuer et collaborer pendant les premières étapes du développement des produits et concepts, avant la création d'un modèle ou prototype physique.

Ce type d'outil libère la créativité des ingénieurs. Il supporte un processus de développement de produit plus efficace, pour créer des concepts de haute qualité, fournir des propositions professionnelles, jusqu'à l'impression des plans de fabrication intégralement dimensionnés et détaillés. Enfin, cet outil élimine les goulets d'étranglement au début du processus de conception, en autorisant des modifications et des additions en quelques secondes, sans attendre que le service CAO retravaille la conception avec des outils CAO traditionnels. DesignSpark Mechanical exporte également les conceptions 3D dans le format STL, supportant la réalisation rapide de prototypes sur les imprimantes 3D.

 

Maquettes CAO 3D

La seconde pièce du puzzle est la disponibilité des maquettes 3D des composants. Les ingénieurs veulent consacrer leur temps à la différenciation de leur produit au lieu de passer des heures, des jours ou même des semaines à saisir les dimensions des composants avant de pouvoir commencer la conception et la création d'un concept. Il faut également tenir compte du facteur humain dans la création de ces maquettes 3D : des erreurs peuvent retarder le cycle de conception de plusieurs semaines.

Une grande bibliothèque de maquettes 3D est donc une ressource précieuse pour un ingénieur. Par exemple, la bibliothèque DesignSpark ModelSource est une base de données en ligne gratuite de plus de 38 000 maquettes CAO 2D et 3D couvrant les principales technologies telles que l'électronique, l'électromécanique, la mécanique, la pneumatique, l'automatisation et le contrôle. Des maquettes CAO 3D sont également disponibles dans de nombreux formats de fichiers propriétaires, provenant des principaux fournisseurs de solutions CAO.

 

Impression 3D

Le troisième élément est l'impression 3D ou fabrication additive, qui fait actuellement les grands titres dans des domaines extrêmement diversifiés. Ces imprimantes utilisent plusieurs technologies, dont Stereo Lithography (SLA), Electron Beam Melting (EBM), Laminated Object Manufacturing (LOM), ainsi que Fused Disposition Modelling (FDM), le processus sans doute le plus courant actuellement dans les imprimantes 3D peu coûteuses. Bien que les imprimantes 3D soient déjà utilisées comme outils de fabrication pour produire de petits volumes de pièces sur mesure spécifiques, l'avantage le plus important pour de nombreuses sociétés d'électronique se situe au niveau de la création rapide des prototypes. Cette technologie pourrait révolutionner le développement des produits. En effet, l'impression 3D des prototypes n'exige pas de compétences techniques particulières. Elle apporte des avantages très importants en termes de liberté conceptuelle et de rapidité de mise sur le marché.

Les imprimantes 3D deviennent de plus en plus attractives grâce à des réductions de prix importantes ; certains modèles coûtent actuellement moins de 2 500 dollars, ce qui met cette technologie à la portée d'un nombre plus grand d'entreprises et d'utilisateurs. Un développement extrêmement intéressant de l'industrie est le projet RepRap. Il s'agit d'une initiative en source ouverte pour créer une imprimante 3D autoreproductible. En d'autres termes, une machine capable de fabriquer la plupart de ses propres composants. Les imprimantes 3D RepRapPro utilisent la technologie Fused Filament Fabrication (FFF)[1] (ou Fabrication par Fusion de Filament), qui intègre un pistolet à colle plastique contrôlé par ordinateur et une bobine de plastique alimentée dans une chambre chauffée. La matière plastique est injectée par une petite buse qui dépose la première couche sur un plateau d'impression. Ce plateau s'éloigne de la buse après le dépôt de chaque couche, prêt à recevoir la couche suivante. Un aperçu du processus utilisé dans les imprimantes RepRap est présenté à la figure 1.

Figure 1 – Processus d'impression RepRap 3D, courtoisie de reprap.org

La nouvelle imprimante RepRap est l'Ormerod. Disponible en kit, elle est l'une des imprimantes 3D les plus polyvalentes du marché actuel. L'Ormerod est une imprimante 3D monochrome configurée pour fonctionner avec un seul type de plastique par processus. Il s'agit actuellement de filaments PLA compostables ou ABS recyclables, chacun ayant des avantages spécifiques. La tête de la machine est conçue pour déposer trois couleurs. Les principales spécifications de l'Ormerod incluent un volume de fabrication de 200 x 200 x 200 mm, une vitesse de fabrication de 1800 mm par minute et une vitesse de dépôt de 33 cm3 par heure. Elle offre une résolution de dépôt de 0,0125 mm, correspondant au pas des moteurs de la machine, et une précision de 0,1 mm, déterminée par le positionnement des éléments. La résolution est bien plus grande que la précision, qui est influencée par d'autres facteurs tels que la qualité de fabrication de la courroie de synchronisation, par exemple.

3D Systems offre une autre gamme d'imprimantes 3D peu coûteuses. Elles sont entièrement assemblées et conçues pour le marché familial, éducatif et professionnel. Cette gamme comporte les modèles Cube, Cube X et CubePro, permettant d'imprimer trois couleurs dans trois matériaux différents : Nylon, PLA ou ABS. Ils offrent des volumes de fabrication respectifs de 152 x 152 x 152 mm et 273 x 273 x 241 mm, et des résolutions de dépôt de 70 microns.

 

Puissance trois pour une création rapide de prototypes

En résumé, grâce à la combinaison d'outils de conception 3D librement disponibles et de niveau professionnel, basés sur la modélisation directe, tels que DesignSpark Mechanical, de bibliothèques gratuites de maquettes 2D et 3D de composants et d'imprimantes 3D peu coûteuses, mais offrant des performances de plus en plus poussées, la modélisation 3D et la création rapide de prototypes sont désormais à la portée d'un nombre bien plus large d'utilisateurs au lieu d'être réservées à des spécialistes CAO au sein de grandes entreprises. Cette combinaison peut véritablement apporter aux ingénieurs en électronique et mécanique l'autonomie requise pour créer des concepts complets, tout en accélérant considérablement les processus de développement.