Production de préséries avec l’impression 3D FDM

D’une manière générale, le terme « pilote » désigne un banc d’essai pour l’évaluation d’un nouveau produit. Dans le monde de la télévision, par exemple, il s’agit d’un épisode autonome d’une série télévisée qui sert à vendre l’émission à un réseau de télévision. Dans l’industrie, une chaîne de production est généralement mise en place au cours du développement de l’ingénierie ou de la fabrication, pour tester de nouvelles méthodes, de nouveaux procédés et de nouveaux systèmes. Nous voulions en savoir plus ce type de production dans l’industrie de la fabrication additive et nous avons posé quelques questions à MakerBot.

Nous sommes presque sûrs que MakerBot est une entreprise qui n’a pas besoin d’être présentée plus en détail, mais suivons les règles du jeu et présentons le fabricant.

MakerBot est un fabricant américain d’imprimantes 3D de bureau. L’aventure a officiellement commencé il y a 10 ans, en janvier 2009 avec Bre Pettis, Adam Mayer, et Zach “Hoeken” Smith et il y a 6 ans, l’entreprise est devenue une société de Stratasys. Au fil du temps, l’entreprise s’est forgée un positionnement unique en matière d’impression 3D dans l’éducation.

Comme certaines entreprises de l’industrie, nous avons assisté à une sorte de « période de calme » dans les activités de MakerBot, mais avec Nadav Goshen comme CEO, l’entreprise a ouvert un nouveau chapitre de son histoire, un chapitre dans lequel nous avons assisté au lancement de nouvelles imprimantes 3D FDM incluant Method & Method X, 2 imprimantes 3D FDM qui intègrent des fonctionnalités industrielles.

Dans cet article, Dave Veisz, vice-président de l’ingénierie chez MakerBot, a partagé l’expérience de l’entreprise dans la technologie FDM. Cet article a pour but de présenter une vue d’ensemble d’un processus de fabrication d’un produit, en particulier d’une imprimante 3D. Plus important encore, il questionnera l’importance de la technologie FDM dans le programme pilote d’un produit lambda. 

Programme pilote d’un système d’impression 3D

Chaque année, plusieurs imprimantes 3D sont dévoilées dans la communauté de l’impression 3D. Chacune d’entre eux a pour objectif d’être le « game changer » pour les fabricants, les ingénieurs et les entreprises. Dans un marché aussi concurrentiel, le consommateur est perdu et ne sait pas vers qui se tourner.

En outre, seul un petit nombre de fabricants sont prêts à partager quelques informations sur le processus qu’ils suivent pour lancer leur produit.  Pourtant, un tel processus pourrait permettre d’évaluer les efforts investis pour fournir un produit de qualité supérieure et aider l’utilisateur dans son processus de prise de décision.

 Comme nous l’avons déjà expliqué, un programme pilote est un essai expérimental qui aide une entreprise à comprendre comment un projet à grande échelle pourrait fonctionner dans la pratique. Même si nous ne remettons pas en question les avantages d’un tel essai, il est à noter que le déroulement d’un proet pilote varie d’une entreprise à l’autre. Jusqu’à présent, nous n’avons pas encore vu un guide défini appliqué par les fabricants de systèmes d’impression 3D.

Il y a deux ans, Impossible Objects, un fabricant qui développe une méthode de fabrication additive à base de composés (CBAM) a lancé son système de FA Modèle 1. Au cours du programme pilote initial, le fabricant américain a effectué plusieurs essais avec un nombre restreint de clients, dont Jabil, une société de solutions produits, et certains clients du Fortune 500 dont les noms n’ont pas été dévoilés.

Nous avons vu que le développement d’une imprimante 3D de bureau était légèrement différent :

« Dans le développement de l’imprimante 3D MakerBot METHOD, par exemple, il y a eu plusieurs étapes importantes dans la construction et les cycles de test menés au début de la production en série et à l’expédition.  Les premières constructions utilisent principalement des prototypes (plastiques imprimés en 3D, métaux usinés, électronique à rotation rapide), mais à mesure que la conception mûrit, les constructions deviennent plus représentatives de la production et se composent d’un mélange de pièces usinées et de pièces prototypes rapides, et le nombre d’unités augmente pour permettre des tests plus approfondis. 

Pour une nouvelle plateforme comme METHOD, un “essai pilote” pour MakerBot est généralement d’au moins 100 assemblages complets, de sorte que nous avons suffisamment d’unités pour effectuer des tests statistiquement pertinents pour la fiabilité et la performance ainsi que le processus de fabrication et le contrôle qualité en ligne.  Une seule unité peut suffire pour prouver la preuve de concept à un stade précoce, mais pour un tirage pilote, la quantité doit être suffisante pour tester suffisamment la variabilité de la qualité des pièces et du procédé de fabrication », explique Dave Veisz.

Cette procédure n’est appliquée que pour l’imprimante 3D METHOD. D’autres fabricants ont certainement adopté une voie similaire, mais nous ne pouvons pas le confirmer pour l’instant.

Maintenant, avant le lancement d’un produit de consommation, les procédés sont-ils exactement les mêmes ?

L’impression 3D et le lancement de nouveaux produits

L’impression 3D FDM est sans aucun doute la technologie la plus utilisée dans l’industrie de la fabrication additive. Elle est devenue une technologie de choix pour les fabricants et les passionnés qui souhaitent découvrir l’impression 3D ainsi que pour certaines entreprises de l’industrie dans leurs installations de production.

« Les imprimantes FDM sont utilisées dans les écoles primaires pour initier les élèves à la pensée du design et à d’autres sujets STEAM, mais elles sont également utilisées pour produire des pièces destinées à l’aérospatiale et à la défense qui ont des exigences extrêmes.  Par conséquent, les imprimantes FDM couvrent un très large éventail de cas d’utilisation.  L’impression FDM est une excellente introduction à l’impression 3D parce qu’il s’agit d’un procédé d’impression 3D accessible et sûr qui ne nécessite pas de produits chimiques dangereux, ni de procédés secondaires pour créer rapidement une pièce utilisable », a déclaré le vice-président de l’ingénierie chez MakerBot. 

En ce qui concerne les entreprises, les tests de marché et la production pilote restent l’un des aspects les plus coûteux du lancement d’un nouveau produit. En effet, avec les procédés de fabrication conventionnels, les outillages de petites séries peuvent rapidement devenir coûteux, surtout si la conception de la pièce change régulièrement. Et évidemment, le fait de ne pas essayer chaque idée/design peut avoir pour résultat d’investir dans un produit qui ne fera pas long feu sur le marché.

La production pilote avec l’impression 3D offre une alternative à ce problème. En effet, en utilisant des imprimantes 3D, les fabricants peuvent produire un prototype en petites et moyennes séries d’un produit sans aucun coût d’outillage. De plus, dans la plupart des cas, ces imprimantes 3D restent des imprimantes 3D FDM. Pour Dave Veisz de MakerBot, plusieurs raisons peuvent justifier le choix de la technologie FDM, mais au fur et à mesure que le volume augmente, la nécessité de considérer l’outillage devient plus évidente :

« De nombreuses entreprises le font en plus d’utiliser les imprimantes 3D FDM pour la production de pièces de série.  Les principaux critères sont les exigences de la pièce (propriétés du matériau, charge mécanique, etc.) pour déterminer si la technologie FDM est la bonne en termes de capacités, et la deuxième considération est économique.  La FDM est facile à justifier pour une production en grande quantité et en faible volume, car il n’y a pas de dépenses importantes ou de délais d’exécution pour l’outillage des pièces FDM par rapport aux pièces moulées ou d’autres procédés proches de la forme nette. 

Cependant, au fur et à mesure que le volume augmente, l’outillage dédié devient plus justifiable que la FDM en raison des prix généralement plus bas des pièces pendant la durée de vie du produit.   Un autre point à souligner ici est qu’il y a des géométries de pièces qu’il est possible de créer dans la technologie FDM qui ne sont pas possibles à créer par les méthodes de fabrication traditionnelles.  Cela inclut les conceptions avec des vides internes ou des sections transversales variables et des assemblages dynamiques « imprimés sur place ».  Ainsi, les industries de haute technologie comme le médical, l’aérospatial et la fabrication de pointe conçoivent des pièces de production qui profitent de la liberté de l’impression 3D et réduisent le nombre de pièces, améliorent les rapports résistance/poids et obtiennent d’autres avantages qui justifient l’utilisation de la FDM pour fabriquer des pièces de production. »

L’impression 3D FDM est donc une alternative intéressante qui permet aux start-ups et aux bureaux d’études d’effectuer des tests de marché rapidement et à moindre coût, sans oublier que son coût permet de réaliser plus de tests que la normale.

La prochaine question qui nous vient à l’esprit est de savoir quelles sont les caractéristiques des imprimantes 3D FDM idéales pour la production pilote.

Principales caractéristiques à prendre en compte lors du choix des imprimantes 3D FDM pour la production pilote

 En ce qui concerne la technologie FDM, l’utilisateur fera attention aux paramètres de l’imprimante, le gauchissement, l’adhérence de la couche, la structure de support, l’épaisseur du remplissage et de l’enveloppe, les matériaux et la phase de post-traitement.

En ce qui concerne les paramètres de l’imprimante, du point de vue du concepteur, la taille de construction et la hauteur de couche sont très importantes.

Le gauchissement est un défaut courant du FDM. Lorsque le matériau extrudé refroidit pendant la solidification, ses dimensions diminuent mais là encore, l’opérateur peut réduire cette probabilité en choisissant une imprimante 3D avec de grandes surfaces planes ou en choisissant différents matériaux.

De plus, si le remplissage et l’épaisseur de la coquille affectent la résistance d’un composant, le matériau utilisé, par contre, peut affecter les propriétés mécaniques et la précision de la pièce imprimée. Et le fait est qu’il existe une large gamme de matériaux disponibles pour le FDM. Ils vont des thermoplastiques de base (comme le PLA et l’ABS) aux matériaux techniques (comme le PA, le TPU et le PETG) et aux thermoplastiques haute performance (comme le PEEK et le PEI).

Enfin, il existe toute une gamme de techniques de post-traitement. Certains d’entre eux comprennent le ponçage et le polissage, l’apprêt et la peinture, le soudage à froid, le lissage à la vapeur, le revêtement époxy et le placage de métal.

En un mot, rien n’est ni tout noir ni tout blanc lorsqu’il s’agit de l’impression 3D. Chaque caractéristique joue un rôle clé dans l’expérience de l’utilisateur et déterminera s’il renouvellera son expérience avec l’imprimante 3D. Malheureusement, le problème rencontré lors de l’utilisation d’une imprimante 3D spécifique n’est pas nécessairement le même avec la technologie FDM d’un autre fabricant.

C’est certainement la raison pour laquelle Dave Veisz met l’accent sur le rendu de la partie imprimée en 3D :

« Les caractéristiques idéales des imprimantes FDM sont l’incorporation de commandes et de fonctions qui permettent à l’utilisateur d’imprimer de façon précise, répétée et fiable.  Vous devez pouvoir être sûr que la pièce imprimée en 3D est une représentation exacte du dessin et que la pièce aura les mêmes propriétés chaque fois qu’elle est imprimée.  Dans la fabrication, la variabilité est l’ennemi, donc vous voulez une imprimante qui a des baies de matériel fermées et scellées pour garder le matériel au sec et une chambre fermée et à température contrôlée pour assurer une qualité constante de l’impression quel que soit l’environnement.  Les capacités matérielles par plate-forme d’imprimante varient, ce sera donc à prendre en considération. 

L’autre considération est de savoir si du matériel d’appui est nécessaire et le type d’appui (détachement par rapport à l’appui soluble).   Avec un support soluble, il est possible d’imprimer une géométrie avec des vides et de petites inclusions de support alors que certaines géométries ne sont pas capables d’un support à rupture.  Il existe une grande variété d’options de coût et les allégations des fabricants peuvent prêter à confusion.  Il y a une différence entre être capable d’imprimer un matériau et être capable d’imprimer un matériau de façon précise et répétée.  La précision et la reproductibilité exigent vraiment l’ensemble des caractéristiques “industrielles” en ce qui concerne les environnements d’impression et de matériel contrôlés et le support soluble afin de réduire la variabilité du processus et de permettre la liberté géométrique. »