En un coup d’œil :

• High tech ou low tech, le prototypage se décline sous de nombreuses formes. Le processus est généralement itératif, non linéaire et automatisé.
• Protolabs automatise le processus de production de fabrication additive grâce à une plate-forme de commerce électronique intégrée au cycle de vie.
• Ford a rejoint ses rivaux GM et Fiat Chrysler en utilisant leur puissance de fabrication pour fabriquer des prototypes rapides d’équipements de protection individuelle pendant l’épidémie de COVID-19.
• Conception de pipeline &L’ingénierie privilégie un style de prototypage non linéaire qui met l’accent sur la construction d’une liste bien définie d’exigences fonctionnelles pour les machines de dispositifs médicaux en cours de développement.

Thomas Edison n’a pas inventé l’ampoule, mais son travail de prototypage du premier système d’éclairage à incandescence est un exemple classique d’essais et d’erreurs.

L’inventeur prolifique a envoyé des gens aux confins de l’Afrique et du Japon à la recherche de matériaux de filament satisfaisants, et il faudrait plus de 1 200 expériences, 6 000 spécimens de plantes et 40 000 dollars pour dévoiler la prisée ampoule électrique à incandescence. Ce prototype (brevet américain 223 898), avec son filament de fil à coudre carbonisé, a brûlé pendant 13,5 heures et illuminé tout son laboratoire de recherche industrielle de Menlo Park.

D’une part, les inventions d’Edison – il a reçu un total de 1 093 brevets — sont l’approbation consommée pour itérer rapidement pour bien faire les choses. D’autre part, peu d’entreprises manufacturières ont le luxe de commettre d’innombrables erreurs sur le marché extrêmement concurrentiel, plus rapide, meilleur et moins cher d’aujourd’hui.

La première ampoule de Thomas Edison exposée à Menlo Park.Wikimedia Commons

En 2020, par exemple, IBM s’est classé numéro 1 avec 9 130 brevets parmi les entreprises qui leur ont attribué le plus de brevets, devançant Samsung Electronics, Canon et Microsoft. Il n’y avait aucune garantie que chacune de ces idées et solutions conceptuelles brevetées serait intégrée dans un produit final, mais les ingénieurs de conception sont susceptibles d’évaluer chaque concept pour s’assurer que seuls les plus prometteurs sont sélectionnés pour la conception et le prototypage pour la fabricabilité.

Accélérer le processus

Qu’ils soient de haute technologie ou de basse technologie, les processus de prototypage se présentent sous de nombreuses formes, mais impliquent généralement le développement d’une version initiale d’un produit dans le but d’évaluer la conception, de résoudre les problèmes de conception et de repérer les domaines d’amélioration avant que le produit n’arrive au stade de développement. L’un des avantages de voir une version physique est qu’elle permet aux concepteurs d’augmenter les technologies existantes et facilite les technologies de nouvelle génération.

Le prototypage rapide, par extension, englobe un ensemble de technologies qui permettent de créer rapidement et avec précision des modèles à l’échelle tridimensionnelle tangibles à l’aide de données de conception et de fabrication assistées par ordinateur (CAO/FAO). Les technologies de CAO, associées aux capacités logicielles et matérielles de fabrication additive (AM), ont considérablement accéléré les processus de prototypage. Invariablement, le prototypage rapide est associé à la MA, mais les grands fournisseurs d’impression 3D personnalisée réingénient de plus en plus leurs approches de prototypage en étendant leurs services au moulage par injection, à la fabrication de tôles et à l’usinage CNC.

Une disposition d’éjecteur proposée est présentée dans la plate-forme de commerce électronique de Protolabs.Protolabs

Relever le défi de la production de l’impression 3D, Protolabs, une plaine d’érable, Minn.Le fabricant basé sur des prototypes personnalisés et des pièces de production à la demande a lancé en février une plate-forme de commerce électronique censée restructurer le cycle de vie du produit en accélérant les devis en ligne, l’analyse de la conception et les commandes. ”La plate—forme vise à aider à transformer les idées de l’ingénieur de conception — du moment où il a une idée à les faire itérer, prototyper, traverser cette aventure – jusqu’au marché final », a déclaré Mark Flannery, directeur mondial des produits, commerce électronique, chez Protolabs. « La vraie valeur est de faire savoir (aux clients) exactement ce qu’ils vont recevoir virtuellement avant de l’obtenir physiquement, car cela réduit le cycle de vie. »

L’une des façons dont Protolabs répond à l’évolution des besoins est l’ajout d’une fonctionnalité « analyse de la fabrication” sur sa plate-forme de commerce électronique. Le système peut effectuer une analyse approfondie d’un modèle tridimensionnel et fournir une rétroaction sur la géométrie d’un fichier CAO, notamment en mettant en évidence les zones qui pourraient s’avérer gênantes et en recommandant des modifications pour améliorer la fabricabilité. « Nous présentons toutes ces informations aux ingénieurs, afin qu’ils puissent décider s’ils doivent apporter des améliorations avant que la pièce ou le composant ne soit réellement fabriqué”, a déclaré Flannery.

La plateforme e-commerce de Protolabs effectue des analyses de fabrication.Protolabs

Mélangez les offres

Nulle part le besoin de prototypage rapide n’était plus pertinent que lorsque les équipements de protection individuelle tels que les masques N95 étaient rares au début de l’épidémie de coronavirus l’année dernière.

Will Martin, directeur du marketing et de la communication chez Protolabs, raconte fièrement l’histoire du respirateur B2. Nommé parmi les meilleures inventions du Time en 2020, le B2 était une refonte d’un prototype que l’ingénieur en conception mécanique Max Bock-Aronson a évoqué en 2013 pour lutter contre la pollution de l’air, a déclaré Martin. Protolabs a soutenu la start-up de Bock-Aronson, Breathe99, en développant les coupelles filtrantes, le substrat de la plaque avant et le capuchon du filtre du respirateur lavable en machine qui éliminent 99% des contaminants.

La GT500 est présentée comme la Mustang la plus aérodynamiquement avancée de tous les temps.Ford Motor Company

Faites tourner les roues

De même, l’utilisation de méthodes rapides pour accélérer le développement de produits et fournir des commentaires techniques s’est avérée essentielle pour l’industrie automobile. Ford Motor Company s’est jointe aux autres constructeurs automobiles GM et Fiat Chrysler pour utiliser ses capacités d’impression et de fabrication 3D pour fabriquer des prototypes rapides, fabriquer des écrans faciaux et augmenter la production de dispositifs médicaux tels que des respirateurs et des ventilateurs purificateurs d’air. Ford a collaboré avec GE Healthcare pour tirer parti de la conception du ventilateur approuvé par la FDA d’Airon Corp. et produire 50 000 unités en 100 jours dans son usine du Michigan.

Cette prouesse de fabrication est en grande partie due à la capacité de prototypage rapide et à des décennies d’expérience avec l’impression 3D, a noté Ellen Lee, responsable technique de la recherche sur la fabrication additive à la Ford Motor Company. « Bien que la pandémie ait certainement changé notre façon de collaborer et de réseauter, le fait d’avoir ces plates-formes virtuelles nous a vraiment aidés à continuer à innover ensemble”, a déclaré Lee.

Son travail se concentre sur les nombreuses façons dont la fabrication additive peut créer de nouvelles sources de valeur dans l’entreprise, ainsi que sur le développement de technologies émergentes qui comblent les lacunes dans la réalisation de la production à grande échelle.

Ellen Lee, responsable technique – Recherche sur la fabrication additive, Ford Motor Company

Gardez à l’esprit que les supercalculateurs et les capacités d’impression 3D de pointe de Ford éclipsent les normes de production courantes. La production à faible volume dans l’industrie automobile pourrait signifier n’importe quoi, de la taille d’un lot à des dizaines de milliers d’unités, et cela explique pourquoi les concepteurs de la division haute performance du constructeur automobile, les ingénieurs du groupe motopropulseur et de l’aérodynamique pourraient compter sur des outils de prototypage AM de pointe pour lancer la Mustang Shelby GT500 aux performances ultimes en 2020.

Pour une exécution de ce calibre, chaque millimètre devrait compter pour atteindre les cibles d’appui, de freinage et de refroidissement. Le temps de développement a été accéléré et les dessins les plus prometteurs ont été imprimés en quelques jours. Des améliorations aérodynamiques ont été apportées, et pour augmenter la fidélité des performances, les simulations ont dû fonctionner en parallèle avec des validations physiques dans les souffleries de Ford au Michigan et la soufflerie à roulement Windshear à Concord, a déclaré Lee.

« Fournir plus de 700 chevaux à l’aide d’un carburant à indice d’octane 93, maximiser le refroidissement à l’avant est essentiel aux performances de piste vigoureuses de la Shelby GT500”, a déclaré la note de presse de Ford à l’époque. « À gaz à grande ouverture, le système de refroidissement doit extraire jusqu’à 230 kilowatts d’énergie thermique, ce qui suffit à chauffer une douzaine de maisons. Les freins avant massifs rejettent encore 100 kilowatts de chaleur au freinage maximal, de sorte que l’équipe a utilisé une modélisation avancée du flux d’air en 3D pour maximiser le refroidissement global tout en travaillant pour minimiser l’impact sur la portance et la traînée avant. »

Démasquant l’avant de la Mustang Shelby GT500.Ford Motor Company

Au moment du lancement, Ford pouvait se vanter que l’équipe de conception avait triomphé en atteignant une force d’appui arrière maximale de 550 lb à 180 mi / h, tirant parti de l’aile arrière de la Mustang GT4 éprouvée en course pour offrir la plus grande force d’appui jamais sur une Mustang légale. En ce qui concerne la conception de l’aileron arrière de la supercar, surnommée « the swing”, des simulations avancées et des processus de prototypage ont permis au véhicule de fournir une force d’appui arrière de 379 lb à 180 mi / h.

Comme le système de freinage du véhicule Shelby performance est distinct du modèle de base, une nouvelle conception de cette pièce particulière était nécessaire. Lee a déclaré que Ford était capable de passer d’une pièce en métal à une pièce en plastique avec une réduction de poids de plus de 60% et de réduire la complexité de la conception du modèle original, qui consistait en un support pour gaucher et un support pour droitier.

Contrairement aux processus d’outillage traditionnels, les outils de conception AM permettaient aux ingénieurs de consolider la pièce de trois pièces en une pièce « ambidextre”, qui pouvait être utilisée du côté conducteur ou passager du véhicule et réduisait la complexité et l’assemblage. ”Nous avons réalisé d’importantes économies par rapport à l’outillage de cette pièce », a déclaré Lee.

Support de frein de stationnement électrique du véhicule Shelby performance.Ford Motor Company

Le puttage dans le bac à sable

Les constructeurs automobiles ont découvert très tôt que la MA pouvait changer la façon dont ils abordaient la conception et les processus des produits. L’histoire de Ford avec l’impression 3D remonte à 1986, lorsque le constructeur automobile a investi dans la stéréolithographie après l’achat de sa première imprimante 3D SLA. Le nouveau procédé créerait une variété de pièces, préparant le terrain pour d’autres investissements AM dans la modélisation par dépôt fondu, le frittage laser sélectif et l’impression 3D sur sable.

« En 2004, l’introduction de l’impression au sable ou du moulage au sable rapide a entraîné un changement important dans le prototypage des moteurs, ce qui a encore réduit notre temps de conception pour les nouvelles conceptions de moteurs”, a déclaré Lee. La valeur n’était pas nécessairement dans la capacité de couler des pièces métalliques pour une utilisation finale, mais pour le prototypage d’une nouvelle conception de moteur, car cela permettait à Ford d’utiliser le même matériau pour couler l’aluminium, ou quel que soit le matériau utilisé pour le moteur de production, sans outil, a déclaré Lee.

En 2014, le constructeur automobile a testé les performances des articles imprimés AM pour voir ce que le processus peut fournir pour un outil prêt à imprimer. Ce domaine de recherche dédié aux outils de prototypage est relativement moins coûteux et plus rapide à produire, a déclaré Lee. La possibilité d’imprimer directement augmente également. « Au fur et à mesure que nous développons de nouveaux matériaux qui se comportent davantage comme des matériaux de qualité de production et les performances de ces pièces imprimées, nous pouvons étendre les tests fonctionnels des prototypes tout au long du processus”, a déclaré Lee.

Les procédés AM ont le potentiel d’éclipser les méthodes traditionnelles de fabrication d’un prototype d’outil — le découper dans un matériau moins coûteux que l’acier, comme l’aluminium, et mouler les pièces pour les tests de prototype avant qu’un outil dur final puisse être coupé pour la production. Les prototypes peuvent désormais être utilisés pour tester presque toutes les parties du véhicule, car ils servent à évaluer l’aspect pratique, la résistance et la popularité des nouveaux modèles.

Alors que les méthodes d’outillage traditionnelles peuvent prendre des mois et générer des coûts exorbitants, le prototypage rapide de pièces imprimées en 3D peut être produit en quelques jours à faible coût. ”L’expansion des capacités des technologies d’impression 3D pourrait potentiellement renoncer à la fabrication d’un outil prototype », a déclaré Lee.

Une grille frontale imprimée en 3D.Ford Motor Company

Conception pour la fabricabilité

Pour Aaron Moncur, PDG de Pipeline Design &Ingénierie, l’une des limites du prototypage rapide est qu’il ne s’agit pas nécessairement de la meilleure méthode pour valider une nouvelle solution. Mais les vertus du faible coût et de la rapidité peuvent l’emporter sur la coulée ou l’usinage d’outils souples coûteux et gourmands en main-d’œuvre, a-t-il déclaré, en particulier si le prototype est destiné à vérifier une conception et une fonction et lorsqu’il n’est pas destiné à la production.

Avec seulement 10 employés, the Tempe, Arizona.Fondée en 2009, la société Moncur fournit des services de développement de produits, principalement axés sur les équipements d’automatisation et les machines de test pour les entreprises de dispositifs médicaux. « La plupart des travaux que nous avons effectués, en particulier au cours des six dernières années, ont porté sur l’aluminium usiné à la CNC”, a expliqué Moncur. « À peu près tous les équipements que nous développons doivent contenir un appareil. Ce type de travail repose souvent sur des pièces lourdes, grosses et épaisses, par opposition aux produits de consommation, qui comporteraient de manière caractéristique des pièces en plastique moulées par injection à paroi mince.”

Aaron Moncur, PDG, Conception de pipelines&Ingénierie Conception de pipelines &Ingénierie

Le processus de prototypage de Pipelines peut être caractérisé comme une progression qui démarre une fois qu’un client présente une idée. Un mémoire initial peut présenter une liste solide d’exigences ou une idée approximative. De même, un prototype peut aller d’un croquis grossier ou d’une « CAO de dessin animé”, où une forme de bloc pourrait représenter une pièce et une flèche pourrait désigner un simple mouvement, et où du papier cartonné et de la colle chaude pourraient être utilisés pour assembler une maquette pour les tests.

L’équipe de Moncur souligne la nécessité d’élaborer une liste bien définie des exigences fonctionnelles pour une machine en cours de développement. Chaque conception doit être fabriquée de manière répétée et économique pour devenir un produit final. ”C’est notre livre de règles — nous devons savoir à quoi ressemble le succès », a déclaré Moncur, ingénieur en mécanique titulaire d’une maîtrise en bio-ingénierie. « Si nous avons une liste bien définie d’exigences fonctionnelles, nous pouvons revenir sur la liste à la fin du projet et dire: « cette machine répond à toutes les exigences que (le client) nous a données. »

Une fois qu’un concept à un stade précoce est généré et que les commentaires du client ont été incorporés, les travaux de conception et d’ingénierie plus détaillés commencent. « Il s’agit en grande partie d’une opération de CAO, où nous passons des semaines ou des mois à effectuer tous les travaux de conception détaillée”, a déclaré Moncur. Le livrable se présente généralement sous la forme d’une combinaison de pièces usinées et de pièces imprimées

Lorsque le projet entre dans la phase d’approvisionnement, il est décidé soit d’imprimer des pièces en interne, soit de travailler avec des partenaires d’atelier pour CNC divers composants. « Nous recevons tout dans nos installations et effectuons l’assemblage et la validation fonctionnelle pour nous assurer que tout fonctionne correctement, puis nous livrons l’équipement”, a déclaré Moncur.

Dans une application, Pipeline a été chargé de concevoir un ensemble de fixations pour les tests fonctionnels et de caractéristiques effectués sur des cathéters médicaux optiques. Moncur a expliqué que les supports sont conçus pour positionner l’appareil à un emplacement très précis par rapport aux autres équipements et outils de test qui l’entourent. « Le positionnement mécanique de l’appareil doit être répétable, il y a donc un niveau de précision impliqué”, a expliqué Moncur. « Historiquement, nous les avions fabriqués en aluminium usiné à la CNC, ce qui coûtait généralement de 2 500 à 3 000 $ et prenait deux à trois semaines pour usiner la pièce.

« Nous avons commencé l’impression 3D avec de la fibre de carbone continue, ce qui a rendu les pièces presque aussi solides que l’aluminium”, a-t-il ajouté. « Maintenant, au lieu de trois grands et d’attendre trois semaines pour obtenir l’un de ces supports, nous passons un jour ou deux à les imprimer, et le client peut payer 500 $ au lieu de 2 500 $. Ils sont beaucoup plus rapides, beaucoup moins chers et tout aussi fonctionnels que les versions en aluminium usinées CNC. »

Valider l’Approche

L’approche de prototypage de Pipeline est nettement moins automatisée que la plateforme numérique de Protolabs. Mais il n’en est pas moins robuste; chez Pipeline, disposer d’un prototype viable n’est que la moitié de la bataille et faire traduire les besoins des utilisateurs en exigences mécaniques pour créer les appareils de test et les équipements de qualification nécessaires pour valider les performances des produits est un exercice rigoureux.

Flannery a souligné que le processus automatisé de Protolab a évolué grâce à sa stratégie d’acquisition au cours des 20 dernières années — de l’accent initial sur le moulage par injection et le moulage par injection rapide, en passant par des acquisitions et des services fusionnés de moulage par injection, de fabrication CNC, d’impression 3D et de tôlerie. La plate-forme de devis numérique de Protolab apporte plus de cohérence à tous ces services. Le gain, a déclaré Flannery, est que l’orientation client est passée de décider du processus de fabrication ou du service à utiliser à se concentrer sur le meilleur résultat.

Mark Flannery, directeur produit mondial, ProtolabsProtolabs

« Nos clients ont toujours les besoins d’origine — où un seul ingénieur travaille sur une seule pièce, et ils sont en prototypage et se concentrent sur un seul processus de fabrication”, a déclaré Flannery.  » Mais maintenant, nous avons également des équipes d’ingénieurs qui réalisent de multiples pièces sur plusieurs services, et ils font du prototypage et de la production, ainsi que de la fabrication à la demande. »

Lee de Ford convient que le prototypage rapide doit faire partie de l’ensemble des outils de fabrication. « Je vois beaucoup plus d’intérêt dans l’industrie autour de l’utilisation de la fabrication additive pour diverses applications dans l’industrie automobile”, a-t-elle déclaré.

Lee convient que des obstacles subsistent en matière de fabrication de pièces de qualité de production. La transition vers une production à grand volume se classe en tête d’une liste de restrictions; le prototypage rapide peut être coûteux, les propriétés des matériaux ne peuvent pas toujours être appariées, certaines caractéristiques clés ne peuvent toujours pas être prototypées et le processus nécessite une main-d’œuvre qualifiée. La mise à l’échelle pour imprimer directement des pièces peut nécessiter beaucoup de capital, a-t-elle déclaré. La forme, l’ajustement et la fonction sont souvent sacrifiés dans les processus de fabrication lorsque le rendement élevé est prioritaire.

Avec des approches uniques de production, Ford, Pipeline et Protolabs ont chacun orchestré des styles de prototypage non linéaires. Si l’intention de Ford est de faire progresser les technologies de prototypage AM nécessaires pour renforcer la production, Protolabs et Pipeline sont déterminés à renforcer les relations avec les clients qui favorisent la sélection de prototypes où la fidélité correspond au processus de conception.

Note de la rédaction: Le centre WISE (Women in Science and Engineering) de Machine Design compile notre couverture des problèmes de représentation des sexes affectant le domaine de l’ingénierie, en plus des contributions d’auteures et d’experts en la matière au sein de diverses sous-disciplines. Cliquez ici pour en savoir plus.