Lorsqu'on aborde le rôle de l'impression 3D dans le secteur manufacturier, on évoque souvent la possibilité que la fabrication additive finisse par remplacer les techniques traditionnelles. De fait, de nombreux fabricants de matériel de fabrication additive présentent leurs machines comme des alternatives directes aux machines CNC ou aux systèmes de moulage par injection.
Mais l'impression 3D peut également être utilisée en complément des technologies existantes telles que l'usinage CNC, le moulage par injection, la fabrication de tôles, l'extrusion et le moulage.
En effet, les systèmes de fabrication additive — qu'il s'agisse de technologies métalliques industrielles comme le DMLS ou de technologies plastiques comme le FDM ou le SLS — peuvent être utilisés pour créer des outillages imprimés en 3D pour ces procédés, accélérant et/ou améliorant la production pour obtenir de meilleurs résultats.
Cet article examine comment l'outillage imprimé en 3D façonne l'avenir du prototypage et de la production en petites séries. Il aborde les différents types d'outillage imprimé en 3D, leur utilité et les matériaux disponibles.
Types d'outillage imprimé en 3D
L'outillage est un terme générique désignant divers mécanismes de fixation, de support ou de mise en forme utilisés en fabrication. L'outillage d'une pièce peut comprendre un ou plusieurs composants et est généralement fabriqué dans un matériau robuste comme l'acier à outils.
L'impression 3D permet de fabriquer différents types d'outillage. Cependant, certaines pièces sont plus faciles à réaliser que d'autres, et certaines ne peuvent être fabriquées qu'à l'aide d'équipements de fabrication additive haut de gamme.
1. Moules
Un moule est une sorte de récipient creux que l'on remplit de matériau pour fabriquer des pièces. La fabrication de moules se fait généralement par usinage, mais l'impression 3D, associée à des matériaux résistants à la température, devient une option viable pour certaines pièces.
Les moules imprimés peuvent nécessiter un meulage de surface important ou d'autres traitements de surface avant d'être prêts à l'emploi, mais la rapidité avec laquelle ils peuvent être fabriqués devient un atout considérable pour les entreprises de prototypage.
Selon la société allemande de fabrication additive EOS , « la capacité à produire même les structures les plus complexes avec une qualité élevée et des délais de production courts signifie que l'impression 3D… offre des avantages indéniables pour la fabrication de moules. »
2. Jigs
Un gabarit est un dispositif de maintien de pièce fabriqué sur mesure, utilisé pour améliorer la régularité des pièces lors de leur fabrication. Il sert généralement à guider et à contrôler le mouvement d'un outil de coupe.
Les imprimantes 3D deviennent de plus en plus utiles pour la fabrication d'articles sur mesure tels que des gabarits et des dispositifs de fixation, car le procédé est peu coûteux pour les pièces uniques.
Les fabricants de gabarits et de dispositifs d'impression 3D peuvent également réduire considérablement les délais de livraison, surtout si l'impression est réalisée en interne.
3. Appareils
Un dispositif de fixation est un système de maintien sur mesure utilisé pour fixer une pièce lors de sa fabrication, généralement par usinage. Contrairement aux gabarits, les dispositifs de fixation sont généralement spécifiques aux pièces fabriquées, et non à l'équipement de production.
Les gabarits et les dispositifs de fixation peuvent être imprimés en 3D en métal ou en plastiques techniques comme le TPU ou le nylon renforcé de fibres de carbone.
4. Filières d'extrusion
Les filières sont des plaques d'acier épaisses comportant des ouvertures profilées. Lors de l'extrusion, un matériau est forcé à travers l'ouverture de la filière, créant ainsi une pièce longue dont la section transversale correspond à celle de l'ouverture.
Comme les moules, les matrices sont généralement fabriquées dans des matériaux résistants à la température comme l'acier, qui deviennent plus faciles à imprimer grâce à des procédés comme le DMLS et le SLM.
Avantages de l'outillage imprimé en 3D
Canaux de refroidissement conformes
Dans des procédés comme le moulage par injection, des canaux de refroidissement permettent d'injecter un liquide de refroidissement autour du matériau en fusion afin qu'il refroidisse et durcisse uniformément. Ceci contribue à prévenir les déformations et les gauchissements de la pièce moulée.
Dans les moules classiques, les canaux sont généralement des lignes droites, la fabrication de formes plus complexes étant difficile. L'impression 3D permet en revanche de créer des canaux de refroidissement conformes : des canaux qui épousent les contours de la pièce, assurant ainsi une répartition uniforme du fluide de refroidissement sur toute sa surface.
Selon Desktop Metal , spécialiste de la fabrication additive métallique , « les pièces aux conceptions complexes et aux structures internes — telles que les canaux de refroidissement conformes pour les moules sur mesure — sont parfaitement adaptées à la fabrication additive, où le temps de fabrication et le coût par pièce ne dépendent pas nécessairement de la complexité de la conception. »
Fabrication rapide
L'impression 3D est un procédé rapide, ne nécessitant qu'un temps de préparation minimal. Cela permet une production rapide d'outillage et un remplacement immédiat en cas de casse ou de modification d'un outil.
Bien que l'outillage imprimé en 3D soit encore à ses balbutiements et ne soit pas privilégié par la plupart des fabricants (ou des clients), il devient déjà important pour le prototypage rapide, où les délais de livraison sont prioritaires par rapport à d'autres facteurs.
L'outillage imprimé en 3D aura un impact considérable sur l'avenir du prototypage, tout simplement parce qu'il accélère de manière manifeste les processus de prototypage traditionnels.
Abordable et efficace
L'outillage peut s'avérer très coûteux, surtout si plusieurs composants sont nécessaires ou si la conception est particulièrement complexe. L'impression 3D permet de réduire ces coûts, car une conception complexe et détaillée peut être fabriquée presque aussi rapidement qu'une conception simple.
La fabrication additive est également efficace en termes d'utilisation des matériaux, puisqu'elle n'implique pas l'enlèvement de matière superflue d'une pièce.
Au final, toute solution permettant de réduire considérablement les coûts dès la phase de prototypage jouera un rôle de plus en plus important dans le processus de prototypage.
Le fabricant d'imprimantes 3D Markforged affirme que « les fabricants sont capables d'imprimer en 3D entre 10 et 50 % de leurs outils durables utilisés dans leur processus », ce qui représente « une valeur significative si l'on tient compte du fait que les économies moyennes réalisées grâce à une pièce imprimée en 3D par rapport à une pièce usinée sont de 80 % ».
Peut être utilisé pour différents procédés
L'outillage imprimé en 3D peut être utilisé pour plusieurs procédés de fabrication uniques, notamment :
- Coulée sous pression
- Le moulage par injection
- Extrusion
- Usinage CNC
- Fabrication de tôles
Meilleurs matériaux d'outillage pour la fabrication additive
Acier à outils
L'acier à outils est un acier dur adapté aux applications de fabrication exigeantes. Du fait de sa dureté, son usinage de précision est long et complexe.
Cependant, certaines technologies d'impression 3D métal permettent d'imprimer ce matériau, ouvrant ainsi la voie à la fabrication d'objets tels que des moules d'injection. La société EOS, spécialisée dans la fabrication additive industrielle, produit une gamme de poudres d'acier à outils imprimables en 3D, notamment l'acier maraging et l'acier à outils 1.2709.
Inconel
Des procédés comme la fusion laser directe (DMLS) et la fusion sélective par laser (SLM) permettent d'imprimer des outillages à partir d'alliages de nickel Inconel. Résistant aux hautes températures, l'Inconel convient à diverses applications d'outillage, notamment le moulage et l'extrusion.
Composites
Les matériaux composites tels que le nylon renforcé de fibres de carbone ou le PEEK peuvent remplacer les métaux à haute résistance lors de la fabrication d'outillage imprimé en 3D comme les gabarits et les dispositifs de fixation.
Thermoplastiques techniques
La société d'impression 3D Stratasys recommande de fabriquer certains gabarits et dispositifs de fixation à partir de matériaux FDM haute performance comme le TPU, le nylon renforcé ou l'ASA.
3ERP est une entreprise spécialisée dans le prototypage rapide, forte d'une longue expérience en usinage, fabrication additive et autres domaines. Contactez-nous pour un devis gratuit.
