Quelles sont les principales considérations de conception et d’ingénierie dans le prototypage rapide ?

Le prototypage rapide est une partie importante du processus de développement de produits modernes. En créant rapidement des prototypes de produits, les entreprises peuvent vérifier la conception, la fonctionnalité et l’expérience utilisateur à un stade précoce, réduisant ainsi les risques de développement et améliorant la qualité des produits. Cependant, la réussite d’un prototypage rapide n’est pas une tâche facile et nécessite la prise en compte de plusieurs facteurs clés de conception et d’ingénierie. Cet article explorera ces facteurs clés et expliquera pourquoi ils sont importants.

Qu’est-ce que le prototypage rapide ?

Le prototypage rapide, en bref, fait référence à l’utilisation d’une technologie de fabrication avancéeou concevoir un logiciel aux premières étapes du développement du produit afin de produire un modèle préliminaire ou un prototype rapide du produit à moindre coût et dans un délai plus court. Ces prototypes rapides peuvent être fonctionnels, cosmétiques ou même une combinaison des deux et sont utilisés pour tester, valider des concepts de design, évaluer l’expérience utilisateur, présenter aux investisseurs ou faire du marketing.

Le principe est de réviser et d’améliorer continuellement la conception des produits grâce au cycle « build-test-learn-feedback ». Par rapport au processus traditionnel de développement de produits, le prototypage rapide se concentre davantage sur la vitesse et la flexibilité, ce qui permet aux concepteurs et aux ingénieurs de découvrir et de résoudre les problèmes dès le début du développement du produit et d’éviter les modifications coûteuses et chronophages par la suite.

Comment fonctionne le prototypage rapide ?

Création du design :Utilisez un logiciel de CAO pour créer des modèles numériques 3D d’objets. Cette étape est cruciale pour jeter les bases du prototype.
Préparation des données :Le modèle CAO est traité et converti dans un format adapté à la technologie de prototypage rapide choisie, généralement un fichier STL.
Configuration de la machine :Préparation, étalonnage et chargement d’une machine de prototypage rapide avec le matériau approprié, qu’il s’agisse de plastique, de résine ou de poudre métallique.
Construction du prototype :La machine construit le prototype couche par couche selon les spécifications du modèle CAO.
Post-traitement :Après le processus de construction, les prototypes nécessitent souvent un post-traitement pour obtenir la finition de surface ou les propriétés mécaniques souhaitées. Il peut s’agir d’un ponçage, d’une peinture ou d’un assemblage.

Quels sont les principaux éléments à prendre en compte dans le prototypage rapide ?

1. Sélection des matériaux

Plastique:Le plastique devient le matériau de prédilection pour le prototypage rapideen raison de ses excellentes capacités de façonnage, de sa faible surcharge et de sa facilité de manipulation. Ils peuvent imiter les caractéristiques visuelles et tactiles finales du produit et conviennent à la plupart des scénarios d’application. Lors de la sélection d’une matière plastique, examinez attentivement ses propriétés en termes de résistance, de ténacité, de résistance à la chaleur et de résistance aux attaques chimiques.
Métal : En raison de sa résistance élevée à la compression, de sa forte rigidité et de son excellente conductivité électrique, ces caractéristiques en font un matériau prototype adapté aux capacités de charge élevées ou à une utilisation dans des environnements extrêmes. Cependant, le coût de la fabrication du métal est relativement élevé et le processus de fabrication est relativement difficile. Lors de la sélection des matériaux métalliques, la densité, la dureté, la résistance à la corrosion et la soudabilité doivent être soigneusement pesées.
Matériaux composites : Ces matériaux composites sont composés de deux ou plusieurs substances ayant des propriétés différentes et combinent les avantages de chacun de ces trois types de matériaux. Ils présentent des propriétés mécaniques élevées, un poids léger et une excellente résistance à la corrosion, et sont particulièrement adaptés aux applications avec des exigences de performance élevées. Cependant, les matériaux composites sont généralement plus chers et leurs processus de production sont relativement complexes.

2. Complexité du modèle de prototype

La complexité du modèle prototype doit être déterminée en fonction des exigences. Plus la complexité est élevée, plus le temps et le coût de traitement requis sont élevés.

Prototype simple :Idéal pour la vérification initiale des concepts de design et des fonctionnalités. Des prototypes simples peuvent être réalisés rapidement, à faible coût, et sont faciles à modifier et à itérer.
Prototypes complexes :Pour les applications qui nécessitent une vérification détaillée des détails de conception et des performances. Les prototypes complexes nécessitent une plus grande précision d’usinage et des temps de production plus longs, mais peuvent fournir des informations plus détaillées sur la conception.

3. Exactitude et précision

Garantir la précision des pièces rapides pour répondre aux besoins des applications réelles est un objectif important du prototypage rapide. Pour y parvenir, les mesures suivantes doivent être prises :

Choisissez un équipement de haute précision :Choisissez des équipements de prototypage rapide avec une précision et une stabilité élevées, tels que la stéréolithographie (SLA), le frittage laser sélectif (SLS), etc. Ces machines peuvent fournir une grande précision d’usinage et une qualité de surface.
Optimiser les paramètres de traitement :Optimisez les paramètres de traitement tels que la puissance laser, la vitesse de balayage, l’épaisseur de la couche, etc., en fonction des caractéristiques du matériau et de l’équipement sélectionnés. L’optimisation de ces paramètres permet d’améliorer la précision et la qualité de surface du prototype.
Post-traitement :Grâce au post-traitement, tel que le ponçage, le sablage, la peinture, etc., la précision et la qualité de surface du prototype peuvent être encore améliorées. Ces traitements éliminent les défauts tels que les bavures, les taches et les irrégularités de la surface du prototype, ce qui le rapproche de l’aspect et de la sensation du produit final.

4. Traitement de surface

Le choix de la bonne finition peut simuler l’aspect et la convivialité du produit final, augmentant ainsi le réalisme et la facilité d’utilisation du prototype. Voici quelques méthodes de traitement de surface courantes :

Peinture:La peinture est un traitement de surface courant qui peut fournir une couleur riche et un effet brillant. Lors du choix d’une peinture, vous devez tenir compte de facteurs tels que son adhérence, sa résistance à l’abrasion et sa résistance à la corrosion.
Placage:Le placage peut former une fine pellicule de métal à la surface du prototype, améliorant ainsi sa dureté de surface et sa résistance à la corrosion. Le placage peut simuler l’aspect et le toucher du métal et convient aux applications qui nécessitent une amélioration des performances de surface des prototypes.
Sablage:Le sablage peut éliminer les bavures et les taches de la surface d’un prototype en sablant des particules abrasives tout en augmentant sa rugosité et sa texture. Le sablage peut simuler l’effet de surface de matériaux tels que le métal ou le plastique, augmentant ainsi le réalisme des prototypes.

Quels facteurs d’ingénierie doivent être pris en compte dans le prototypage rapide ?

1. Évolutivité
L’évolutivité signifie que les prototypes rapides peuvent être facilement ajustés en proportion et en taille au cours du processus de conception et de fabrication pour s’adapter aux besoins de conception de différentes tailles. Lors de la planification de l’évolutivité de votre prototype, il y a quelques points à prendre en compte :

Conception modulaire :Adoptez des idées de conception modulaire et divisez le prototype en plusieurs modules indépendants. De cette façon, lorsque vous devez ajuster la taille du prototype, il vous suffit de remplacer, d’ajouter ou de supprimer les modules correspondants.
Détartrage:Au cours de la phase de conception du prototype, l’impact des différentes tailles sur les performances du prototype doit être pleinement pris en compte. Grâce à la mise à l’échelle, vous pouvez tester les effets de conception à différentes tailles pour sélectionner la solution de conception optimale.
Compatibilité de l’interface :Assurez-vous que les interfaces entre les différents modules sont compatibles afin qu’ils puissent s’assembler et s’adapter sans problème lors du redimensionnement du prototype.

2. Intégrité structurelle

L’intégrité structurelle fait référence à la capacité d’un prototype rapide à maintenir son intégrité structurelle et fonctionnelle lorsqu’il est soumis à des contraintes mécaniques ou environnementales. Pour garantir l’intégrité structurelle, les points suivants doivent être pris en compte :

Sélection des matériaux :Sélectionnez les matériaux appropriés en fonction de l’environnement d’utilisation et des conditions de contrainte du prototype. Par exemple, pour les prototypes qui doivent résister à des charges plus importantes, des matériaux à haute résistance et ténacité doivent être sélectionnés.
Conception structurelle :Concevez raisonnablement la structure du prototype pour éviter les concentrations de contraintes et les maillons faibles. En optimisant la structure, la capacité de charge et la stabilité du prototype peuvent être améliorées.
Processus de fabrication :Choisissez un procédé de fabrication approprié pour vous assurer que le prototype n’est pas endommagé pendant le processus de fabrication. Par exemple, l’utilisation de la technologie d’usinage de précision peut réduire les erreurs d’usinage et les défauts de surface.

3. Vitesse et coût de prototypage

Dans le processus de prototypage rapide, la vitesse de production et le coût sont deux considérations importantes. Afin d’optimiser le processus de développement, les points suivants doivent être pris en compte :

Sélection de la technologie :Sélectionnez la technologie de prototypage rapide appropriée en fonction des besoins et du budget du projet. Par exemple, pour les prototypes qui nécessitent une haute précision et des structures complexes, des technologies telles que la stéréolithographie (SLA) ou le frittage sélectif par laser (SLS) peuvent être choisies.
Contrôle des coûts :Lors du processus de prototypage, les coûts doivent être strictement maîtrisés. En optimisant la conception et en choisissant les bons matériaux et procédés de fabrication, le coût du prototype peut être réduit.
Vitesse de production :Dans le but d’assurer la qualité du prototype, augmentez autant que possible la vitesse de production. En adoptant des techniques de fabrication efficaces et en optimisant les processus de production, le cycle de production des prototypes peut être raccourci.

4. Flexibilité d’itération

La flexibilité itérative signifie que les prototypes rapides peuvent être facilement ajustés et itérés au cours du processus de conception pour s’adapter aux changements de conception fréquents. Pour garantir la flexibilité de l’itération, tenez compte des points suivants :

Modularisation de la conception :Divisez la conception du prototype en plusieurs modules indépendants afin qu’ils puissent être facilement remplacés ou modifiés au cours du processus d’itération.
Conception paramétrique :Utilisez la méthode de conception paramétrique pour modifier la forme et la taille du prototype en ajustant les paramètres. Cela augmente la flexibilité de conception et la réutilisabilité.
Contrôle de version :Au cours du processus de prototypage, établissez un mécanisme de contrôle de version. Les modifications de conception peuvent être facilement suivies et gérées en enregistrant les modifications et les différences pour chaque itération.

Quels sont les types de prototypage rapide ?

1. SLA

Le SLA est un procédé d’impression 3D industrielle, ou fabrication additive, qui permet de construire des pièces dans un pool de résine photopolymère durcissable aux UV à l’aide d’un laser contrôlé par ordinateur. Le laser est utilisé pour tracer et polymériser une section transversale de la conception de la pièce à la surface de la résine liquide. La couche solidifiée est ensuite abaissée juste en dessous de la surface de la résine liquide et le processus est répété. Chaque couche nouvellement durcie adhère à la couche inférieure. Ce processus se poursuit jusqu’à ce que la pièce soit terminée.

Avantages

Contre

Pour les modèles conceptuels, les prototypes cosmétiques et les conceptions complexes, SLA peut produire des pièces avec des géométries complexes et d’excellentes finitions de surface par rapport à d’autres procédés additifs. Le coût est compétitif et la technologie est disponible auprès de plusieurs sources.

Les pièces prototypées peuvent ne pas être aussi solides que celles fabriquées à partir de résines de qualité technique, de sorte que les pièces fabriquées à l’aide de SLA ont une utilisation limitée pour les tests fonctionnels. De plus, alors que les pièces subissent un cycle UV pour solidifier la surface extérieure de la pièce, les pièces construites en SLA doivent être utilisées avec une exposition minimale aux UV et à l’humidité afin de ne pas se dégrader.

2. Le SLS

Le SLS est l’un des cinq procédés additifs disponibles chez Protolabs. Au cours du processus SLS, un CO contrôlé par ordinateur₂Le laser aspire sur un lit chaud de poudre à base de nylon de bas en haut, où il fritte légèrement (fusionne) la poudre en un solide. Après chaque couche, un rouleau dépose une nouvelle couche de poudre sur le lit et le processus se répète. Le SLS utilise des poudres de nylon rigide ou d’élastomère TPU similaires aux thermoplastiques techniques réels, de sorte que les pièces présentent une plus grande ténacité et sont précises, mais ont une surface rugueuse et manquent de détails fins. SLS offre un grand volume de construction, peut produire des pièces avec des géométries très complexes et créer des prototypes durables.

Avantages	Contre
Les pièces SLS ont tendance à être plus précises et plus durables que les pièces SLA. Le processus permet de fabriquer des pièces durables avec des géométries complexes et convient à certains tests fonctionnels.	Les pièces ont une texture granuleuse ou sablonneuse et le processus a un choix limité de résine.

3. Le FDM

Le FDM utilise une méthode d’extrusion qui fait fondre et resolidifier la résine thermoplastique (ABS, polycarbonate ou mélange ABS/polycarbonate) en couches pour former un prototype fini. Parce qu’il utilise de vraies résines thermoplastiques, il est plus résistant que le jet de liant et peut être d’une utilité limitée pour les tests fonctionnels.

Avantages	Contre
Les pièces FDM sont à un prix modéré, relativement solides et peuvent être bonnes pour certains tests fonctionnels. Le processus permet de fabriquer des pièces aux géométries complexes.	Les pièces ont une mauvaise finition de surface, avec un effet d’ondulation prononcé. Il s’agit également d’un processus additif plus lent que le SLA ou le SLS et sa pertinence est limitée pour les tests fonctionnels.

4. Usinage CNC

Dans l’usinage, un bloc solide (ou tige de tige) de plastique ou de métal est fixé dans une fraiseuse CNC ou un tour et découpé dans une pièce finie par un processus soustractif. Cette méthode produit généralement une résistance et une finition de surface supérieures à tout processus de fabrication additive. Il possède également les propriétés complètes et homogènes du plastique, car il est fabriqué à partir de blocs solides de résine thermoplastique extrudée ou moulée par compression, par opposition à la plupart des procédés additifs, qui utilisent des matériaux similaires au plastique et sont construits en couches. La gamme de choix de matériaux permet de fabriquer des pièces avec les propriétés de matériau souhaitées, telles que : la résistance à la traction, la résistance aux chocs, les températures de déflexion thermique, la résistance chimique et la biocompatibilité. De bonnes tolérances permettent d’obtenir des pièces adaptées aux essais d’ajustement et fonctionnels, aux gabarits et aux montages, ainsi qu’aux composants fonctionnels pour les applications d’utilisation finale. Un certain nombre de fabricants, dont Protolabs, utilisent des processus de fraisage 3 axes et de fraisage indexé 5 axes, ainsi que le tournage, pour fabriquer des pièces dans une gamme de plastiques et de métaux de qualité technique.

Avantages	Contre
Les pièces usinées ont de bonnes finitions de surface et sont assez solides car elles utilisent des thermoplastiques et des métaux de qualité technique. Comme l’impression 3D, les prototypes personnalisés peuvent être livrés en aussi peu qu’une journée chez certains fournisseurs.	Il peut y avoir des limitations géométriques associées à l’usinage CNC, et il est parfois plus coûteux de le faire en interne que les processus d’impression 3D. Étant donné que le processus consiste à enlever de la matière au lieu de l’ajouter, le fraisage des contre-dépouilles peut parfois être difficile.

5. Moulage par injection

Le moulage par injection rapide fonctionne en injectant des résines thermoplastiques dans un moule, tout comme dans le moulage par injection de production. Ce qui rend le processus « rapide », c’est la technologie utilisée pour produire le moule, qui est souvent fabriqué à partir d’aluminium au lieu de l’acier traditionnel utilisé dans les moules de production. Les pièces moulées sont solides et ont d’excellentes finitions. Il s’agit également du processus de production standard de l’industrie pour les pièces en plastique, de sorte qu’il y a des avantages inhérents au prototypage dans le même processus si la situation le permet. Presque tous les plastiques ou caoutchoucs de silicone liquide (LSR) de qualité technique peuvent être utilisés, de sorte que le concepteur n’est pas limité par les limites matérielles du processus de prototypage.

Avantages	Contre
Les pièces moulées sont fabriquées à partir d’une gamme de matériaux de qualité technique, ont une excellente finition de surface et sont un excellent prédicteur de la fabricabilité pendant la phase de production.	Il y a un coût initial d’outillage associé au moulage par injection rapide qui ne se produit avec aucun des processus additifs ou avec l’usinage CNC. Donc, dans la plupart des cas, il est logique de faire un ou deux tours dePrototypes rapidespour vérifier l’ajustement et le fonctionnement avant de passer au moulage par injection.

6. Fabrication de tôles

La fabrication rapide de tôles est une technologie de traitement efficace et de haute précision des tôles. Grâce au contrôle par ordinateur, les tôles sont coupées, pliées et soudées selon les exigences de conception pour produire rapidement les pièces requises. Cette technologie combine des équipements CNC avancés, la découpe laser, l’emboutissage et d’autres méthodes de traitement pour compléter la production de pièces en tôle aux formes complexes et aux exigences de haute précision en peu de temps.

Avantages	Contre
La technologie de fabrication rapide de tôles présente les caractéristiques d’un rendement élevé, d’une haute précision, d’une flexibilité, d’un faible coût et d’une protection de l’environnement.	Coûts d’équipement élevés, exigences techniques élevées, taux de rebut élevés et coûts de personnalisation élevés, etc.

Comment choisir la bonne technologie de prototypage rapide pour votre projet ?

1. Clarifier les exigences du projet :Clarifier l’objectif du prototypage, comme la validation des concepts de produits, la démonstration des caractéristiques du produit, le test de l’expérience utilisateur ou d’autres fins ; Comprendre qui sont vos utilisateurs cibles, quels sont leurs besoins, leurs préférences et leurs cas d’utilisation ; Déterminer le niveau de détail et d’interactivité du prototype en fonction des besoins du projet. Par exemple, qu’il s’agisse de réaliser un simple prototype d’esquisse ou un prototype interactif haute fidélité.
2. Évaluez les capacités techniques de l’équipe :Tenir compte des compétences et de l’expérience des membres de l’équipe, et choisir des techniques de prototypage qu’ils connaissent bien ou qu’ils peuvent maîtriser rapidement ; Si l’équipe a besoin d’apprendre une nouvelle technologie ou un nouvel outil, évaluez le temps et le coût de la formation.
3. Tenez compte des contraintes de budget et de temps :Choisissez une technologie de prototypage rentable en fonction de votre budget, tenez compte de la vitesse et du cycle d’itération du prototypage, et assurez-vous que le prototypage et les tests sont terminés dans un délai limité.
4. Comprendre les techniques de prototypage :Les techniques de prototypage comprennent les croquis, les prototypes en papier, les wireframes, les prototypes interactifs et d’autres types. Comprendre les caractéristiques et le champ d’application de chaque technologie ; Choisissez le bon outil en fonction du type de technologie. Par exemple, pour les croquis, un stylo et du papier ou un logiciel de dessin peuvent être utilisés ; Pour les prototypes interactifs, des outils de prototypage tels que Axure, Mockplus et InVision peuvent être choisis. Reportez-vous aux avis et aux commentaires des autres équipes et utilisateurs et choisissez les outils et techniques de prototypage les mieux notés du marché.
5. Choisissez la bonne technologie :Avant de faire un choix formel, vous pouvez essayer une variété de technologies pour comprendre et comparer leurs avantages, leurs inconvénients et leurs applications. Flexibilité pour ajuster les techniques de prototypage en fonction de l’avancement du projet et des commentaires de l’équipe.
6. Mise en œuvre et itération :Élaborer un plan de prototypage détaillé selon la technologie sélectionnée afin d’assurer une communication et une collaboration efficaces entre les membres de l’équipe ; Sur la base des commentaires des utilisateurs et des résultats des tests, les prototypes sont continuellement itérés et optimisés.

Avantage	Description
Raccourcir le cycle de développement	Les idées de conception peuvent être rapidement transformées en prototypes avec certaines fonctions ou pièces fabriquées directement, ce qui accélère le processus de développement du produit.
Réduire les coûts de production	En réduisant le nombre de productions d’essai et en évitant les risques liés à la production de masse, les coûts de production sont effectivement réduits.
Haut degré d’intégration technologique	Il intègre diverses technologies telles que l’ingénierie mécanique, la CAO, la technologie de rétro-ingénierie, la technologie de fabrication en couches, la technologie CNC, la science des matériaux, la technologie laser, etc.
Large choix de matériaux	Peut être fabriqué à l’aide d’une variété de matériaux métalliques et non métalliques, notamment des plastiques, des métaux, des céramiques, etc.
Facile à modifier et à optimiser	Grâce au processus de conception et de fabrication numérique, les conceptions de produits peuvent être facilement modifiées et optimisées.
Haut degré de personnalisation	Capable d’effectuer une production sur mesure en fonction des besoins spécifiques des clients pour répondre aux demandes diversifiées du marché.

Longsheng