CONCEPTIONPROTOTYPAGE RAPIDE: L'"IMPRIMANTE" EN 3D DE LA CAOPlusieurs techniques permettent d'obtenir des maquettes et des prototypes de pièces directement à partir des données numériques de la CAO. La stéréolithographie par laser est la plus répandue.

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CONCEPTION

PROTOTYPAGE RAPIDE: L'"IMPRIMANTE" EN 3D DE LA CAO

Plusieurs techniques permettent d'obtenir des maquettes et des prototypes de pièces directement à partir des données numériques de la CAO. La stéréolithographie par laser est la plus répandue.



Pour étudier, modifier, redessiner ou redimensionner des pièces souvent complexes, l'industrie manufacturière fait appel à plusieurs prototypes: "de présentation" (simples outils de bureau d'études), maquettes rigides en plastique (essais mécaniques, tests en soufflerie), prototypes de précision pour la pièce métallique, dite "bonne matière", réalisée en fonderie... Avec près d'un millier d'installations en service dans le monde, le prototypage rapide est devenu un "outil" efficace pour effectuer rapidement des corrections. Les gains sont significatifs: jusqu'à 50 à 80% sur le cycle de conception des pièces. Cette technique complète la CAO, qui fournit déjà à l'ingénieur d'études des représentations tridimensionnelles de pièces, mais qui ne supprime pas le besoin de maquettes réelles. Des maquettes en résine polymérisée... Cinq procédés de prototypage rapide sont opérationnels. Le plus employé (plus des deux tiers des installations) est la stéréolithographie. La maquette est réalisée par photopolymérisation de fines couches de résine empilées les unes sur les autres. La résine est contenue dans un bac, et le balayage en surface d'un faisceau laser ultraviolet recrée la forme des différentes sections de la pièce. Soutenue par une plate-forme mobile, la pièce formée par les couches de résine durcies par photopolymérisation descend lentement dans le bac au fur et à mesure de sa construction. L'opération dure une dizaine d'heures, selon l'épaisseur des couches, de 0,1 à 0,5mm, et la hauteur de la pièce. Il faut aussi prévoir, par programmation en CAO, la création de supports nervurés qui soutiennent les parties de la pièce en porte à faux. Une fois terminée, la maquette est rincée et placée dans un four à ultraviolet pour compléter le durcissement de la résine polymérisée. La stéréolithographie a été développée en 1984 par la société américaine 3DSystems, filiale du groupe chimique Ciba- Geigy, qui a défini un langage appelé STL, devenu une norme de fait adoptée par les fournisseurs de logiciels de CAO pour l'interfaçage de leurs systèmes. L'allemand EOS a aussi mis au point une gamme de machines de stéréolithographie, Stereos, et la PME française Laser 3D, issue des recherches initialement menées sur la photopolymérisation par ultraviolet au Grapp, laboratoire associé au CNRS à Nancy, propose, en service bureau, sa machine de stéréolithographie SPL1000.

Le procédé israélien Cubital Solider5600 a recours au flashage sous une lampe ultraviolette d'une couche complète de résine à travers un masque programmable. Cette technique électrostatique, voisine de celle des photocopieurs, est une sorte de "sérigraphie" électronique couche par couche qui produit de grandes pièces, ou plusieurs à la fois dans le bac. Toute la résine est polymérisée, et le cycle de fabrication nécessite d'aspirer la résine non durcie pour la remplacer par de la cire liquide qui, refroidie, maintient la pièce en place dans le bac. Au lieu de durcir une résine, on peut projeter une poudre qui se solidifie par frittage sous l'effet thermique du laser: le Selective Laser Sintering, de l'américain DTM, réalise ainsi des pièces à partir de poudres métalliques ou de céramique. Le DSPC (Direct Shell Production Casting) de Soligen, sur des brevets du MIT, utilise aussi l'agglomération d'une poudre céramique. On ne réalise pas la pièce, mais son "empreinte", un moule aux parois encollées et durcies par chauffage qui sert de coquille de fonderie pour mouler des prototypes en métal.

...aux collagesde lamelles prédécoupées

Plus simple, avec le Fuse Deposition Modeling, la machine de "bureau" de Stratasys, exploite la fusion en continu d'un fil en cire, nylon ou ABS à l'aide d'une buse chauffante guidée en 3D par la CAO. L'autre machine de bureau de petite dimension, proposée par Sanders, utilise la projection d'encre spéciale fondue. Les techniques regroupées sous le nom de "lamination" procèdent par collage de lamelles prédécoupées de matériaux divers. Helisys propose le LOM (Laminated Object Manufacturing), table automatisée de découpe au laser de papier enduit. La pièce obtenue présente l'aspect rigide d'un modèle en bois. La "stratoconception" de l'Esstin de Nancy (Cirtes), est l'assemblage-collage de lamelles pour réaliser des pièces de grande taille. Les recherches menées par les grands de la bureautique (IBM, Hewlett-Packard, Texas Instruments...) utilisent l'impression par bulles d'encre ou de cire pour réaliser des "imprimantes 3D" connectées à la CAO. La technologie d'IBM vient d'être acquise par Statasys. Une vingtaine d'équipes de recherche-développement, industrielles et universitaires, travaillent dans le monde au développement des technologies dérivées de la stéréolithographie, ce qui traduit bien l'effervescence qui règne en ce domaine. Un nouvel axe de développement est apparu avec le besoin, pour les industriels, de disposer de plusieurs "copies" de prototypes d'études ou de "communication" en matière plastique. Des techniques spécifiques de fonderie à moule silicone sont proposées par l'allemand MCP et l'italien Camattini, ou encore des moulistes comme Tours Modelage en France ou Tekcast aux Etats-Unis. Enfin, les prototypes "fonctionnels" en métal, proches de la future pièce dite "bonne matière", sont réalisés à partir du modèle en résine obtenu par stéréolithographie et utilisé comme noyau fusible dans la fonderie "à cire perdue". N'oublions pas enfin qu'on peut usiner des prototypes en alliage léger ou en matériau plastique sur des mini-centres d'usinage à cinq axes et à broche à grande vitesse. On peut ainsi installer au bureau d'études ces machines conçues pour ce travail, comme le Jotech de la société italienne Jobs ou la machine Murac de la PME grenobloise Exa Ingénierie et les centres d'usinage à grande vitesse de Réalméca.







Le principe du prototypage rapide

Le principe commun à tous les procédés de prototypage est simple: à partir du fichier numérique de la CAO qui représente la pièce en volume, on réalise un découpage en tranches horizontales à l'aide d'un logiciel appelée "slicer". Ce dernier reconstruit ensuite la pièce couche par couche par l'empilage des tranches de matériau corespondant aux sections numérisées Avantage: l'obtention directe d'objets avec leurs cavités et discontinuités internes, par exemple un bloc moteur. Par analogie avec les imprimantes de bureautique, on parle parfois d'impression "en relief"...



Pour en savoir plus

AFPR (Association française de prototypage rapide) c/o Calcomp, 205, avenue Georges-Clemenceau 92024 Nanterre Cedex. Tél: (1) 47-29-55-30 (Jean-Claude Porterdeuf).

"Rapport sur l'état du prototypage rapide", par François Nonnenmacher, 44, rue Petion, 75011 Paris.

"Le Prototypage rapide", étude Tech-Tendances d'Innovation128. Tél.: (1) 44-51-15-00.

USINE NOUVELLE N°2487

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