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LE PROTOTYPAGE RAPIDE

Nov. 2011 Auteurs : R. Allard & H. Barret

Livret d’accompagnement au DVD :

Le PROTOTYPAGE

des procédés pour concevoir,

valider ou produire.

Définitions : La Fabrication rapide, ou prototypage rapide, regroupe un ensemble de

procédés et de technologies de fabrication de pièces par enlèvement ou ajout de matière couche par couche. À partir d’un modèle de conception assistée par ordinateur (CAO), il est possible de réaliser tous types de pièces, en particulier avec des architectures complexes.

La pièce est produite par usinage, dépôt, polymérisation ou fonte de couches successives de matière première organique, minérale ou métallique. Il est ainsi possible de réaliser des pièces dans les matières habituelles telles que le plastique, la céramique ou le métal.

D’autres procédés ou technologies permettent de fabriquer des pièces en « vraies » ou « bonnes » matières dans des procédés semblables ou équivalents tels que l’injection plastique par la coulée sous vide ou la gravure et découpe laser pour les pièces en tôles ou plaques.

La fabrication rapide ne peut réellement développer toutes capacités que si elle est intégrée au plus tôt dans la chaine numérique de conception. A ce titre, une fois intégrée la notion de reverse ingénierie au travers des outils de scanner 3D, cette chaine numérique devient une boucle complète.

La fabrication rapide intègre l’optimisation de trois notions essentielles : • Le temps, par la réduction des phases de développement des produits ; • Le coût, grâce à des outillages moins onéreux, tout en garantissant les

performances du produit final ; • La complexité des formes, irréalisables par des procédés classiques

tel que l’usinage.

Enjeux pédagogiques : La rénovation des enseignements technologiques par la mise en place du

baccalauréat STI2D fait citation à maintes reprises du terme de « prototypage ». Au travers de la pratique et de l’approche de ces nouvelles technologies

modernes qu’apportent ces procédés, les élèves seront à même d’observer rapidement les résultats de leur création, d’en mesurer le comportement et le



fonctionnement sur des pièces « réelles » dans un matériau de résistance suffisante. Ces nouvelles technologies doivent leur permettre de modifier et de remplacer rapidement une solution défectueuse.

Les activités de créativité et d’innovation grâce à l’attractivité et la rapidité de mise en œuvre de ces procédés trouvent une large place dans tous les enseignements technologique du lycée de la seconde à la terminale (CIT, SI, STI2D, SSI) et BTS et plus précisément dans les activités de projet.

Au travers de la coulée sous vide ou de la coulée métallique cire perdue, les élèves auront une approche qui leur permettra de découvrir les principes de l’injection et de la fonderie.

Arborescence du DVD

Les 28 modules vidéo qui composent le DVD sont articulés autour de cinq thématiques complémentaires.

1. La partie « connaitre le prototypage » apporte les connaissances théoriques liées aux technologies du prototypage.

2. Qu’est-‐ce que le prototypage ? 3. Quelle est sa place dans la chaine numérique de conception ? 4. Quelles données sont nécessaires ? 5. Quels sont les principes génériques des différents procédés ? Dans « mettre en œuvre des procédés », La réalisation de prototypes est montrée

au travers de différents procédés. Tous ces procédés peuvent être mis en œuvre au sein du laboratoire de STI2D.

Une partie pédagogique donne des pistes pour des exploitations en classe et

répond à des questions pratiques de prévention des risques et d’aménagement du laboratoire.

Une approche industrielle rapporte l’expérience du prototypage en entreprise à

travers des témoignages, des procédés différents et des exemples s’appuyant sur un contexte réel.

Enfin, cinq procédés de prototypage sont décrits et commentés dans des

animations 3D.



Table des matières:

Vocabulaire et lexique Page 1 à 3

Activités de prototypage (Voir illustration en bas de page pour détail) :

• Impression 3D Page 4 et 5 • Coulée sous vide (Pièce) Page 6 et 7 • Coulée sous vide (Moule Silicone) Page 8 et 9 • Coulée métallique cire perdue Page 10 et 11 • Découpe et gravure laser Page 12 et 13 • Scanner 3D Page 14 et 15

Préconisations Matériaux/Procédés :

• Matériau Solide Page 16 • Matériau Liquide Page 17 • Matériau Poudre Page 18

Fiche comparative entre Procédés Page 19

Médiagraphie Page 20 et 21

Activités de Prototypage

Impression 3D

Page 4 et 5

Page 6 à 9

Page 10 et 11

Page 12 et 13

Coulée sous vide

Coulée cire perdue

Découpe et Gravure laser

Scanner 3D

Page 14 et 15

VOCABULAIRE et LEXIQUE

Nov. 2011 Auteurs : R. Allard & H. Barret Page 1/21

La Pièce ou Modèle 3D :

Les Lignes (ou plans) de joint :

Appliquées sur la pièce, les lignes de joint sont les lignes séparatrices entre les différentes parties d’un moule. Ces lignes de joint ne doivent pas laisser subsister des éléments de pièces en contre dépouille. Dans le cas le plus général, le moule est constitué de 2 parties : le moule supérieur et le moule inférieur comme sur le schéma ci-‐contre. Dans le cas d’une injection sous pression, le point d’injection est l’endroit choisi pour faire pénétrer la matière dans l’empreinte du moule.

Le Moule est dessiné en C.A.O. et est constitué dans le cas présent, de deux parties : les moules supérieur et inférieur. Il comporte une empreinte ainsi que des éléments de centrage qui serviront de positionnement entre les 2 parties de moule. Il est très souvent nécessaire d’y placer un détrompeur afin de s’assurer de la bonne mise en position des parties de moules entre elles.

Le Contre modèle est encore appelé « négatif de moule ». C’est cet élément qu’il faut imprimer et sur lequel sera coulé l’élastomère de silicone

afin d’obtenir le moule. Cette opération est à reproduire pour chacun des éléments du moule.

La "Bonne" matière se dit quand la matière mise en œuvre est proche de la matière finale réelle. Par exemple une résine de coulée bi composants peut avoir après polymérisation les caractéristiques mécaniques de certains plastiques, mais en aucun cas avoir tous les comportements identiques aux vrais matériaux.

La "Vraie" matière se dit quand le matériau mis en œuvre est exactement le matériau réel final employé par un procédé de production de série. Certains procédés par exemple : le frittage de poudre et la stéréolythographie emploi des "vraies" matières.

Le Moule inférieur et son contre modèle



Procédés "semblables" ou "équivalents" se dit de procédés qui simulent les comportements de vrais procédés. Par exemple la coulée sous vide en pression différentielle est un procédé semblable à l'injection plastique, mais n'a en aucun cas les comportements exacts de l'injection plastique.

La carcasse : A partir du contre modèle imprimé, celui-‐ci placé d’un côté de la carcasse (profilé en U) et de l’autre côté fermé par une plaque de verre, l’ensemble est maintenu par des pinces. L’élastomère de silicone peut être coulé pour obtenir une des parties de moule.

La Mère de moule : La durée de vie moyenne d’un moule silicone est de 30 à 50 pièces. Dans le cas d’une production plus importante, et pour éviter de recommencer le cycle complet, il est nécessaire de conserver une « Mère de moule ». Celle-‐ci sera fabriquée sur la partie du moule silicone obtenue et placée dans la même carcasse. Elle sera réalisée dans une résine durable dans le temps et insensible aux rayons UV.

La grappe de cire et le cylindre : En coulé cire perdue, la grappe de cire est montée en arbre. L’ensemble est placé dans un cylindre percé, permettant au plâtre de s’accrocher mais aussi de sécher. Après cuisson et coulée, une opération dite de décochage consiste en la destruction du plâtre afin de récupérer les pièces.

Le contre modèle

La carcasse

La plaque de verre

Une mère de moule

Le cylindre

La grappe de cire



La « bonne » matière : On emploie le qualificatif de « bonne » matière quand la matière mise en œuvre est proche de la matière finale réelle. Par exemple, une résine de coulée bi composants peut avoir, après polymérisation, les caractéristiques mécaniques de certains pastiques, mais elle ne peut en aucun cas avoir tous les comportements identiques aux vrais matériaux.

La « vraie» matière : On emploie le qualificatif de « vraie » matière quand le matériau mis en œuvre est exactement le matériau réel final employé par un procédé de production de série. Certains procédés (par exemple : le frittage de poudre et la stéréo lithographie) emploient des « vraies » matières.

Le procédé « semblable » ou « équivalent » : On emploie ces qualificatifs pour des procédés qui simulent les comportement des vrais procédés. Par exemple, la coulée sous vide est un procédé semblable à l’injection plastique, mais elle n’a en aucun cas les comportements exacts de l’injection plastique.

La maquette : Une maquette est la construction, virtuelle ou réelle, d’une solution. Les maquettes servent à valider un principe technique, une solution constructive, un ensemble fonctionnel. Elles sont construites pour répondre le plus efficacement possible au besoin exprimé et peuvent être plus ou moins réalistes, selon les résultats recherchés et les moyens de réalisation choisis. Les simulations de comportement mécanique de maquettes virtuelles permettent de valider certaines solutions en évitant la réalisation de prototypes fonctionnels coûteux.

Le prototype : Le prototype est un modèle préliminaire permettant l’évaluation de la conception d’un système, de sa réalisation. Il préfigure la réalisation du matériel définitif et permet de valider les exigences des spécifications fonctionnelles auxquels il devra répondre. Le prototype ne peut être virtuel et doit être le plus proche possible de la version définitive du produit.

IMPRESSION 3D


TECHNOLOGIE : Descriptif du procédé

PRINCIPE : À partir modèle C.A.O. de la pièce à imprimer, celle-‐ci est découpée en tranches plus ou moins fines selon le procédé d’impression. La pièce est construite tranche après tranche. Comme le maçon construisant un mur de parpaings, par analogie lors de la construction d’ouvertures (fenêtres par exemple), le

maçon doit placer des étais afin de continuer à construire son mur au dessus de l’ouverture. Ici en impression 3D, les étais s’appellent des supports et peuvent être d’un autre matériau que la pièce. Ceux ci doivent être ensuite détachés de la pièce. Selon les procédés, le principe de « solidification » de la matière varie. Le schéma ci-‐dessus peut s’appliquer au plus grand nombre d’entre eux. Après le dépôt d’une couche de matière, une source de « solidification » vient balayer et durcir la tranche de pièce et ses supports. Couches après couches la pièce descend d’une épaisseur afin d’obtenir la pièce entière.

POUR QUOI : L’impression 3D : • Permet le passage du monde virtuel au monde réel ; • Permet la validation physique de conception (Design, formes géométriques

et dimensions, prototypes fonctionnels, validation d’assemblage, de pièces ou d’outillages) ;

• Permet la fabrication d’un objet dans un délai très court à coût réduit avec le minimum d’étapes intermédiaires dans le processus numérique de réalisation.

STL

VRML

Pièce

Assemblage

Du modèle CAO

A la pièce finie

Tranchage en couches

Principe générique

La pièce est maintenue par des supports pour toutes les surfaces en surplombs.

Finition

Post-traitement

IMPRESSION 3D


• Est un outil complémentaire d’obtention de pièces autorisant aujourd’hui des formes complexes souvent impossible à obtenir par les moyens classiques.

• S’intègre et intervient le plus tôt possible dans la chaîne numérique de conception, après toutes les validations numériques de conceptions effectuées.

MATÉRIAUX : Aujourd’hui, presque chaque constructeur de machine est lié à un ou plusieurs matériaux dont il est propriétaire. Il existe une grande variété des matériaux utilisable selon le procédé.

A l’état : • De poudre de granulométrie aujourd’hui faible (≤ 15 µm) : céramique,

métallique, plâtre, polymère, sable ; • De liquide : époxy, polymère, cire ; • De solide en fil polymère de Ø variable ou en plaque d’épaisseur variable : de

papier, de polymère, d’aluminium, etc.

PRÉCISION : La précision dépend beaucoup du procédé et des matériaux utilisés, il faut tenir compte des facteurs suivants :

• De l’épaisseur des couches. (de 0,02 à 0,3 pour les procédés liquides ou poudre, de 0,5 à plusieurs mm pour les procédés en plaque) ;

• Des incréments de déplacements machines (X et Y) ; • De la granulométrie des poudres utilisées. (aujourd’hui la porosité des pièces

diminue pour obtenir des pièces denses proches des 100%) ; • Des retraits liés aux matériaux (parfois important 5% mais faible pour certaine

résine). • Des Dimensions, du petit volume 20 mm3 au très gros volume 4m x 2m x 1m

SÉCURITÉ : Tous ces procédés et leurs matériaux associés font l’objet d’une « Fiche de Données Sécurités ». Certains de ces matériaux présentent des risques importants pour la santé, comme d’être irritant pour les yeux, la peau et les poumons

avec des nuances selon les matériaux. Il est donc nécessaire d’identifier ces risques et de s’en protéger. Les protections indispensables sont :

• La ventilation du laboratoire de prototypage en cas d’utilisation continue ; • Le port de masque (la granulométrie pouvant être faible il faut se protéger de

toute inhalation dans les poumons) ; • Le port de lunette de sécurité lors de certaines manipulations ; • Le port de blouse, gants et manchettes.

Les déchets et les protections souillées doivent faire l’objet d’un ramassage particulier pour être traitées. Aucun déchet ne doit être rejeté à l’égout (exception faites pour certains supports). Il est préférable de stocker les produits dans une armoire spécifique (devant parfois être ventilée, à l’abri des UV et contrôlée en température).

COULÉE SOUS VIDE « Pièces »


TECHNOLOGIE : Descriptif du procédé :

PRINCIPE : Verser un mélange dosé de résine liquide (Pot A) et son catalyseur (Pot B) de la chambre haute (Chambre de préparation matière) dans un Moule silicone placé en chambre basse (Chambre de coulée). L’ensemble étant exclu de la pression extérieure (pression atmosphérique) pour éviter toute formation de bulles d’air. Le

durcissement du mélange se fait par polymérisation à froid de façon plus ou moins rapide (appelé : potlife) en général de quelques minutes. Deux principes de coulée sous vide sont possibles :

En pressions équivalentes ou parallèles entre la chambre haute et la chambre basse, seule la gravité permet au matériau de remplir le moule ; En pressions dites différentielles entre la chambre haute (≈ 120 mbars) et la chambre basse (≈ 60 mbars). Dans ce cas, la surpression en chambre haute « pousse » le matériau dans le moule équivalent au procédé d’injection.

POUR QUOI : La coulée sous vide pour la production de pièces permet de :

• Produire des pièces « bonne » matière (Il faut entendre bonne comme proche de la vraie matière, ou encore comme équivalente) ;

• Produire des pièces dans un procédé « semblable » (semblable = simulation d’injection) dans le cas du principe de coulée n°2 ;

• Reproduire des pièces de façon répétitive pour des petites séries ;

Chambre de préparation matière

Chambre de coulée

Moule silicone

COULÉE SOUS VIDE « Pièces »


• Réaliser des empreintes de petits outillages (thermoformage, cambrage, injection).

MATÉRIAUX : Il existe une grande variété des matériaux utilisable. Des polymères aux caractéristiques proches des thermoplastiques et des caoutchoucs. Quelques familles disponibles :

• Des résines à prise rapide FastCasts (Mère de moule.) ; • Des résines époxy de coulée (Modèle de fonderie. Matrices et poinçons

d'emboutissage. Modèles de copiage et de reproduction) ; • Des résines polyuréthanes de coulée (transparentes ou non avec des équivalences

des PPS, PP, POM, PEEK, ABS, PA6/6, etc.) ; • Des résines polyuréthanes R.I.M. (Réaction Injection Molding).

PRÉCISION : La précision dépend en premier lieu de la précision du modèle de départ obtenu en impression 3D, mais aussi des matériaux utilisés et du respect des conditions d’utilisation précisées sur les fiches matières des constructeurs. Il faut toutefois tenir compte de facteurs suivants :

• Du retrait toujours inférieur à 1/100 ; • Du jeu d’infiltration (ordre de grandeur 0,1 mm) : C’est l’épaisseur minimum

dans lequel le matériau peut s’introduire ; • De la fidélité de reproduction des formes ; • De l’épaisseur de paroi des pièces à obtenir, qu’il faut lier au choix de matériau

notamment sur sa viscosité. Plus le matériau est liquide plus l’épaisseur de paroi peut être fine, tout en tenant compte du jeu d’infiltration minimum.

SÉCURITÉ : Tous ces produits font l’objet d’une « Fiche de Données Sécurités ». Ces produits présentent les risques majeurs, d’être irritant pour les yeux et la peau avec des nuances selon le matériau dont il est nécessaire de se protéger.

Les protections indispensables sont :

• La ventilation du laboratoire de prototypage en cas d’utilisation continue ; • Le port de lunette de sécurité ; • Le port de blouse, gants et manchettes.

Les déchets et les protections souillées doivent faire l’objet d’un ramassage particulier pour être traitées. Aucun déchet ne doit être rejeté à l’égout.

Il est préférable de stocker les produits dans une armoire spécifique (devant parfois être ventilée, à l’abri des UV et contrôlée en température).

COULEE SOUS VIDE « Moule silicone »


TECHNOLOGIE :Descriptif du procédé :

PRINCIPE : L’obtention d’un moule silicone passe par 3 phases successives :

1. Une phase de préparation en C.A.O. où à partir du modèle 3D de la pièce il est nécessaire de définir :

• Les lignes ou plans de joint séparateurs des deux empreintes de moule ; • La maquette 3D du moule ; • De cette maquette, décliner les négatifs (ou contres modèles)

2. Une phase d’impression 3D des contres modèles de chacune des parties actives du moule.

3. Une phase de Coulée sous vide afin d’obtenir le moule en silicone. Sur chacun des contres modèles sera versé dans une carcasse le mélange élastomère pour obtenir après assemblage le moule complet.

POUR QUOI : La coulée sous vide pour la production de moules silicones permet de :

• Produire ou Reproduire des pièces en résine bi composants (Voir fiche : COULEE SOUS VIDE « pièces »);

• Produire des modèles de pièces en cire en vue de leurs reproductions en pièces métallique (Voir fiche : COULEE CIRE PERDUE).

Lignes de joint

Moule

Moule Supérieur

Moule Inférieur Les contres Modèles

Moule Supérieur Silicone

Moule Inférieur Silicone

Moule Silicone

C.A.O.

Impression 3D

Coulée sous vide

COULEE SOUS VIDE « Moule silicone »


MATÉRIAUX : Il existe une grande variété des matériaux utilisable. Quelques familles disponibles :

• Des élastomères polyuréthanes de coulée en grandes variétés (Moule souple autorisant les contre dépouilles, translucide ou opaque, à tenue variable en température dont certains autorisent la coulée de cire chaude) ;

• Des élastomères de Silicone (Moule souple pour formes complexes et contre dépouilles, Moule auto démoulant) aux caractéristiques proches des caoutchoucs.

PRÉCISION : La précision dépend beaucoup des contres modèles de départ utilisé, et du respect des conditions d’utilisation précisées sur les fiches matières des constructeurs. Il faut tenir compte de facteurs suivants :

• Le retrait est souvent inférieur à 0.1/100 si la polymérisation se fait à température ambiante. La polymérisation en étuve à 70°C engendre un retrait beaucoup plus élevé ;

• Du jeu d’infiltration très souvent inférieur à 0,01 mm ; • De la fidélité de reproduction des formes (Notamment sur les textures de

surfaces mates ou polies).

SÉCURITÉ : Tous ces produits font l’objet d’une « Fiche de Données Sécurités ». Pour rappel ces produits présentent les risques importants, comme d’être irritant pour les yeux et la peau avec des nuances selon les nuances du matériau. Il est nécessaire de se protéger.

Les protections indispensables sont :

• La ventilation du laboratoire de prototypage en cas d’utilisation fréquente et d’espace confiné ;

• Le mélange du catalyseur et de la résine doit se faire sous hotte aspirante (fortement conseillé) ;

• Le port de lunette de sécurité ; • Le port de blouse, gants et manchettes.

Les déchets, les outils utilisés et les protections souillées doivent faire l’objet d’un ramassage particulier pour être traitées. Aucun déchet ne doit être rejeté à l’égout.

Il est préférable de stocker les produits dans une armoire spécifique (devant parfois être ventilée, à l’abri des UV et contrôlée en température).

COULEE MÉTALLIQUE en CIRE PERDUE



PRINCIPE : L’obtention de pièces métalliques en cire perdue passe par 5 phases successives :

1. Le montage de grappe de pièces issues soit : • D’impression 3D ;

• D’un moule élastomère silicone. 2. L’enrobage de la grappe dans un plâtre réfractaire. Cette opération se fait avec une

machine d’enrobage sous vide afin d’éliminer tous risques de bulles en surface de pièce. La granulométrie du plâtre détermine la précision de reproduction ;

3. Le décirage et la cuisson. Après un temps de séchage d’une heure, le cylindre de plâtre est placé à l’envers afin de permettre l’évacuation de la cire. Au cours du cycle de cuisson, la cire est évacuée puis le plâtre cuit. La durée du cycle varie selon la dimension des cylindres ;

4. La coulée métallique. Le métal est porté à température de fusion dans la chambre de fusion. Le cylindre de plâtre préalablement chauffé est placé en chambre d’injection. Par l’ajout d’une surpression en haut et du vide en bas, le métal en fusion est alors « poussé » pour remplir la cavité dans le cylindre. Les deux chambres sont maintenues sous protection gazeuse le temps de solidification ;

5. Le décochage afin de détruire le plâtre et de nettoyer les pièces ;

Montage de grappe

Enrobage

Décirage & Cuisson

Coulée métallique

Décochage

COULEE MÉTALLIQUE en CIRE PERDUE


POUR QUOI : La coulée cire perdue permet :

• De Produire des pièces métalliques en Vraie matière en Vrai procédé ; • Une validation physique de conception (Formes géométriques et dimensions, pièces fonctionnelles, parties actives d’outillages) ;

• De produire des pièces en petite et moyenne série.

MATÉRIAUX : Ce procédé s’applique à la fonderie des matériaux à haut point de fusion impossible dans des moules métalliques. Il existe une grande variété des matériaux utilisable pour ce procédé. Nous pouvons citer ici tous les métaux ferreux et non ferreux, mais aussi tous les

métaux précieux (Or, Argent, Platine), toutefois il est recommandé de réserver un creuset par matériaux.

PRÉCISION : En termes de qualités dimensionnelles et en tenant compte du retrait pour la fabrication des modèles en cire, On est en mesure d’obtenir des qualités JS 10 et des états de surfaces Ra de 2 à 3 µm. Ces caractéristiques sont plus précises que les autres procédés de fonderie.

Toutefois, cette précision dépend des facteurs suivants : • De la précision du modèle de départ ; • De la granulométrie du plâtre utilisé ; • Du respect des cycles de cuisson et de coulée (temps de cycle, surpression et gaz

protecteur) ; • Des retraits liés aux matériaux (jusqu’à 2.5% selon le matériau) ; • Du savoir faire et de l’expérience des utilisateurs.

SÉCURITÉ : Les risques majeurs pour ce procédé sont : 1. L’utilisation de matériau pulvérulent comme le plâtre dont il faut se

protéger par des protections indispensables : • La ventilation du laboratoire de fonderie dans le cas de manipulations prolongées et d’un espace confiné ;

• Le port de masque (la granulométrie étant très faible il faut se protéger de toute inhalation dans les poumons) ;

• Le port de lunette de sécurité ; • Le port de blouse, gants et manchettes.

2. La présence de température élevée dont il faut se protéger par des protections indispensables, même lorsque le système de coulée est automatisé et sans intervention manuelle :

• Des gants adaptés à la protection contre la chaleur ; • Des pinces pour manipuler les pièces chaudes ; • Le port de lunette de sécurité ; • Le port de blouse, et de chaussures de sécurité.

Il est préférable de stocker le plâtre à l’abri de toute humidité dans un récipient fermé hermétiquement.

GRAVURE ET DECOUPE LASER



PRINCIPE : En C.A.O. :

• A partir de la maquette volumique 3D, en C.A.O. Effectuer une mise à plat si nécessaire et exporter le fichier en modèle image (jpeg, png, tiff, etc.) ou

encore en mise en plan (dxf). Sur la machine :

• Dans le logiciel de pilotage fractionner tous les contours en opérations distinctes d’usinage, leurs affecter une couleur qui sera liée à une puissance du laser ;

• Procéder à la gravure des plis et des inscriptions éventuelles sur la pièce ; • Procéder à la découpe des formes intérieures ; • Procéder à la découpe des formes extérieures.

Principe de l’enlèvement de matériau : Un faisceau laser (Co2 ou YAG, fibré ou non) est réfléchi par un miroir de renvoi oscillant. Une lentille convergente concentre le faisceau en un point focal sur la pièce. Au point d’impact l’élévation en température du matériau le « vaporise » et permet selon la puissance du laser réglée de graver ou de découper la tôle.

A partir du modèle 3D

Marquage des plis

Effectuer sa mise à plat. (JPG ou DXF)

En C.A.O.

Sur la machine

Fractionner les opérations d’usinage et de gravure en couleurs distinctes

Découpe des formes intérieures

Découpe des formes extérieures

Faisceau Laser Miroir de renvoi

Refroidissement

Point d’impact

Lentille convergente

Tôle

Vaporisation du matériau

GRAVURE ET DECOUPE LASER


POUR QUOI : La gravure et la découpe laser permettent :

• La validation de pièces en tôle (métallique ou non), sans nécessité la mise en œuvre d’un outillage complexe ;

• De graver des poinçons de marquage ; • La gravure des décors, d’aspect et de finition (sur certains matériaux comme le

titane et certains inox, il est possible d’effectuer de la gravure avec nuances de couleurs en modifiant les paramètres de puissance du laser) ;

• La gravure « profonde » (empreinte de moule). • La gravure à l’anglaise de circuits électroniques pour une validation rapide.

MATÉRIAUX : Il est possible de graver et de découper tous les matériaux métalliques (trempés ou non), ferreux ou non ferreux.

Même les matériaux translucides comme le verre et les acryliques en plaque pour lesquels le marquage est plus approprié que la découpe.

Il en est de même pour les matériaux organiques comme le papier, le bois, le cuir, la pierre.

PRÉCISION : La précision dépend beaucoup du réglage du couple puissance laser/matériau utilisé qu’il est indispensable d’adapter.

La gravure et la découpe laser engendre par extraction thermique du matériau une forte élévation de température celle-‐ci pouvant déformer la pièce. La précision obtenue dépend donc aussi beaucoup du système de ventilation de la pièce.

La taille du faisceau laser est de l’ordre de 15 à 30 µm, la précision de résolution de positionnement peut aller jusqu’à 2 µm ;

La précision finale est en partie liée à la précision du fichier de départ.

SÉCURITÉ : Toutes ces machines de gravure et de découpe sont faites de telles manières qu’il est impossible de fonctionner capot ouvert.

L’utilisateur est donc protégé contre tous risques de dommage.

L’enlèvement matière se faisant par vaporisation du matériau, il est indispensable d’avoir sur ces machines un système d’extraction et de filtrage de ces poussières afin de ne pas les inhaler.

SCANNER 3D

Juin 2012 Auteurs : R. Allard & H. Barret Page 14/21


PRINCIPE : A partir d’un modèle réelle :

• Le scanner 3D permet de « palper » (ou mesurer) dans un référentiel connu des séries de points (dont le pas de palpage est variable en précision) ;

• On procède à la récupération des nuages de points palpés puis au nettoyage des points parasites ;

• Sur ces points on procède à la reconstruction de surface (Cette phase peut être parfois très longue) ;

• A partir de ces nouvelles surfaces, il devient possible de retravailler le modèle comme tous modèles 3D en C.A.O. (déformation, élimination de surfaces, fonction échelle, etc.) ;

• Le modèle transformé en (STL ou VRML) peut maintenant être lancé en fabrication par tous procédés de prototypage ;

• La pièce peut ensuite être reproduite (en différents matériaux par exemple). L’on peut retenir 2 procédés possibles de palpage :

• Le procédé simple où la pièce et le palpeur doivent être dans le même repère FIXE. Le palpeur peut être Piézo-électrique ou Laser. Ce type de palpage ne permet pas d’aller palper toutes les formes en contre dépouille sur le modèle en une fois. Il est donc nécessaire d’effectuer plusieurs palpages, et de repositionner en C.A.O. ces nuages de points entre eux.

SCANNER 3D


• Le procédé plus élaboré dit « auto positionné » où La pièce et le palpeur peuvent évolués chacun dans un repère LIBRE dans l’espace. Le palpeur doit néanmoins toujours voir au minimum 3 points fixés à la pièce (analogie au GPS). Le palpeur peut être ici Laser ou de Lumière structurée. Aujourd’hui certains de ces scanners 3D permettent de relever les textures et les couleurs du modèle.

POUR QUOI : Le Scanner 3D permet :

• L’introduction d’objets du monde réel dans le monde virtuel ; • La reprise d’objets afin de les introduire dans la chaîne numérique de

conception pour : o Archiver ces pièces (ex : pièces de musée, façades, environnement d’atelier,

etc.) ; o Modifier les formes géométriques, les dimensions (échelle), la texture ou

encore l’aspect de pièces ; o Reproduire des objets.

• L’acquisition de formes complexes ; • De créer de nouveau produit ergonomiquement adapté à un environnement

existant ; • L’évaluation de dommages.

MATÉRIAUX : Aujourd’hui, hormis les matériaux translucides presque tous les matériaux peuvent scannés. Toutefois certaines précautions peuvent être nécessaires pour améliorer les résultats.

En effet selon le type de scanner utilisé et afin d’éviter les reflets (Création de points parasites) Il est possible de « Matifier » (rendre opaque et mat à l’aide d’une bombe de dépôt blanc le modèle).

PRÉCISION : On peut distinguer 3 sortes de précision :

1. Le nombre de points palpés à la seconde (≈15 000/s) 2. Celle mesurée par l’incrément de palpage qui au plus fin peut atteindre 0,05

mm mais est plus fréquemment de 0,1 mm. Dans ces cas précis, le temps de palpage peut être long et la taille du fichier de points peut atteindre selon la grandeur de pièce plusieurs Go.

3. Celle mesurée sur l’écart de précision du volume obtenu par rapport au modèle réel celle-‐ci se mesure en L/1000 (≈0.3L/1000).

SÉCURITÉ : Tous les scanners Laser 3D sont conçus pour protéger l’utilisateur. Ceux fonctionnant en enceinte fermée ne peuvent être mis en route que si la porte est fermée. Les scanners à main Laser sont de classe I (Sans danger pour l’œil) ou de classe II (d’un rayonnement visible, la protection est normalement assurée par le

clignement de paupière. Ceux couramment utilisés pour les lecteurs de code-barres).

MATÉRIAUX / PROCÉDÉS


MATERIAU SOLIDE :

Fabrication Directe

En soustractif couche par couche

En additif couche par couche

Usinage Laser

Cutter Par Dépôt Fil

Alliages x x Bois x x Papier x

« Plâtre » x Polymères x x

M A T E R I A U X Cires

Rapidité

Précision

Épaisseur couche 5 - 10 mm > 0.1 mm 0.1 mm 0.1-0.25 mm Épaisseur mini/Maxi Maxi 10 mm 0.1/ 1 0.1/0.5 liée au ø du fil

Temps Finition

C R I T È R E S

de :

Rm / vraie Matière 100% 100% 100% 75 à 80% Stockage matière Standard Standard Standard Armoire ventilée

Déchets θ°c

Salle

Ventilation

Gants

Lunettes

Sur-Gants

Masque

E N V I R O N N E M E N T

Personnes

Produits



MATERIAU LIQUIDE :

Fabrication Directe Fabrication Indirecte

En additif couche par couche

θ°c Laser

UV Coulée/sous

vide

Alliages

Bois

Papier

« Plâtre » Polymères x x x

M A T E R I A U X Cires X

Rapidité

Précision

Épaisseur couche 0.04 mm 0.018 mm 0.025 mm Épaisseur mini/Maxi 0.8/5mm 0.3/6mm 0.5mm/ ++

pas massif/préférer nervures

Temps Finition

C R I T È R E S

de :

Rm / vraie Matière 100% 40% 75 % 100%

Stockage matière Standard Armoire ventilée

Armoire ventilée

Armoire ventilée

Déchets θ°c

Salle

Ventilation x Gants x x Lunettes x x Sur-Gants x x Masque x x


Personnes

Produits x x



MATERIAU EN POUDRE :

Fabrication Directe Fabrication Indirecte

En additif couche par couche Avec liant Sans liant

Avec post-traitement

Sans post-traitement

Laser

Coulée / Cire perdue

Alliages (A) x x x x

Bois

Papier

« Plâtre » x Polymères (P) x x

M A T E R I A U X Cires

Rapidité A P

Précision

Épaisseur couche 0.025 mm 0.025 mm 0.025 mm Épaisseur mini/Maxi

A (0.2/10) P (0.8/5cm)

pas massif/préférer nervures

Temps Finition A P

C R I T È R E S

de :

Rm / vraie Matière ? % ? % A ?% P 80% 100% Stockage matière standard standard standard standard

Déchets θ°c x

Salle

Ventilation x x x x Gants x x x x Lunettes x x x x Sur-Gants x x x x Masque x x x x


Personnes

Produits

Documents

LE PROTOTYPAGE RAPIDE - sii-technologie.ac-rouen.frsii-technologie.ac-rouen.fr/Microtechniques/STI2D/Prototypage/... · Par! exemple! la! coulée! sous! vide! en! pression! différentielle!est!un!procédé!semblable!à!l'injection!plastique,!mais!n'a!en!aucuncasles