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Les outillages en thermoplastiques hautes performances en fabrication additive

Les outillages en thermoplastiques hautes performances en fabrication additive

par Gaëtan Lefèvre15 avril 2016
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Comment réaliser une économie de temps et d’argent en produisant des outils de fabrication personnalisés, au moyen du procédé de modélisation par dépôt de fil en fusion (Fused Deposition Modeling, FDM). A3DM Magazine vous guide dans cette démarche.

Par Éric Bredin, directeur marketing EMEA de Stratasys.

 

Les objectifs essentiels de la fabrication – à savoir améliorer la qualité, réduire les délais et les coûts – sont les raisons principales de l’utilisation répandue des gabarits et des fixations. Que les opérations soient entièrement automatisées ou totalement manuelles, ces derniers sont utilisés tout au long du processus de fabrication, avec pour objectif de réduire les coûts tout en accélérant la production. Au-delà des gabarits et des fixations, il est possible d’inclure tous les outils de fabrication d’assistance opérationnelle, ceux-ci étant plus répandus. Cela comprend les rangements pour l’organisation et les supports d’outils pour 5S (une méthodologie d’organisation du lieu de travail), les modèles, les guides et les calibres, mais également les organes terminaux de robots (outils de préhension) et les plateaux, caisses et trieuses destinés au transport. Quels que soient le nom, la description ou l’application, les outils de fabrication augmentent le profit et l’efficacité, tout en maintenant un niveau de qualité élevé.

Bien que ces outils de fabrication soient largement répandus, de nombreux sites ne les utilisent pas à leur pleine mesure. Les fabriquer demande du temps, de l’énergie et de l’argent. Pour tirer parti de ressources limitées, il existe une solution : l’impression 3D. Celle-ci est simple et automatisée, rapide et peu onéreuse. Elle permet de déployer un plus grand nombre d’outils de fabrication et d’optimiser leur performance.

Abaisser le seuil de rentabilité

En substituant, simplement, l’impression 3D à des méthodes actuelles de fabrication de gabarits et de fixations, il est possible de réduire les coûts et d’accélérer la production. Ces seuls avantages justifient aisément l’utilisation de systèmes de fabrication additive, notamment grâce à la rapidité d’approvisionnements. Mais c’est ignorer l’impact important sur toute l’activité : l’impression 3D abaisse le seuil auquel un nouvel outil se justifie, ce qui permet de répondre à des besoins non satisfaits tout au long du processus de production :

  • réduction des rebuts et du ré-usinage ;
  • réduction de la main-d’œuvre nécessaire ;
  • optimisation des procédés ;
  • amélioration du contrôle et de la répétabilité d’un processus.

Comment expliquer que les outils de fabrication ne sont pas utilisés actuellement dans toutes ces opérations, puisqu’ils sont si précieux ? La réponse la plus probable est que, jusqu’à aujourd’hui, ils n’étaient pas justifiés. Malgré l’avantage de disposer du gabarit ou de la fixation, le retour sur investissement calculé n’était pas suffisant. Le temps et l’argent étant toujours limités, la décision de concevoir un outil de fabrication repose en priorité sur :

  • les processus impossibles sans gabarit ou fixation ;
  • les besoins les plus urgents ;
  • les risques les plus importants et les problèmes les plus probables ;
  • la rapidité de mise en œuvre et de résultats ;
  • et la facilité de mise en œuvre.

Décider de quand et où utiliser un gabarit ou une fixation ne diffère pas des autres décisions prises au quotidien. Le choix est réalisé lorsque les bénéfices surpassent l’investissement et/ou lorsque l’exécution est simple. L’impression 3D abaisse le seuil de justification en augmentant le retour sur investissement et en réduisant les obstacles entre l’idée et la solution. Cette technologie simplifie le processus, réduit le coût et diminue les délais. Par exemple, avec la technologie de modélisation par dépôt de fil en fusion (FDM, Fused Deposition Modeling) comme approche de fabrication additive de gabarits et de fixations, le processus ne compte que trois étapes : préparation du fichier CAO, fabrication de l’outil et post-traitement de la pièce. À la différence de la fabrication classique, la technologie FDM ne requiert que peu d’expérience et une main d’œuvre minimale. Dans de nombreux cas, les gabarits et fixations ne demandent pas plus de 15 minutes de travail. Selon Natalie Williams, responsable qualité chez Thogus Products, société de moulage par injection spécialisée dans la fabrication en petits volumes et en matériaux hautement techniques : « il est plus simple de modéliser une fixation et de l’imprimer soi-même que de la concevoir et l’exécuter dans un atelier extérieur. Le délai pour une fixation usinée à 12 cavités externalisée était de 7 à 10 jours. Je l’ai construite en une nuit », conclue-t-elle.

Pistolet doo de Thermal Dynamics Stratasys a3dm magazine

Pistolet doo de Thermal Dynamics

Les imprimantes 3D FDM permettent une réduction des délais de fabrication de l’ordre de 40 à 90 %. L’impression 3D peut également augmenter sensiblement le retour sur investissement en réduisant le coût d’un gabarit ou d’une fixation. Les sociétés réalisent généralement des économies de 70 % à 90 % par rapport aux fixations usinées ou fabriquées en externe. Pour la fixation à 12 cavités de Thogus, les économies se sont montées à 87 %. « L’atelier d’usinage demandait 1 500 $ pour la fixation. J’ai pu la fabriquer pour moins de 200 $ de matériaux », nous a déclaré Natalie Williams.

Support de protection de sécurité Thogus 2 a3dm magazine

Support de protection de sécurité Thogus

Alors que les fixations usinées coûtaient 12 000 $ et demandaient un délai de sept jours, Thermal Dynamics a choisi de les fabriquer avec la technologie FDM et économise ainsi 10 000 $ et plusieurs jours de fabrication. Un autre exemple est celui de Joe Gibbs Racing, membre de l’association NASCAR, qui utilise la technologie FDM pour fabriquer des fixations, dont certaines ont été en service pendant plus de deux ans et ont permis de réduire les délais et les dépenses de 70 % en moyenne. En rendant le processus de fabrication d’outils plus rapide et plus abordable, l’impression 3D augmente le nombre de gabarits, fixations et autres outils de fabrication et améliore donc toute la chaîne.

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Organe de préhension comportant des canaux sous vide internes sans tuyau externe

Optimiser la performance des outils de fabrication

L’impression 3D peut également optimiser la performance des outils de fabrication. Avant l’impression 3D, les conceptions suffisantes pour remplir leur office étaient acceptables pour les gabarits et les fixations. En raison des coûts et du travail nécessaires pour les redessiner et les fabriquer de nouveau, les révisions étaient exclusivement réservées à ceux qui ne fonctionnaient pas suivant les spécifications. L’impression 3D modifie cet état d’esprit. Pour quelques euros de plus, elle permet de produire l’outil de fabrication de la nouvelle génération à temps et prêt à être utilisé. Pour une pièce qui présente des performances moyennes, un peu de temps et quelques initiatives suffisent à redessiner une pièce. Le temps gagné sur une opération de montage est faible, mais ces secondes s’accumulent. Si la fabrication est de 500 fixations par jour et par ouvrier, une économie de deux secondes réduit la main d’œuvre de 70 heures par personne et par an. Pour la même pièce, une réduction de 1 % des rebuts fait économiser 1 250 pièces par an.

Genesis Systems Group s’est orienté vers la FDM pour fabriquer plus rapidement des EOAT (End-of-Arm Tooling) plus légers et moins chers, remplaçant les outils de préhension métalliques construits de façon conventionnelle. Pour Doug Huston, conseillé technique chez Genesis Systems Group, la production « prendrait des semaines pour fabriquer des outils de préhension traditionnels. Avec les outils de préhension FDM, vous pouvez finaliser et équiper une nouvelle extrémité d’outil robotique en un jour ». De plus, l’outil nouvellement conçu, réalisé en plastique FDM léger, réduit également le poids des EOAT, passant ainsi de 16 kg à seulement 1,3 kg. Huston a souligné que la réduction de poids permettait d’utiliser des robots plus petits et moins chers. L’impression 3D abaisse le seuil de justification, ainsi les utilisateurs peuvent mettre en service plus de gabarits et de fixations optimisés, et devenir plus compétitifs.

Mise en oeuvre d’une approche d’impression 3D

Avant de créer votre premier modèle CAO en 3D et de charger un système de production 3D, il faut tenir compte des matériaux et de la tolérance de dimensions. L’impression 3D est idéale pour de nombreux outils de fabrication, mais elle n’est pas adaptée à tous. La principale considération relative aux matériaux est de savoir si le plastique suffira. Les gabarits et les fixations sont traditionnellement fabriqués en métal. Pour certains, le métal peut être indispensable. Pour d’autres, il peut n’être qu’une option pratique puisqu’il est propice au fraisage, au tournage, au pliage et à la fabrication. Dans ce cas, l’impression 3D peut être une des options. Parmi celles-ci, la gamme de matériaux FDM disponibles offre des propriétés de résistance aux produits chimiques (pétrole, solvants), de résistance thermique (jusqu’à 200 °C) et de résistance mécanique. Les outils de fabrication en plastique peuvent également apporter des avantages inattendus. Par exemple, la société Thogus utilise des fixations pour robots, fabriquées par modélisation par dépôt de fil en fusion, qui absorbent les chocs. Si le bras du robot s’écrase contre un obstacle, la pièce FDM est capable d’éviter les détériorations sur le bras, supprimant ainsi des réparations et une immobilisation coûteuse des machines. Autre exemple, la société BMW utilise des outils portables en plastique, car ils sont plus légers et plus faciles à manipuler, réduisant ainsi la fatigue des ouvriers.

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BMW imprime des outils plus légers et plus faciles à manipuler, mais aussi certains outils impossibles à concevoir en fabrication traditionnelle.

La conception

Les règles de conception pour la faisabilité (DFM) ne s’appliquent plus avec l’impression 3D. Elles n’ont pas de conséquence sur le temps, les coûts, la qualité, la performance ni la valeur concrète. Dans certains cas, le respect des anciennes règles DFM peut même avoir l’effet opposé. Il faut donc oublier ces règles et reprendre à zéro avec une nouvelle conception. La nature additive du processus offre une liberté de conception sans pareille. L’impossible devient réalisable et même raisonnable. Les outils de fabrication peuvent présenter des configurations complexes, de nombreuses caractéristiques et des formes libres, sans nécessiter plus de temps et d’argent. En fait, la plus grande complexité peut même réduire les coûts et les délais. Par exemple, les poches, les trous et les canaux réduisent la consommation de matériaux et le temps de fabrication. Grâce à la technologie FDM, BMW imprime des gabarits et des fixations impossibles à fabriquer avec l’usinage et la fabrication classiques. L’impression 3D les rend plus simples à utiliser et plus fonctionnels. La liberté de conception permet à des ouvriers sur une ligne de montage de disposer d’un outil qui atteint le dessous, l’arrière et l’intérieur d’un pare-chocs. Les ingénieurs se sont consacrés entièrement à cette fonction, ce qui a permis de concevoir un outil pour pare-chocs de forme organique (figure 4).

La liberté de conception peut également améliorer l’ergonomie des outils de fabrication. Le poids, l’équilibre et la position de l’outil ont un impact direct sur le confort du technicien, la durée du processus et la simplicité d’accès et de stockage. Pour atteindre une ergonomie optimale, il suffit de l’intégrer dans la conception des outils. Par exemple, BMW a redessiné une fixation d’alignement d’insignes afin d’améliorer l’équilibre et de diminuer le poids. Cela a réduit la charge sur les ouvriers et amélioré les délais de fabrication de la fixation d’insignes.

Une manière très simple de tirer profit de la liberté de conception consiste à consolider les assemblages en pièces simples. Souvent, les gabarits et les fixations sont composés de plusieurs pièces. L’impression 3D supprime ce besoin. La division en plusieurs pièces ne doit se faire que lorsque cela présente un avantage pour le fonctionnement du gabarit ou de la fixation. En effet, intégrer les pièces en un unique composant présente de nombreux avantages.

  • Éliminer les problèmes de tolérance. Si deux pièces correspondantes sont combinées en une seule, les coûts et les problèmes posés par le contrôle des tolérances des deux pièces sont supprimés.
  • Éliminer la durée de l’assemblage. L’assemblage nécessite du temps, en particulier pour les produits uniques comme les gabarits et les fixations, et les ajustements parfaits ne sont pas garantis.
  • Minimiser la documentation et les coûts généraux. Consolider les pièces réduit les coûts des actions comme la conception, la documentation, les devis, les commandes et la gestion des stocks.

Simplifier la gestion des outils de fabrication

Les gabarits, les fixations et les autres outils de fabrication ne doivent plus être considérés comme des actifs, mais plutôt comme des dépenses et des éléments jetables. En tant qu’actifs, les gabarits et les fixations sont stockés (à l’inventaire) entre leurs utilisations. Ils restent en stock jusqu’à ce que la ligne de produits soit obsolète ou jusqu’à ce qu’ils ne soient plus réparables. En raison du temps, de l’argent et du travail consacrés à la fabrication d’outils au moyen des méthodes classiques, ceux-ci sont trop précieux pour être écartés comme des articles jetables. Toutefois, cette approche entraîne de nombreux coûts indirects : le coût de l’espace d’entreposage, le coût de gestion et de suivi des stocks ainsi que le coût de localisation d’un gabarit ou d’une fixation nécessaire. Pour les outils utilisés de manière sporadique, ces coûts peuvent être importants. De plus, le travail de stockage des gabarits et des fixations est parfois supérieur à celui de la fabrication. Les sociétés adoptent donc une approche de gestion numérique, où seul le fichier numérique est stocké. Il peut sembler impensable de mettre au rebut un outil de fabrication en parfait état, mais pour ceux qui ne sont pas souvent utilisés, cette approche réduit les coûts et la charge de travail. Cette approche d’impression à la demande est également pratique lorsque qu’il est nécessaire de remplacer un outil cassé ou de posséder des doubles pour augmenter la production et répondre à une augmentation inattendue des ventes.

Conclusion

L’impression 3D peut entraîner de grands changements permettant de maximiser les profits en supprimant des gâchis de temps et d’argent lors du processus de fabrication. S’il n’est pas aisé d’oublier des approches de conception établies de longue date, il est possible de commencer par remplacer simplement les processus de fabrication habituels par l’impression 3D. Quoi qu’il en soit, les économies sur la chaîne de production et sur la fabrication de gabarits et de fixations seront importantes. En disposant d’un dessin CAO en 3D et d’un accès à une machine de fabrication additive, la production d’outils de fabrication nécessitera seulement 15 minutes de travail pratique. En combinant la simplicité à des réductions de temps et de coûts de l’ordre de 40 % à 90 %, on comprend mieux pourquoi l’impression 3D incite les sociétés à fabriquer plus de gabarits, de fixations et d’autres outils de fabrication.

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Gaëtan Lefèvre
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