Matériaux pour le prototypage rapide : types, avantages et guide de sélection

Matériaux de prototypage rapide

La performance d'un prototype repose avant tout sur le choix du bon matériau. Prototypage rapide Elle permet de convertir rapidement un dessin numérique en une pièce physique, mais l'utilisation d'un matériau de prototypage rapide inadapté peut compliquer le processus de validation et entraîner des retouches coûteuses. 

Les matériaux utilisés comprennent les métaux, les plastiques, les résines, les céramiques, les composites, les biomatériaux, la cire, ainsi que le papier et la poudre. Les ingénieurs s'en servent pour développer des maquettes visuelles et fonctionnelles en amont de la production en série. Les fabricants qui cherchent à gagner du temps et à offrir de la valeur à leurs clients ne peuvent pas se permettre un prototype qui ne représente pas la pièce souhaitée ou qui tombe en panne sous la moindre charge. 

Des composites rigides aux plastiques usinables, chaque matériau de prototypage rapide répond à une étape spécifique du processus de développement produit. Le choix du matériau adéquat favorise non seulement les itérations de conception et la maîtrise des coûts, mais contribue également à susciter l'intérêt des parties prenantes. 

Grâce à l'analyse détaillée des matériaux présentée dans ce guide, vous découvrirez les options, les avantages et les limites de chaque catégorie. Cela vous aidera à choisir le matériau le plus adapté à votre prochain prototype. 

Qu'est-ce que le prototypage rapide?

Le prototypage rapide est une technique de fabrication qui permet de transformer rapidement une conception numérique en une pièce physique. Cette technique évite les délais et les coûts associés à l'outillage conventionnel. 

Le prototypage rapide comprend essentiellement cinq étapes ;

Étapes de prototypage rapide

Les procédés de prototypage rapide les plus courants comprennent la fabrication de tôles, l'usinage CNC, l'impression 3D et le moulage par injection avec un outillage à faible coût. Les fabricants utilisent des maquettes visuelles et fonctionnelles issues du prototypage rapide pour tester la forme, l'ajustement et la fonction. Il s'agit d'une étape importante avant la production en série. 

Avantages du prototypage rapide

Le prototypage rapide permet de concrétiser un concept. Il en résulte des avantages commerciaux tels que la rapidité de mise sur le marché, la maîtrise des coûts, la qualité, les tests et la validation, la personnalisation, la durabilité et une meilleure communication.

Prototypes métalliques

Les trois métaux les plus couramment utilisés pour le prototypage rapide sont l'aluminium, l'acier inoxydable et le titane. Prototypage métallique offre des avantages tels que la résistance à la chaleur, la durabilité et la robustesse. 

Voici comment chacun de ces métaux pour le prototypage rapide s'intègre aux projets. 

Prototypes en métal aluminium 

L'aluminium est un matériau de choix pour le prototypage rapide grâce à son excellente usinabilité, son coût relativement faible, sa résistance à la corrosion et son rapport résistance/poids élevé, pouvant atteindre 1.8. [3]

Prototype en aluminium

Les ingénieurs utilisent fréquemment des barres d'aluminium extrudé fabriquées selon les normes ASTM B221 pour garantir des tolérances dimensionnelles et des performances mécaniques constantes.2]

Prototypes métalliques en acier inoxydable

On utilise des prototypes en acier inoxydable lorsque la pièce doit résister à la corrosion, aux contraintes mécaniques répétées et, de manière générale, à des conditions difficiles. La résistance supérieure de l'acier inoxydable entraîne une usure plus importante des outils et un temps d'usinage plus long. 

Prototypes en métal titane 

Ces prototypes métalliques offrent des performances inégalées en matière de biocompatibilité, de résistance à la corrosion et de rapport résistance/poids. Ils sont couramment utilisés dans les secteurs de l'aérospatiale et du médical.

prototype médical en titane

Le titane étant relativement long et coûteux à usiner, il est compréhensible qu'il soit principalement utilisé pour les prototypes de validation. Les prototypes de phase initiale sont quant à eux usinés de préférence à partir de matériaux moins onéreux, plus abordables et plus faciles à usiner. 

Prototypage plastique

Les cinq options les plus utilisées dans prototypage de produits en plastique sont le polycarbonate (PC), le polyméthacrylate de méthyle (PMMA), l'acrylonitrile butadiène styrène (ABS), le polypropylène (PP) et le polystyrène (PS). [4]

Il existe deux raisons pour lesquelles les plastiques sont les matériaux les plus courants dans le prototypage rapide : leur disponibilité en plusieurs qualités et leur facilité d’usinage. 

Prototypage en polycarbonate (PC)

L'une des propriétés les plus remarquables du PC est son excellente résistance aux chocs. De plus, ce matériau est naturellement transparent et offre des performances exceptionnelles sur une large plage de températures de fonctionnement (-30 °C à 120 °C).5]

Prototypage en plastique de polyméthacrylate de méthyle (PMMA)

Il s'agit d'un matériau acrylique semblable au verre, souvent utilisé comme substitut du verre dans le prototypage plastique. Il offre une excellente transparence. Bien qu'il soit peut-être plus fragile que le polycarbonate, sa bonne résistance aux intempéries et aux UV le rend adapté au prototypage rapide en extérieur. 

Prototypage en plastique ABS (acrylonitrile butadiène styrène)

prototype en plastique ABS

L'ABS est un matériau de prédilection des fabricants pour les prototypes fonctionnels en raison de son usinabilité remarquable, de sa résistance et de son rapport coût-efficacité. À l'instar du PC, l'ABS présente une bonne résistance aux chocs. Ce matériau économique est également facile à usiner et à imprimer en 3D. Ajoutez à cela une finition de surface uniforme. 

Prototypage en plastique polypropylène (PP)

Le polypropylène possède une haute résistance à la fatigue, essentielle à la fabrication de systèmes d'encliquetage et de charnières intégrées. Sa bonne résistance chimique est également importante pour le prototypage rapide de pièces destinées à des environnements difficiles. L'un des problèmes liés à ce plastique serait sa stabilité dimensionnelle inférieure à celle du PC ou de l'ABS. 

Prototypage en polystyrène (PS)

Grâce à son faible coût et à sa facilité de mise en œuvre, le PS est un matériau idéal pour les prototypes de concepts initiaux. Sa fragilité le rend inadapté aux applications de validation mécanique. Les ingénieurs privilégient donc son utilisation dans les projets d'ajustement et de mise en forme. 

Propriétés typiques des plastiques de prototypage courants

Le tableau suivant met en évidence les propriétés typiques des plastiques de prototypage courants. 

[4]

Résines pour le prototypage rapide

Les résines offrent des tolérances serrées et des finitions de surface exceptionnelles, impossibles à égaler avec les métaux ou les plastiques. Que ce soit par DLP ou SLA, voici les raisons spécifiques pour lesquelles un fabricant peut opter pour les résines en prototypage rapide :

• Exigence de modèles visuels détaillés
• Haute précision dimensionnelle et finition de surface soignée
• Exigences relatives aux formulations spéciales – standard, flexibles, coulables et autres

Cependant, les résines utilisées pour le prototypage rapide ne conviennent pas aux prototypes fonctionnels en raison de leur sensibilité aux UV et de leur fragilité.

Céramiques pour le prototypage rapide

La céramique est un excellent matériau pour les prototypes lorsque la conception doit répondre à des exigences d'isolation et de résistance à des températures extrêmes. Sa limite de température est supérieure à celle que peuvent supporter la plupart des plastiques ou des métaux. 

Les prototypes en céramique ne sont pas la meilleure option si vous recherchez une résistance mécanique. 

Prototype en céramique

Composites pour le prototypage rapide

Les matériaux composites sont résistants et rigides, mais moins lourds que le métal massif. Les options pour prototypage en fibre de carbone et d'autres applications de prototypage rapide sont les mélanges de carbone haché/polyuréthane, le nylon renforcé de fibres de carbone et les polymères chargés de billes de verre/fibres de verre ;

• Mélanges de carbone haché/polyuréthane
• Nylon renforcé de fibre de carbone
• Polymères chargés de billes/fibres de verre

prototypage en fibre de carbone est particulièrement recommandé pour les prototypes légers et à haute résistance. 

Matériaux biologiques pour le prototypage rapide

Les biomatériaux sont de plus en plus utilisés dans le prototypage rapide. Leur principal avantage réside dans leur impact environnemental réduit. 

Quelques caractéristiques des biomatériaux dans le prototypage rapide :

• Idéal pour les maquettes conceptuelles
• Empreinte environnementale inférieure à celle des plastiques à base de pétrole
• Faible résistance mécanique et résistance à la chaleur 

Le PA et le PLA biosourcés sont des exemples de biomatériaux. 

Cire pour prototypage rapide

La cire est un matériau indispensable à la fabrication des modèles de fonderie à cire perdue. Ses principaux atouts en tant que matériau de prototypage rapide résident dans sa combustion propre et l'excellente finition de surface qu'elle offre. Cependant, la fragilité de la cire exclut ce matériau pour les prototypes fonctionnels. Mais nous sommes tous d'accord pour dire qu'il permet de fabriquer rapidement des pièces métalliques coulées. 

Papier et poudre pour le prototypage rapide

Le rôle de ce matériau dans le prototypage rapide est limité, mais il est néanmoins présent. Il constitue un moyen rapide et économique de réaliser des maquettes visuelles pour les premières étapes du prototypage. La résistance mécanique de ces maquettes étant limitée, elles ne conviennent pas aux prototypes fonctionnels.

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Avantages et inconvénients des matériaux de prototypage rapide 

Le tableau suivant met en évidence les avantages et les inconvénients du prototypage rapide pour différents matériaux, allant d'une résistance élevée à un coût élevé pour les métaux, et d'un impact environnemental moindre à une faible résistance pour les biomatériaux. 

Considérations relatives au choix des matériaux pour le prototypage rapide 

Il convient de prendre en compte les facteurs suivants lors du choix d'un matériau au stade du prototypage : rapidité, fonctionnalité, coût, finition de surface, exposition environnementale et contraintes mécaniques.  

• Speed – La rapidité d’approvisionnement, d’usinage, d’impression ou de moulage par injection d’un matériau est l’un des facteurs déterminants du nombre d’itérations de conception qu’une équipe peut effectuer.  
• Fonctionnalités – Si l'apparence du prototype est cruciale, le matériau doit également reproduire les performances réelles de la pièce une fois la production terminée. 
• Prix Les coûts des matériaux et de la transformation doivent être adaptés à la finalité du prototype. Il est généralement inutile d'utiliser un matériau de qualité industrielle au stade du prototype. 
• Finition de surface Certains prototypes peuvent nécessiter un aspect proche de celui d'un produit fini, tandis que d'autres non. Si le responsable de l'évaluation ou la partie prenante exige le prototype, il est préférable d'insister sur l'utilisation de matériaux permettant d'obtenir une finition de surface équivalente. 
• Exposition environnementale Les produits chimiques, l'humidité, la salinité et d'autres facteurs similaires caractérisent les conditions réelles. Le matériau prototype doit pouvoir résister à ces conditions, le cas échéant. 

Les conditions environnementales sont importantes

• Stress mécanique L’utilisation concrète d’un prototype implique son exposition à des contraintes mécaniques. Le matériau d’un prototype fonctionnel doit répondre à ces exigences. 

Sélection des matériaux pour le prototypage rapide en fonction de l'objectif : une analyse tabulaire

Le tableau ci-dessous met en évidence les matériaux de prototypage rapide recommandés en fonction de l'objectif visé. 

*Choisissez du PC ou du titane plutôt que des matériaux à usage unique si vos pièces nécessitent une validation à la fois mécanique et thermique. 

Procédés de prototypage pour différents matériaux

Les principaux procédés qui déterminent la rapidité et le coût d'un prototype sont l'usinage CNC, le moulage par injection, l'impression 3D et la fabrication de tôles. Dès lors, comment ces méthodes s'articulent-elles avec les matériaux utilisés pour le prototypage rapide ?  

Usinage CNC

L'usinage CNC est une méthode fiable pour le traitement des matériaux de prototypage rapide grâce à sa grande compatibilité avec une large gamme de matériaux. Il est également relativement rapide, répondant parfaitement aux exigences de rapidité du prototypage. 

Les étapes de prototypage par usinage CNC sont les suivantes :

• Étape 1: Conception
• Étape 2Production de fichiers 3D
• Étape 3Identification du processus CNC spécifique – tournage, fraisage, perçage, etc.
• Étape 4Programmation CNC
• Étape 5: Prototypage 
• Étape 6: Test 

Usinage de prototypes CNC

Moulage par Injection 

Le moulage par injection est une méthode de validation des pièces en plastique en vue d'une production en grande série. Il est principalement utilisé pour tester les performances de moulage et la qualité des matériaux destinés à la production. L'outillage de prototypage est généralement moins coûteux que l'outillage de production. Il peut être fabriqué en aluminium. 

Impression 3D

L'impression 3D séduit par sa rapidité et sa capacité à gérer des géométries complexes sans outillage spécifique. Elle convient à une large gamme de plastiques, de composites et de résines. Bien que certains composants imprimés en 3D puissent atteindre des performances mécaniques de niveau industriel, les fabricants optent généralement pour l'impression 3D à des fins de prototypage rapide. 

Fabrication de tôle

Fabrication de tôles

La fabrication de tôles en prototypage est utile pour des composants tels que les boîtiers, les panneaux et les supports. Comme pour la production de pièces finales, des procédés tels que la découpe et le pliage sont utilisés. 

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Tendances futures des matériaux de prototypage rapide 

L'écart entre le prototype et la pièce finale se réduit grâce aux progrès de la science des matériaux. Résines flexibles, plastiques biodégradables, composites modernes, et Des conceptions plus légères et des prototypes durables caractérisent la prochaine génération de matériaux de prototypage rapide. 

• Résines flexibles – L’impression DLP et SLA se caractérise par sa fragilité, mais les résines modernes sont plus flexibles. 
• Plastiques biodégradables – Face à la pression croissante en matière de développement durable, des plastiques biodégradables plus résistants et plus résistants à la chaleur sont de plus en plus disponibles dans le secteur manufacturier. 
• Composites modernes – L’écart entre les prototypes et les pièces de production est désormais plus faible grâce aux formulations modernes de polymères chargés et de fibres renforcées. 
• Des conceptions plus légères et des prototypes durables – De manière générale, les matériaux de prototypage rapide sont de plus en plus adaptés aux tests fonctionnels, les conceptions plus robustes avec des rapports résistance/poids plus élevés devenant de plus en plus courantes.

Conclusion 

Le matériau utilisé peut influencer l'apparence et les performances du prototype. La rapidité d'itération et la ressemblance avec la pièce finale sont étroitement liées à ce choix. L'aluminium, l'acier inoxydable et d'autres métaux offrent la résistance mécanique nécessaire aux prototypes fonctionnels. Les plastiques tels que le PS et l'ABS présentent un excellent compromis entre usinabilité et coût. Les ingénieurs privilégient les résines et les composites pour les projets de haute précision et les applications spécifiques. 

En résumé, il existe de nombreuses options, et vous devez adapter la fonction du prototype au choix du matériau. Lorsque vous prévoyez de passer d'une idée à une pièce, notre services de prototypage rapide Nous vous conseillons sur le choix des matériaux et bien plus encore. Téléchargez votre fichier de conception et vous recevrez un devis gratuit sous 24 heures. 

Ressources 

[1]https://irp-cdn.multiscreensite.com/c0227285/files/uploaded/Polycarbonate%20Sheet%20Extruded%20-%20clear%20Edited.pdf

[2]https://store.astm.org/b0221m-13.html

[3]https://www.researchgate.net/publication/327805143_Failure_predictions_in_warm_forming_of_7075-T6_aluminum_structural_parts

[4]https://kunststoff-profi.de/en/materials/

[5]https://www.directplastics.co.uk/data-sheets