Impression 3D SLS vs moulage par injection : quand remplacer une pièce moulée par l'impression 3D ?

Pratiquement tous les objets en plastique de la vie courante, de la coque d'un téléphone au bouton de l'autoradio, sont fabriqués grâce à un procédé industriel de moulage par injection. Inventé à l'origine au XIXe siècle puis modernisé au milieu des années 1950, le moulage par injection consiste à faire fondre des granulés de plastique avant de les injecter sous pression dans un moule creux, où ils refroidissent et durcissent pour prendre leur forme finale.

Le moulage par injection reste aujourd'hui le procédé de fabrication plastique de référence, grâce à sa répétabilité, son faible coût par pièce et ses tolérances serrées, ainsi qu'à l'éventail de propriétés mécaniques accessible selon le polymère choisi. Le moule et la pression d'injection restant constants d'un cycle à l'autre, les tolérances sont resserrées et la précision dimensionnelle facilement garantie. Le procédé est automatisé pour réduire les coûts de main-d'œuvre, et chaque cycle reste court.

La création du moule, en revanche, est extrêmement coûteuse, généralement à quatre ou cinq chiffres. Cela rend le procédé rentable uniquement à partir de volumes élevés. Il faut généralement compter quatre à huit semaines entre la conception et la finalisation du moule. Aucune modification de design n'est possible une fois le moule réalisé, ce qui peut enfermer les fabricants dans la production de centaines de milliers de pièces identiques.

Ces dernières années, certains fabricants se sont tournés vers l'outillage rapide (rapid tooling) pour combler l'écart entre le prototypage et la production de pièces d'usage final, rendant le moulage par injection viable même à plus faible volume. De nouvelles méthodes d'outillage rapide, comme les moules imprimés en 3D ou en aluminium, sont désormais adoptées comme solutions transitoires ou pour de petites séries de production.

Historiquement, l'impression 3D n'était pas considérée comme une solution pour les pièces plastiques d'usage final, et restait cantonnée au prototypage et au design. Mais à mesure que les matériaux et les technologies d'impression 3D progressent, les propriétés optiques et mécaniques atteintes par l'impression 3D égalent désormais souvent les standards du moulage par injection. Avec les récentes améliorations du frittage laser sélectif (SLS), les fabricants intègrent cette technologie comme méthode complémentaire au moulage par injection.

Même après ces améliorations, une technologie SLS capable de rivaliser avec le plastique moulé par injection est longtemps restée hors de portée, sauf pour les plus grands fabricants. Elle nécessitait généralement un investissement à six chiffres et une emprise au sol importante, avec des exigences strictes en matière d'infrastructure. Avec la sortie de l'imprimante SLS de bureau de Formlabs, la Fuse 1, et de sa machine de post-traitement associée, la Fuse Sift, l'impression 3D de qualité industrielle est devenue accessible aux fabricants de toutes tailles. Aujourd'hui, avec l'imprimante Fuse 1+ 30W et le système de sablage Fuse Blast, une production abordable est à portée de main.

L'impression 3D SLS utilise un laser de forte puissance pour fritter des particules de plastique distinctes, une fine couche à la fois, jusqu'à former un ensemble fusionné. La résistance mécanique élevée des pièces finies fait du SLS une méthode valide pour la fabrication de pièces d'usage final. Grâce à la nature auto-portante du lit de poudre, les géométries complexes s'impriment facilement, et les pièces peuvent intégrer des caractéristiques difficiles à obtenir avec les procédés de moulage traditionnels.

La gamme Fuse rend économique l'impression de petites séries, puisqu'aucun outillage maître coûteux n'est nécessaire au préalable. Bien que le matériau coûte plus cher par pièce que le moulage par injection, pour les fabricants qui modifient fréquemment leurs designs ou n'ont besoin que de petites quantités à la fois, la gamme Fuse est souvent l'option la plus viable. De plus, les remises sur volume de poudre rendent la production de dizaines de milliers de pièces plus économique avec la gamme Fuse qu'avec un outillage traditionnel.

À mesure que les volumes de production augmentent vers une véritable production de masse, le moulage par injection peut rester la bonne solution, mais l'éventail des applications et des volumes de production où l'impression 3D SLS s'avère plus efficace s'est considérablement élargi, permettant aux fabricants de gagner du temps et de réduire leurs coûts.

Bien que la grande majorité des produits de consommation actuels soit fabriquée en masse, certains produits restent fabriqués en petites séries avec des cycles de production courts. Lorsque la demande est incertaine ou que la clientèle reste restreinte, produire par petites séries limite le risque de surproduction et de dépenses excessives en outillage avant que l'entreprise n'établisse un flux de revenus solide.

Étude de cas : ZapWizard

ZapWizard est un fabricant unipersonnel d'accessoires pour les produits Leatherman, comme des étuis personnalisables pour leurs multi-outils avancés. En seulement sept mois d'utilisation de l'écosystème Fuse, le fondateur Joshua Driggs a conçu, fabriqué et livré 3 600 produits d'usage final à ses clients. Imprimer en 3D des pièces d'usage final avec la gamme Fuse plutôt que de passer par le moulage par injection permet à ZapWizard de :

• Gérer l'ensemble de l'activité, de la conception à la fabrication, dans un garage résidentiel réaménagé
• Ne consacrer que trois heures par jour à l'entreprise
• Livrer des produits personnalisés sans passer par des prestataires externes ni changer d'outillage coûteux
• Lancer une activité de fabrication unipersonnelle sans infrastructure ni achat d'équipement lourd
• Éviter de s'engager sur un design unique, pour mieux réagir aux évolutions de la demande

Avant d'internaliser la gamme Fuse, Driggs avait évalué d'autres options de fabrication, comme la sous-traitance à l'étranger pour le moulage par injection, mais cela aurait limité sa capacité à faire évoluer ses designs. Une grande partie du succès de ZapWizard tient à la diversité des produits proposés et à la capacité de faire évoluer les designs en continu, ce que seule l'impression 3D SLS permet de rentabiliser. Il propose plus de 300 variantes et modèles d'étuis pour Leatherman, et conçoit souvent des pièces uniques pour les demandes spécifiques de ses clients.

« Il m'arrive de retravailler un design d'étui 15 fois avant de me fixer sur la version finale, en modifiant parfois seulement 0,1 ou 0,2 mm. Ce n'est possible que parce que je dispose de l'impression 3D SLS, pour réagir aussi vite et être proactif », explique Joshua Driggs.

ZapWizard s'appuie sur l'écosystème Fuse pour imprimer des centaines de pièces chaque mois. Ce flux de travail d'impression 3D SLS internalisé permet à l'entreprise de rester agile et de répondre aux nouvelles demandes clients, plutôt que de s'engager sur un seul design avec un outillage de moulage par injection coûteux.

La personnalisation est une tendance de fond aussi bien dans l'industrie des produits de consommation que dans le secteur de la santé. Un client est davantage disposé à investir dans un produit lorsque celui-ci est spécifiquement adapté à lui. Les exemples courants incluent des masques de ski pour skieurs et snowboarders de compétition, des guides chirurgicaux utilisés en chirurgie prothodontique, ou des écouteurs sur mesure conçus pour épouser parfaitement la forme de l'oreille d'un utilisateur.

La performance comme les résultats médicaux peuvent être améliorés lorsque l'équipement est conçu spécifiquement pour répondre aux besoins uniques d'une personne. Ce constat se vérifie particulièrement dans le secteur des prothèses. Chaque appareil et chaque pièce doit être aussi unique que le patient lui-même. Pour garantir un ajustement parfait qui corrige les déséquilibres de poids, de posture ou de blessure, les prothèses et orthèses doivent être réalisées sur mesure, à partir de scans ou d'empreintes de l'anatomie du patient.

Étude de cas : Custom Precision Technology (C.P.T.)

Chez Custom Precision Technology, le PDG Marco Garano a développé un nouveau flux de travail pour des prothèses imprimées en SLS, offrant un niveau inégalé de performance, de confort et de fonctionnalité. Le pied prothétique NOVA Foot est composé de plusieurs sections pour l'avant-pied, le médio-pied, le talon et la cheville. Chaque segment peut être personnalisé selon les besoins du patient. Ces sections hautement personnalisables sont imprimées sur l'imprimante Fuse 1+ 30W. Des semelles additionnelles au niveau de l'orteil et du talon, également imprimées sur la Fuse 1+ 30W, sont entièrement étanches et offrent adhérence et stabilité en environnement humide, comme sous la douche.

Le coût d'un moule d'injection pour fabriquer l'ensemble des pièces du NOVA Foot est estimé entre 50 000 et 60 000 € par pointure, pour un minimum de six pointures. Cela porterait le seul coût des moules pour six pointures à un minimum de 300 000 €, un montant prohibitif. L'impression 3D internalisée offre également une résilience de la chaîne d'approvisionnement, réduit les risques et garantit des délais rapides, aussi bien pour le prototypage que pour la production. De plus, les taux de renouvellement de la poudre avec le SLS minimisent le gaspillage. Actuellement, un seul pied NOVA Foot nécessite environ cinq heures d'impression sur Fuse 1+ 30W, et jusqu'à quatre prothèses peuvent être incluses dans une même fournée.

« Nous avons choisi l'impression 3D pour produire les pièces du NOVA Foot car nous gardons un contrôle total sur le processus de production. De plus, si nous devons modifier les pièces pour les personnaliser selon les besoins du patient, nous pouvons le faire sans supporter les coûts de modification des moules », explique Valentina Garano, responsable ventes et marketing chez Protosystem, la filiale de C.P.T. qui produit le NOVA Foot.

Le NOVA Foot a été testé aussi bien en salle de sport que dans la vie quotidienne, les utilisateurs saluant la fluidité de la marche en montée. La possibilité de personnaliser chaque composant sans surcoût permet de garder la prothèse abordable tout en restant hautement fonctionnelle pour chaque utilisateur.

La fabrication de transition, ou "stop-gap manufacturing", désigne une stratégie temporaire ou transitoire utilisée pour fabriquer des pièces le temps qu'une entreprise mette en pause sa méthode de production prévue ou définitive. Les raisons peuvent être une rupture de chaîne d'approvisionnement, un changement dans la commande d'un client, ou un problème de disponibilité de capital. À mesure que les technologies d'impression 3D deviennent plus aptes à produire des pièces d'usage final fonctionnelles et esthétiquement abouties, leur pertinence comme solution de transition s'impose auprès des grands fabricants.

Comme l'outillage de moulage par injection exige généralement un investissement initial important et un engagement sur la géométrie de la pièce, le choix du matériau et le calendrier de production, de nombreux fabricants utilisent désormais des pièces imprimées en 3D dans leurs produits d'usage final, le temps de différer leur engagement sur l'outillage pour des composants susceptibles d'évoluer, dont la demande reste incertaine, ou dont la chaîne d'approvisionnement pourrait être perturbée.

Étude de cas : Brose

Brose, fabricant et fournisseur international de composants automobiles, s'appuie sur l'impression 3D pour la fabrication de transition de pièces d'usage final lorsqu'une commande d'un client comme BMW, Volkswagen ou Mercedes comporte des composants nécessitant plus de temps avant de passer au moulage par injection. Lorsqu'un constructeur (OEM) demande une pièce ou une modification d'une pièce existante qui ne peut pas être outillée et produite en série assez rapidement, la division additive de Brose évalue si l'impression 3D est adaptée.

Pour l'assemblage de sièges de la BMW X7, l'équipe Brose a utilisé ses imprimantes SLS Fuse 1+ 30W et de la poudre Nylon 12 GF pour imprimer en 3D plus de 250 000 clips de siège, plutôt que d'attendre l'usinage d'un nouvel outillage de moulage par injection.

« Nous avons décidé de nous lancer avec Formlabs. Nous l'avons fait parce que la disponibilité des matériaux et la régularité des impressions se sont tellement améliorées que la technologie est désormais prête à apporter une réelle valeur dans l'industrie automobile. Nous avons prouvé que nous pouvions déployer des pièces comme nous le faisons actuellement sur la BMW X7 », explique Matthias Schulz, responsable prototypage sièges chez Brose North America.

Brose a imprimé plus de 250 000 de ces clips de siège destinés à être utilisés comme pièces d'usage final dans l'assemblage de sièges de la BMW X7, leur permettant de respecter les délais de livraison malgré un changement de plan de design de la part du client.

Au lancement d'une entreprise ou d'un nouveau produit, les variables de demande, d'approvisionnement, de frais généraux et de prix ne sont pas encore figées. C'est justement le processus de détermination de ces facteurs qui dissuade de nombreux entrepreneurs de se lancer. Ils ne peuvent pas se permettre de prendre le risque d'investir dans un outillage pour une série de production sans estimation fiable de la demande, mais jusqu'à récemment, le moulage par injection restait le seul moyen de créer des pièces plastiques avec la durabilité nécessaire à un usage sur le terrain. Passer par la conception du moule, sa fabrication et les délais d'expédition depuis l'étranger retarderait la capacité de ces jeunes fabricants à obtenir un retour client essentiel.

Pour ces start-up, entrepreneurs et innovateurs, l'impression 3D SLS offre un moyen de produire des pièces d'usage final sans le coût de l'outillage. Pendant qu'ils produisent en SLS, ils peuvent démarcher des investisseurs, recueillir des données de marché, améliorer et faire évoluer leur produit, et se constituer une base de clients.

Étude de cas : Ken Pillonel

Ken Pillonel, ingénieur et fondateur de la chaîne YouTube populaire Exploring the Simulation, a utilisé le SLS pour transformer une frustration courante en un nouveau produit à succès : un boîtier pour AirPods qui non seulement protège les écouteurs, mais permet aussi de les recharger via un connecteur USB-C plutôt que l'ancien connecteur Lightning. L'obsolescence programmée des produits de consommation et les obstacles à la réparabilité par l'utilisateur frustrent Pillonel depuis des années, et lorsqu'une solution accessible comme l'écosystème Fuse est devenue disponible, il a su qu'il serait possible de lancer une activité sans s'endetter lourdement ni s'engager trop tôt sur un design avec du moulage par injection.

« Les imprimantes Fuse restent les plus abordables du marché actuellement. Je me suis dit que ça coûtait à peu près le prix de quelques moules. Donc si j'avais dû sous-traiter quelques moules, ça m'aurait coûté le même prix que mon installation. Mais avec le SLS internalisé, j'ai un moyen de fabriquer des pièces pendant des années, et je peux créer un nombre infini de nouveaux designs. Donc si ce produit ne fonctionne pas, je peux simplement en essayer un nouveau et, avec un peu de chance, rentabiliser mon investissement plus tard », explique Ken Pillonel.

Avec plusieurs composants et des designs légèrement différents, l'outillage aurait été prohibitif. Avec l'impression 3D SLS, Pillonel peut lancer le produit et générer des revenus sans investissement initial important en outillage, puis faire évoluer le design à mesure que la demande change et que les clients font des demandes ou des suggestions.

Les fabricants de pièces de rechange créent des produits d'usage final qui fonctionnent comme des composants ou des ajouts à un produit existant du fabricant d'origine (OEM). Leur modèle économique dépend de leur capacité à anticiper les évolutions de production, afin d'ajuster leurs propres produits et de garantir une compatibilité continue. Cela peut entraîner de lourdes pertes lorsqu'un OEM sort une mise à jour ou arrête une gamme de produits : le fabricant de pièces de rechange se retrouve alors avec un outillage qui ne produit plus une pièce utilisable, et souvent un important stock de pièces déjà moulées destinées à la poubelle.

Étude de cas : Terra X

Terra X fabrique des accessoires pour vans et véhicules tout-terrain. Le succès de leurs premiers produits a attiré l'attention de l'un des OEM pour lesquels ils concevaient, Ram, et bien qu'ils soient désormais revendeurs officiels Ram, ils doivent continuer à faire évoluer leur gamme pour s'adapter aux nouveaux modèles Ram, ainsi qu'aux changements d'autres constructeurs.

L'impression 3D SLS leur donne la possibilité d'internaliser l'ensemble de leur processus, du concept au produit fini. Cette intégration verticale signifie que dès qu'un OEM annonce un changement ou un nouveau véhicule, Terra X peut adapter son design et disposer d'un nouveau produit en quelques jours seulement, garantissant à leurs clients de toujours trouver les produits dont ils ont besoin.

Support et fixation Terra X, produits en interne sur la Fuse 1+ 30W en poudre Nylon 12.

Lorsqu'un OEM arrête la production d'un produit ou d'un modèle donné, il doit continuer à stocker des milliers de pièces pour assurer le service après-vente des clients possédant encore des produits historiques et ayant besoin de remplacements ou de réparations. Si l'OEM ne crée et ne stocke pas suffisamment de ces pièces supplémentaires, de larges groupes de clients possédant encore ces modèles arrêtés se retrouvent souvent sans solution. Il est difficile pour un OEM de calculer précisément combien de pièces stocker : en cas de surestimation, il doit gérer le gaspillage et les problèmes de stockage ; en cas de sous-estimation, les clients se retrouvent mécontents. À mesure que les cycles de vie des produits s'accélèrent et que la demande client pour de nouveaux modèles augmente, la question de savoir comment créer suffisamment de pièces détachées, et où les stocker, devient de plus en plus centrale.

L'outillage ou le moule traditionnel utilisé pour créer ces produits peut servir à en créer des exemplaires supplémentaires, mais le fabricant ne pourra pas prédire précisément la quantité nécessaire. Cela peut entraîner des problèmes de gaspillage et de manque d'espace de stockage en cas de surestimation du besoin en pièces de rechange ou de réparation. En cas de sous-estimation, les clients se retrouvent avec des appareils irréparables et aucune pièce de rechange disponible. L'outillage ayant été mis au rebut, ou le procédé de fabrication n'étant plus possible, il n'existe aucun moyen de répondre parfaitement à la demande du marché en créant davantage de produits.

Étude de cas : Eaton

Sur le site d'Eaton à Olean, dans l'État de New York, 15 000 varistances à oxyde métallique (MOV) circulent chaque jour dans leur ligne de production à flux unitaire, guidées par une flotte complexe de machines tandis que la matière première est compressée, peinte, rectifiée en parallèle, soudée, testée et assemblée en produit fini : des parafoudres pour poteaux et postes électriques. Avec un tel volume, les machines et l'outillage nécessitent souvent des pièces de remplacement, mais attendre une nouvelle pièce de la part d'un usineur ou la commander auprès de l'OEM pourrait arrêter la production pendant plusieurs jours. À la place, Eaton produit en grand volume des accessoires de fabrication et de l'outillage pour maintenir sa ligne de production en marche.

Pour une étape de peinture sur la ligne d'assemblage, un racleur de peinture qui maintient propre un anneau de masquage métallique rotatif s'use rapidement. Avec des pièces de rechange imprimées en 3D disponibles sur place, l'équipe peut retirer immédiatement le racleur usé et maintenir la ligne d'assemblage en marche, sans interruption de production.

« Comme nous avons un tel volume de produits qui passent par la ligne, les pièces ont tendance à s'user. C'est là que les consommables de production deviennent un facteur important », explique TJ Zurell, ingénieur de fabrication senior chez Eaton (Olean).

Pendant le collerettage du verre, de la peinture s'accumule sur cet anneau métallique (masque) et doit être nettoyée pour ne pas se déposer sur les pièces. Un racleur d'anneau empêche cette accumulation de peinture.

Lors de la conception de produits aux designs complexes, le moulage par injection pose des défis au niveau de la conception du moule. Le moule maître devant présenter la géométrie adéquate pour laisser s'écouler librement les granulés fondus, tout en pouvant se désolidariser pour libérer la pièce, les possibilités de forme et d'écoulement restent limitées.

Le lit de poudre des imprimantes SLS étant auto-portant, les géométries complexes peuvent être fabriquées sans supports. Certaines caractéristiques, comme les formes organiques (souvent issues d'une optimisation topologique ou d'une conception générative), les porte-à-faux, les canaux internes et bien d'autres, ne sont possibles que sur une imprimante 3D SLS.

Étude de cas : Airion

Pour Airion, leur système AIRUS (Advanced Inflight Relief Universal System) n'était réalisable qu'avec l'impression 3D SLS. Le système AIRUS permet aux pilotes de chasse féminines de se soulager pendant le vol, garantissant leur sécurité et leur permettant de s'hydrater pendant toute la durée de leur mission. L'AIRUS est conçu de sorte que le liquide collecté dans la coupelle ajustée sur mesure ne puisse pas refluer et créer un inconfort ou des désagréments pour les pilotes. Cette fonctionnalité repose sur une caractéristique de conception interne qu'il serait impossible d'obtenir par moulage par injection.

« Nous avons devancé de grands noms de l'industrie de la défense pour remporter le challenge AFWERX, et nous avons pu livrer une meilleure solution, l'AIRUS (Advanced Inflight Relief Universal System), grâce à notre approche de conception et de test en cycle rapide. Cette approche n'a été possible que grâce à nos imprimantes 3D SLS », explique Colt Seman, cofondateur et PDG d'Airion.

Le Form Wash L est la machine de rinçage automatisée grand format conçue pour compléter les flux de travail SLA sur de très grandes pièces ou de gros volumes de petites pièces. L'équipe Global Sourcing de Formlabs a choisi d'utiliser plusieurs méthodes de fabrication pour les différents composants du Form Wash L, et pour certains d'entre eux, de changer de méthode en cours de route en fonction des coûts d'approvisionnement, des délais et de la géométrie des pièces.

Plusieurs pièces des unités de post-traitement Form Wash L et Form Cure L, produites sur les imprimantes SLS de la gamme Fuse en poudre Nylon 12.

Pour le cache aimant du capteur de saturation du Form Wash L, l'équipe Global Sourcing a envoyé les fichiers pour un chiffrage en moulage par injection. En raison d'un problème d'approvisionnement et d'un retard de livraison chez le sous-traitant habituel de Formlabs, le moule s'est révélé à la fois plus coûteux et beaucoup plus long à réaliser que d'ordinaire. Pour respecter le calendrier de production et honorer les commandes clients, Formlabs devait disposer rapidement de stock de Form Wash L, mais faire mouler la pièce en injection par un autre fournisseur aurait pris trop de temps.

Bien que le moule pour le cache aimant du capteur de saturation n'aurait coûté que 3 700 $, sa réalisation aurait pris plus d'un mois à partir du démarrage du calendrier de production, retardant potentiellement la livraison de l'unité complète. Le coût par pièce, main-d'œuvre comprise, pour l'impression des caches aimant sur la gamme Fuse n'était que de 2,20 $, une alternative moins coûteuse en dessous de 2 000 pièces. Comme seules quelques centaines d'unités de production étaient nécessaires pour honorer le carnet de commandes en attente, l'équipe Form Wash L a décidé de commander tout de même le moule tout en produisant les pièces avec la gamme Fuse en attendant.

Le graphique de comparaison des coûts montre le point d'équilibre à partir duquel le moulage par injection devient plus rentable, autour de 2 000 unités.

L'engrenage du plateau tournant du Form Cure L fait pivoter la plateforme de durcissement à la base de l'appareil. Il comporte un trou chanfreiné en son centre afin de bien maintenir la cheville du plateau tournant et de générer suffisamment de force pour faire tourner la plateforme.

Un moule d'injection aurait nécessité deux parties pour obtenir ce noyau, et un moule en deux parties coûte plus cher. Le devis estimé par le sous-traitant en moulage par injection s'élevait à 10 000 $.

L'impression 3D SLS de cet engrenage a permis aux concepteurs de regrouper le design en une seule pièce, pour un coût par pièce de seulement 3,50 $, ce qui plaçait le point d'équilibre du moulage par injection à des quantités proches de 8 000 unités. L'équipe a décidé d'imprimer la pièce sur la gamme Fuse, économisant plusieurs milliers de dollars et réduisant le coût du produit final.

L'impression 3D SLS s'est révélée plus pertinente et plus économique que le moulage par injection pour l'engrenage du plateau tournant du Form Cure L, jusqu'à des quantités de 8 000 unités.

Déterminer quand utiliser l'impression 3D SLS, le moulage par injection, ou les deux, peut s'avérer complexe. Des facteurs externes comme le prix du carburant pour le transport ou la disponibilité des matières premières, ainsi que des changements internes de design ou de flux de production, peuvent fausser le calcul du retour sur investissement.

Formlabs a créé un calculateur de ROI personnalisable pour lever une partie de cette incertitude. En choisissant une pièce SLS de référence et en personnalisant votre temps et coût de main-d'œuvre, vous pouvez visualiser le coût de production. En le comparant aux estimations d'outillage pour le moulage par injection, vous pouvez identifier le point à partir duquel il devient pertinent de basculer d'une technologie à l'autre.

Pour faire réaliser par l'équipe Formlabs une analyse approfondie du coût de votre pièce, incluant la main-d'œuvre et les remises sur volume de poudre, contactez l'équipe commerciale.