Réduction des coûts et personnalisation avec l'impression 3D SLS
Le passage stratégique de Labconco à l'impression 3D SLSLors de sa première réunion à Labconco en début d’année 2020, Brent Griffith a stupéfié l’auditoire en suggérant l’utilisation de l’impression 3D. Cette réunion portait principalement sur la fabrication d’un petit composant destiné au Logic Vue, un nouveau produit de Labconco qui devait initialement être fabriqué par moulage par injection. Cependant, étant donné que ce produit était nouveau et que les quantités de production n’étaient pas encore définies, il était envisageable que l’outil de moulage coûteux, valant plus de 15 000 €, ne produise que 100 pièces au cours de la première année. Cette perspective d’un coût élevé par pièce a incité le groupe à rechercher des solutions alternatives. Brent Griffith, ingénieur produits chez Labconco, a pris la parole lors de cette réunion en proposant : « Je pourrais plutôt imprimer cela en 3D et avoir, dès demain, le nombre de pièces que nous prévoyons de produire sur une année entière. » Sa proposition a laissé l’assemblée sans voix.
À cette époque, Labconco ne disposait pas d’imprimantes 3D en interne. M. Griffith est revenu le lendemain avec plusieurs versions du composant imprimées chez lui, grâce à ses propres imprimantes 3D. La rentabilité de l’impression 3D est devenue évidente.
Aujourd’hui, M. Griffith supervise un laboratoire en pleine croissance, équipé de trois imprimantes à frittage sélectif par laser (SLS) Fuse 1+ 30W, de la Fuse Sift, de la Fuse Blast, d’une imprimante stéréolithographique (SLA) Form 3L, ainsi que de plusieurs imprimantes à dépôt de fil fondu (FDM). Labconco produit une variété d’équipements de laboratoire pour de nombreux domaines, incluant les tests alimentaires, la pharmacie, l’oncologie et la médecine légale. Désormais, M. Griffith produit chaque semaine des centaines de pièces par impression 3D au lieu de recourir au moulage ou à l’usinage. L’impression 3D répond à des applications variées allant du prototypage à la pièce de rechange.
Remplacer, améliorer, augmenter : les applications de l’impression 3D chez Labconco
Capteur de remplissage SLS : remplacement d’un assemblage moulé par injection
La gamme de produits Glassware Washer de Labconco intègre des avancées technologiques de pointe commes des composants fabriqués par impression 3D. L’un de ces composants, un support pour capteur de remplissage, a pour objectif de prévenir les débordements. Dans une approche traditionnelle, ce composant aurait été produit par moulage par injection sous la forme de deux pièces distinctes, reliées par une goupille.
Cependant, Tim Grove, un ingénieur produits chez Labconco, a rapidement saisi le potentiel de l’impression 3D SLS pour réduire à la fois les coûts et les délais de fabrication. Il a revisité le support du capteur pour simplifier l’assemblage et réduire les coûts de production de pièces multiples. Dans le cadre d’une collaboration itérative avec M. Griffith, ils ont veillé à garantir le bon fonctionnement final du produit.
« Elle sort de l’imprimante avec la charnière immédiatement prête à l’emploi. Ce procédé permet donc de réaliser des économies et d’assouplir la production. Le Nylon 12 est un bon polymère qui nous convient parfaitement. Nous lui trouvons de nombreuses applications et obtenons des résultats époustouflants », explique M. Griffith.
Ce composant du capteur de remplissage est doté d’une charnière fonctionnelle que Tim Grove, ingénieur produits chez Labconco, a conçue après avoir vu l’échantillon standard en Nylon 12 Powder. Cette fonction permet d’imprimer la pièce en une fois au lieu de créer un assemblage en plusieurs parties, ce qui réduit le temps de travail et le coût des matériaux.
Comme l’équipe de développement de produits de Labconco a réussi à faire évoluer efficacement son installation d’impression 3D, de nombreux membres de l’équipe ont désormais accès à des technologies industrielles telles que les imprimantes SLS de la série Fuse. Selon M. Griffith, de nombreux départements de Labconco commencent à réfléchir à la manière d’intégrer l’impression 3D dans leurs processus de travail habituels afin de réduire les coûts, de gagner en flexibilité et de protéger leur chaîne d’approvisionnement.
Roue de soufflerie SLA : la solution quand un fabricant arrête la production d’une pièce
Ce composant utilisé dans le produit d’analyse des grains Kjeldahl de Labconco était autrefois commandé à un fournisseur externe, jusqu’à ce qu’il mette fin à sa production. M. Griffith a entrepris la rétroconception du composant, puis a créé un prototype en l’imprimant en Rigid 10K Resin sur la Form 3L quotidiennement pendant plus d’un mois. Cette approche a permis de constituer un stock de composants de remplacement, offrant une protection contre les problèmes de chaîne d’approvisionnement.
Dans le contexte de l’appareil d’analyse de grains Kjeldahl de Labconco, l’équipe travaillait en collaboration avec un sous-traitant externe pour la fabrication d’un composant crucial de la roue de soufflerie. Les quantités nécessaires étaient relativement faibles, mais le fournisseur a pris la décision d’interrompre la production de cette pièce, car l’outillage avait atteint la fin de sa durée de vie.
Cela a contraint Labconco à entreprendre plusieurs actions : la recherche d’un nouveau fournisseur, l’attente de la conception et de la fabrication d’un nouvel outil de moulage par injection, et la gestion des coûts élevés liés aux matériaux et à la main-d’œuvre.
« Nous avons essayé une douzaine de solutions différentes, mais aucune n’était en mesure de répondre à nos spécifications, notamment en ce qui concerne la compatibilité chimique. J’ai d’abord pris une copie et fait une rétro-ingénierie du composant, puis je l’ai optimisé et imprimé en Rigid 10K Resin », explique M. Griffith. « Après avoir testé sa résistance, nous avons décidé qu’il s’agissait de la meilleure solution. ».
Leur imprimante SLA grand format, la Form 3L, est arrivée à point nommé. Ils ont imprimé cette roue de soufflerie rétroconçue pendant 40 jours d’affilée pour reconstituer leur stock de pièces.
« Nous avons utilisé Rigid 10K Resin pour plusieurs composants. La compatibilité chimique correspondait à ce dont nous avions besoin pour les acides, en particulier pour l’acide sulfurique vaporisé. Le passage à la fabrication additive nous permet d’économiser des centaines d’heures, que nous passions auparavant à passer en revue les fournisseurs et les matériaux. Si cela ne suffit pas à vous prouver l’utilité de cette technologie, je ne sais pas ce qu’il vous faut », déclare M. Griffith.
Séparateur de roulement SLS : de 500€ à 20€ par pièce
Bien que certains composants puissent sembler relativement simples à produire, les méthodes de fabrication traditionnelles pour les créer peuvent engendrer des coûts élevés. Un sous-traitant avait proposé de fabriquer cette pièce, un séparateur destiné à empêcher les roulements d’entrer en contact, pour environ 500 € par unité. Cette pièce était destinée à un nouveau produit, et Labconco avait déjà démontré l’efficacité de son laboratoire d’impression 3D. M. Griffith a immédiatement entrepris l’impression du séparateur sur l’imprimante Fuse 1+ 30W, réduisant ainsi son coût à environ 45 €, soit seulement un dixième du prix demandé par un sous-traitant.
Cependant, cela ne s’arrête pas là. M. Griffith a appliqué les enseignements tirés de son expérience dans le cadre du programme de fabrication et de conception additives de l’Université d’État de Pennsylvanie, évoluant ainsi d’un simple remplacement de pièce vers une optimisation complète.
Il a utilisé la conception générative afin de minimiser les besoins en matériaux pour l’intégralité de la pièce, tout en préservant les fonctions de sécurité du séparateur de roulements. En une seule journée, il avait à sa disposition une conception optimisée, et Labconco a immédiatement commencé à réaliser des impressions 3D des pièces SLS en interne, à un coût d’environ 20 € par unité.
« L’impression 3D nous offre d’énormes avantages en termes de géométrie. En créant une version allégée d’une pièce ou en utilisant différentes techniques de conception, il est possible de combiner des composants de manière inédite. Nous pouvons tout produire en interne et économiser beaucoup d’argent », explique M. Griffith.
M. Griffith avait la possibilité d’imprimer cette pièce en créant une réplique exacte du composant usiné par un sous-traitant pour 500 €. Cependant, il a choisi d’appliquer les connaissances acquises dans le cadre du programme de fabrication et l’impression 3D à l’Université d’État de Pennsylvanie, et a entrepris une refonte de la pièce pour exploiter les possibilités géométriques offertes par l’impression 3D SLS. Le nouveau composant revient à environ 21 € pour Labconco, ce qui se traduit par d’importantes économies de plusieurs centaines d’euros et un délai d’exécution réduit à moins de deux jours.
Des pièces SLS à l’essai : moins de composants pour une meilleure fonctionnalité
Afin de faciliter la transition de Labconco vers un flux de travail hybride, qui intègre à la fois des tâches manuelles et des actionneurs robotiques, M. Griffith et son équipe ont élaboré des outils et des effecteurs sur mesure, puis les ont fabriqués en utilisant du Nylon 12 Powder grâce à leur ensemble d’imprimantes 3D de la série Fuse.
Les dimensions réduites et la faible consommation d’énergie des imprimantes 3D SLS de la série Fuse ont donné la possibilité à M. Griffith et à son équipe d’adapter progressivement leurs opérations SLS au fur et à mesure de l’expansion de leur gamme d’applications, couvrant ainsi des pièces SLS solides et résistantes dans divers domaines.
Labconco pousse l’excellence de ses tests des composants critiques utilisés dans l’une de ses armoires de sécurité biologique phares encore plus loin. Ces armoires jouent un rôle crucial dans la protection du personnel et des produits qu’elles abritent, en se basant sur des modèles de flux d’air et des filtres HEPA spécifiques. Pour garantir un niveau de performance optimal, les filtres subissent des tests et des processus de certification rigoureux avant d’être approuvés pour une utilisation.
Auparavant, ce processus de test dépendait largement de l’intervention humaine, ce qui introduisait une certaine variabilité et des limitations potentielles. Cependant, Labconco a opté pour une approche novatrice en tirant parti de la puissance des systèmes robotiques pour automatiser le scan précis de chaque filtre. Cette transition vers l’automatisation a nécessité la création d’outils et d’effecteurs personnalisés pour les bras robotiques chargés de réaliser les tests. Si l’on avait suivi les méthodes de fabrication traditionnelles, ce projet aurait été extrêmement coûteux et aurait pris des mois à être mené à bien. Compte tenu de la petite quantité de pièces requises, l’utilisation de l’impression 3D pour produire ces composants sur les imprimantes de la série Fuse a été une étape cruciale dans cette approche innovante.
Grâce aux pièces SLS fabriquées en interne à l’aide de la Fuse 1+ 30W, Labconco a obtenu des composants d’une résistance remarquable, tout en améliorant la précision et la fiabilité de ses tests de sécurité. Cette intégration de l’impression 3D a non seulement rendu les opérations plus efficientes, mais a également permis à Labconco d’assurer une sécurité et une performance optimales pour ses produits.
Produire en volume avec l’impression 3D SLS pour plus d’agilité
Labconco a été pionnière dans la fabrication de hottes. Cette catégorie de produits occupe désormais une place centrale dans son offre pour les secteurs chimique, pharmaceutique et agricole.
Labconco, initialement en utilisant le moulage par injection pour produire une butée mécanique limitant l’ouverture de la guillotine de la hotte, a rencontré des problèmes de flexibilité dans les modifications et les remplacements d’outils, ainsi que des défis liés à la chaîne d’approvisionnement. Pour résoudre ces problèmes, Labconco a opté pour l’impression 3D de ces butées sur sa Fuse 1+ 30W. Actuellement, M. Griffith fabrique régulièrement entre 50 et 100 de ces composants chaque semaine en utilisant la pourdre de Nylon 12 Formlabs.
« Si vous moulez cette pièce par injection, vous ne pouvez pas la modifier facilement. C’est heureusement assez rare, mais nous avons déjà eu par le passé des composants pour lesquels le choix du moulage par injection nous a coûté cher, parce que lorsque nous les avons reçus et utilisés, ils se sont cassés ou n’ont pas fonctionné comme prévu. Les ingénieurs sont désormais conscients que l’impression 3D de certaines pièces rend la rétro-ingénierie beaucoup moins fastidieuse et offre davantage d’options d’adaptation. Il n’est pas toujours possible d’attribuer une valeur monétaire à cela, et la fabrication additive présente d’autres avantages importants qui, à mon avis, sont souvent oubliés », déclare M. Griffith.
Un autre avantage de l’intégration de la technologie d’impression 3D en interne est la confiance qu’elle inspire aux jeunes employés qui commencent leur carrière. N’étant pas soumis à la pression de devoir commander un outil parfait, ils sont plus enclins à essayer d’autres choses ou à proposer de nouvelles idées. « Les jeunes ingénieurs n’ont pas les 20 ans d’expérience qui leur permettraient de regarder une pièce et de dire si elle va fonctionner ou pas. La possibilité d’imprimer en 3D et d’essayer des tas de choses sans craindre d’éventuelles erreurs les rend plus confiants », explique M. Griffith. « Nous voulons leur permettre de se concentrer sur la recherche de la meilleure solution à un problème donné, et l’impression 3D contribue à cela. »
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Chaque semaine, M. Griffith fabrique entre 50 et 100 de ces pièces en Nylon 12 Powder sur la Fuse 1+ 30W, ce qui lui permet de contourner les dépenses et les incertitudes associées à l’utilisation d’un unique outillage.
La simplicité d’utilisation des imprimantes SLS et SLA, telles que la Form 3L et la Form Cure L présentées ici, offre aux jeunes employés qui débutent leur carrière la possibilité de se familiariser avec les nouvelles technologies et de présenter de nouvelles propositions.
La Fuse Blast de Labconco vient compléter leur écosystème SLS
Avec une production régulière de plus de cent pièces SLS par semaine, les étapes manuelles de post-traitement, telles que le sablage et le nettoyage, exigeaient autrefois de nombreuses heures de travail. Ces heures auraient pu être consacrées à des tâches de conception et d’ingénierie plus cruciales. « L’entreprise souhaite que nous nous concentrions sur la recherche de nouvelles opportunités, la rétro-ingénierie des composants et la réduction des coûts, plutôt que de rester au bureau à nettoyer manuellement toutes ces pièces », explique Brent Griffith.
Ayant déjà acheté un système de sablage automatisé très coûteux, Labconco a ajouté la Fuse Blast pour compléter son écosystème Fuse SLS. Après une installation de dix minutes, M. Griffith a pu automatiser le nettoyage et le sablage de deux chambres de fabrication complètes de la série Fuse. « L’installation a été un jeu d’enfant… la Fuse Blast est presque de la même taille que notre système de sablage manuel. Si vous disposez d’un espace pour un système de sablage manuel, ce qui est le cas de toutes les entreprises qui utilisent le SLS, vous pourrez sans problème utiliser la Fuse Blast », explique M. Griffith.
Des pièces de meilleure qualité et plus performantes
Dès le début, les équipes de Labconco ont remarqué une différence dans le lissage de la surface et la qualité des pièces.
Les surfaces lisses et l’absence de résidus de poudre ont eu un effet inattendu sur les performances des pièces : les machines fonctionnent mieux lorsque leurs composants imprimés par SLS ont été nettoyés dans la Fuse Blast. « Nous avons en fait obtenu des performances légèrement supérieures sur certains des composants que nous fabriquions parce qu’ils étaient beaucoup plus propres, en particulier lors des premiers cycles de mise en service pour l’un de nos produits », explique M. Griffith.
Les résultats étaient pratiquement identiques à ceux obtenus avec leur autre système de sablage automatisé très coûteux. « Je ne peux pas dire que je remarque une grande différence entre les deux. [La Fuse Blast] est bien plus performante que nous le pensions », a poursuivi M. Griffith.
Moins de temps pour le post-traitement, plus de temps pour l’optimisation de la conception
L’automatisation de la Fuse Blast ne se contente pas de libérer le temps autrefois consacré au sablage manuel des pièces ; elle réduit également la période que M. Griffith et son équipe devaient passer sur la Fuse Sift. Jusqu’à présent, consacrer plus de temps à la Fuse Sift avait pour objectif de réduire la durée du sablage manuel. Désormais, la Fuse Blast effectue des cycles automatisés et produit des pièces propres, même si elles sont encore remplies de poudre lorsqu’elles sont placées dans le panier.
« Maintenant, je dois beaucoup moins me soucier de la quantité de poudre que je retire [avec la Fuse Sift], car je sais de quoi la Fuse Blast est capable. Dorénavant, il ne faut plus nettoyer les pièces dans la Fuse Sift pour accélérer le sablage. Et la petite quantité de poudre que nous pourrions récupérer en procédant à un dépoudrage minutieux dans la Fuse Sift ne vaut pas les coûts de main-d’œuvre supplémentaires qu’elle impliquerait », explique Griffith.
Pour une pièce fabriquée environ 50 fois par semaine, l’équipe de M. Griffith effectuait précédemment un sablage manuel et devait nettoyer trois trous par pièce à l’aide d’un cure-pipe. Grâce à la Fuse Blast, il peut maintenant programmer un cycle automatisé, s’éloigner, puis revenir après 20 à 30 minutes pour trouver un lot de pièces parfaitement propres. « La Fuse Blast est une machine phénoménale. Elle fait un travail fantastique pour dégager les trous, ce qui est probablement l’un des plus grands gains de temps pour nous », déclare M. Griffith.
Depuis sa première réunion où son audacieuse suggestion a stupéfié l’auditoire, M. Griffith a développé une analyse de rentabilité bénéfique pour les fabricants de toutes envergures. En exploitant l’impression 3D SLA et SLS en interne, on peut ouvrir de nouvelles possibilités commerciales, améliorer la qualité des produits, se prémunir contre les soucis d’approvisionnement et réduire les coûts.
