Imprimer en poudre Nylon 12 ses aides à la fabrication
Comment Productive Plastics améliore l'efficacité de son atelier grâce à des outillages imprimés sur la Formlabs Fuse 1 et la poudre de Nylon 12Productive Plastics, une entreprise spécialisée dans le thermoformage industriel, voit les choses en grand : ses machines sont de taille considérable, elle compte parmi sa clientèle des grandes sociétés, et elle gère d’importants volumes de production. L’entreprise peut être amenée à traiter des commandes de centaines de boîtiers de grande taille pour des entreprises du secteur des dispositifs médicaux figurant au classement Fortune 500, ou de milliers de composants d’accoudoirs pour l’industrie ferroviaire.
Les besoins de ses clients évoluent constamment, tandis que les équipements et la main-d’œuvre de Productive Plastics restent inchangés. Par conséquent, l’entreprise a dû optimiser tous ses processus afin de s’adapter à de nouvelles formes géométriques et à de nouveaux types de pièces y compris la création de prototypes. Pour ce faire, elle a développé une vaste gamme d’outils de fabrication en utilisant l’imprimante 3D à frittage sélectif par laser (SLS) Fuse 1.
Dans l’atelier de fabrication Productive Plastics
Le thermoformage est un processus de fabrication qui implique le chauffage et la mise en forme de feuilles de plastique pour obtenir la forme désirée. Il existe plusieurs méthodes différentes, parmi lesquelles les plus populaires sont le formage sous vide, le formage sous pression et le formage par des forces mécaniques. Productive Plastics possède six cellules de production, ce qui lui permet de gérer simultanément plusieurs projets. Chaque cellule est équipée d’une thermoformeuse industrielle, d’une fraiseuse CNC, d’une zone d’assemblage et d’un système informatique pour la gestion et le contrôle des opérations.
Ces six cellules fonctionnent en continu, en enchaînant les commandes de manière ininterrompue. Dustin Johnson, ingénieur en outillage, identifie et conçoit les dispositifs d’aide à la fabrication requis pour chaque commande. Par exemple, une tâche peut nécessiter la création d’un guide de perçage pour aider les techniciens à assembler deux pièces avec précision, tandis qu’une autre peut exiger une pièce de rechange pour réparer une machine défectueuse.
Avant l’acquisition de la Fuse 1, qui était leur première imprimante 3D, l’entreprise devait parfois fabriquer des socles en bois, sous-traiter la production de fixations personnalisées à des sociétés de moulage par injection, ou même renoncer à certains prototypes et estimer les espacements nécessaires. Selon M. Johnson, l’utilisation de la Fuse 1 a permis de réduire les coûts, d’augmenter la productivité et d’éviter les interruptions ou les retards. De plus, M. Johnson a commencé à concevoir des alternatives imprimées en 3D pour une utilisation finale dans les assemblages des clients. Kyle Davidson, directeur des ventes et du marketing chez Productive Plastics, explique que la capacité de produire en interne améliore la gestion des délais de production. Il est beaucoup plus simple de lancer une impression que de dépendre de pièces fournies par les clients ou des fournisseurs externes, ce qui contribue à accroître la rentabilité de l’entreprise.
Réduire les coûts avec des gabarits et fixations imprimés en 3D
Productive Plastics est spécialisé dans le thermoformage de forte épaisseur et utilise souvent des feuilles épaisses d’un alliage PVC/acrylique tel que le Kydex pour les composants finaux produits. Ces feuilles sont assez peu onéreuses, mais éviter le gaspillage en alignant correctement la taille des pinces, les pièces et les paramètres de moulage peut permettre à la société, et à ses clients, d’économiser des milliers de dollars.
Pour une pièce intérieure spécifique d’un wagon, les paramètres de moulage faisaient que les pinces étaient trop éloignées du moule. Une distance de 0,25 pouce (environ 0,6 cm) devait être maintenue entre le moule et le cadre de serrage d’une façon ou d’une autre, que ce soit en utilisant une fixation pour assurer cet espacement ou en choisissant une feuille plastique plus grande. Grâce au prototypage rapide, l’entreprise a pu rapidement concevoir, tester et optimiser diverses solutions pour résoudre ce problème de manière économique et efficace.
La fixation de serrage ( pièce gris clair) aussure l’espacement correct entre le moule (vert clair) et le cadre de serrage (structure métallique)
Opter pour une feuille de plastique plus grande aurait entraîné un surcoût par pièce et aurait généré davantage de déchets. En revanche, sous-traiter la fabrication de pinces sur mesure à une société externe aurait prolongé le délai de réalisation de deux à trois semaines. Toutefois, grâce à l’impression 3D et à la capacité de prototypage rapide en interne, Productive Plastics a pu concevoir et produire rapidement des fixations de serrage personnalisées. Cela lui a permis d’utiliser des feuilles de la taille optimale, ce qui a conduit à des économies financières, à une réduction des déchets et à l’évitement de tout retard dans la production.
Continuer à produire avec des pièces de rechange avec la poudre Nylon 12
Avec autant de clients et de commandes à livrer dans les temps, rien n’arrête la production. Sauf, bien sûr, une panne de la thermoformeuse sous vide. Lorsque la roue de la pompe d’une machine a cassé, l’équipe était censée attendre six à huit semaines pour recevoir une pièce de rechange. « Une société de thermoformage ne peut pas travailler sans pompe à vide. Nous ne pouvons pas fermer une cellule entière pendant six semaines, nous avions donc besoin d’une solution provisoire », explique M. Davidson.
Le fichier 3D de la pièce de rechange dans Solidworks. Les deux cotés présentent des zones positives et négatives ainsi qu’un alésage central, ce qui élimine les technologies utilisant des structures du support, telles que les potentielles solutions FDM et SLA.
Ils ont créé deux versions différentes d’une roue de rechange en utilisant le logiciel Solidworks, puis les ont produites grâce à une imprimante Fuse 1 en utilisant la poudre Nylon 12 Formlabs, le tout en une seule nuit. La roue nouvellement fabriquée a parfaitement fonctionné, s’adaptant parfaitement à la pompe à vide existante, ce qui a permis de remettre en marche la cellule de production. Le système d’impression 3D SLS, avec son lit de poudre autoportant, a permis de créer une pièce double face avec un alésage central, sans nécessiter de supports supplémentaires à retirer ou de post-traitement. La roue était prête à être immédiatement installée sur la machine existante.
Gros plan (à droite) et vue agrandie (à gauche) de la roue imprimée en 3D, qui s’intègre parfaitement dans la pompe à vide industrielle pour le thermoformage.
Gagner beaucoup de temps, quelques secondes à la fois, grâce à l’impression 3D des outillages
Les pièces subissent souvent des processus secondaires, tels que l’assemblage ou la finition, après leur formage initial. Ces étapes supplémentaires requièrent des outils et des procédures spécifiques, par exemple, le masquage manuel lors de la peinture. Dans le cas de cette pièce particulière, les techniciens devaient appliquer du ruban adhésif sur une surface en cuivre, puis marquer manuellement au pochoir l’endroit où le cuivre se terminait, afin que la peinture puisse être appliquée sur le reste de la pièce. Ce processus de délimitation manuelle manquait de précision et entraînait souvent des erreurs, des éraflures sur le cuivre ou nécessitait des retouches. En revanche, en utilisant un ou deux pochoirs imprimés en 3D, les opérateurs peuvent effectuer cette tâche de manière rapide et efficace.
« Même si l’on n’économise que 10 à 15 secondes par pièce, cela se traduit par des économies significatives sur l’ensemble du cycle de vie du produit », explique M. Johnson.
« Nous avions l’habitude de sculpter du bois pour faire cela à la main, mais c’était difficile et chronophage. Une pièce imprimée en 3D ne coûte que quelques dollars, et cela se fait facilement d’une main. »
Pendant la première étape, le ruban adhésif recouvre une grande de la pièce. Pendant la deuxième, la pièce imprimée en 3D sert de pochoir autour duquel un technicien découpera le reste du ruban adhésif, de sorte que la partie revêtue reste exemple de peinture, tandis que le reste de la surface est peint en noir.
Améliorer la communication client pour éviter les surprises
Lors du processus de conception, Productive Plastics collabore étroitement avec ses clients pour élaborer la pièce, définir le processus de thermoformage et déterminer le type de blocs qui seront fixés aux pièces lors de l’assemblage secondaire. Ces blocs, essentiels pour garantir l’intégrité structurelle ou les composants fonctionnels de l’assemblage, doivent s’ajuster de manière précise à la feuille thermoformée. Étant donné que des centaines voire des milliers de blocs peuvent être nécessaires, la moindre erreur peut avoir des conséquences financières considérables.
Auparavant, l’équipe avait pour habitude de créer des schémas des blocs, indiquant les dimensions et les tolérances requises, mais il était difficile de représenter avec précision les surfaces inclinées dans un dessin en deux dimensions. Cela entraînait souvent des erreurs de taille ou de forme des blocs. Ces blocs étaient généralement livrés juste avant le début du thermoformage, et lorsque des erreurs étaient découvertes, cela entraînait un arrêt complet du projet. En revanche, grâce aux capacités de production en interne avec l’imprimante 3D Formlabs Fuse 1, chaque client peut désormais obtenir des ensembles de blocs parfaitement adaptés, éliminant ainsi ces problèmes potentiels.
« Nous avons besoin de milliers de ces blocs, donc même si le diamètre est légèrement incorrect sur un simple bloc, c’est un gaspillage énorme et nous ne pouvons pas terminer le projet. Envoyer aux clients un produit physique ne nous coûte que quelques dollars et évite de produire des milliers de pièces incorrectes », explique M. Johnson.
Les blocs personnalisés imprimés en 3D sont utilisés au moment de l’assemblage fonctionnel d’une pièce thermoformée. Un bloc incorrect peut stopper net tout le cycle de production.
Améliorer l’efficacité de chaque cellule
Avec le volume important de commandes, la diversité des pièces à traiter, et les nombreuses étapes nécessaires dans chaque processus, l’activité chez Productive Plastics est extrêmement intense. Tout ce qui peut faciliter la communication entre les différents services a un impact considérable sur l’efficacité de l’équipe.
Pour suivre l’état des commandes, les manuels des machines, les enregistrements des aides à la fabrication et les pièces, chaque cellule dispose d’un système de surveillance informatique dédié. Malgré des tentatives précédentes pour intégrer des tablettes dans leurs systèmes informatiques, il était difficile de maintenir ces tablettes à la fois facilement accessibles et mobiles. Les boîtiers de protection industrielle des tablettes ne s’adaptaient pas aux supports standard, ce qui les conduisait souvent à être laissées sur une étagère ou sur un poste de travail déjà encombré. Dans ce contexte, M. Johnson a réussi à résoudre ce problème en démontant un support de téléphone conventionnel et en le modifiant pour concevoir quelque chose de plus grand, capable de se fixer solidement au boîtier industriel de la tablette et de s’attacher fermement à un panneau de bois.
« Cela nous a permis de nous assurer que les tablettes restent mobiles, tout en étant facilement accessibles au meilleur endroit pour nos opérateurs. Nous n’avons rien trouvé sur le marché pour moins de 300 dollars, mais je les ai imprimés pour 30 dollars sur la l’imprimante 3D Formlabs Fuse 1, et nous en avons monté quelques-uns dans chaque cellule », explique M. Johnson.
Le support de tablette conçu sur mesure permet de la fixer sur le mur et de la télécharger pour se déplacer avec elle dans la cellule
Assurer une production à plein régime
Après avoir terminé le processus initial de thermoformage, les opérateurs doivent effectuer divers processus secondaires, tels que la fixation de blocs sur la pièce en vue de l’assemblage, la découpe de la pièce ou la préparation pour le client. Lorsque les blocs sont fixés à la pièce moulée, Productive Plastics s’engage à maintenir une tolérance de 0,03 pouce (environ 0,76 mm). Il était donc essentiel d’avoir une méthode de mesure permettant de vérifier avec précision que chaque bloc était correctement fixé.
Auparavant, l’équipe renonçait aux guides de mesure et se fiait à des approximations visuelles, ou utilisait des blocs de bois collés puis usinés aux bonnes dimensions. Ces deux méthodes se révélaient fastidieuses, ralentissant le processus et entraînant des erreurs nécessitant des corrections. Cependant, grâce à l’ingénierie de M. Johnson, un gabarit de positionnement prototype a été conçu pour indiquer précisément où fixer les blocs sur la pièce thermoformée, permettant ainsi aux opérateurs de réaliser cette tâche correctement en quelques secondes seulement.
« Nous avons plusieurs ensembles de gabarits utilisés en parallèle, ce qui nous permet de maintenir une production à plein régime. Ils nous ont permis d’améliorer la précision du positionnement des blocs et de récupérer le temps autrefois passé à rogner ou à usiner les blocs », explique M. Davidson.
Deux blocs (logue barre argentée et barre gris foncé plus courte) doivent être attachés au boitier de dispositif médical (pièce moulée noire, photo de gauche). Les deux gabaris de positionnement (pièces gris clair avec des boutons à gauche et à droite) indiquent précisemment à l’opérateur où les fixer, ce qui permet de gagner du temps et assurer un positionnement correct.
Autres utilisations finales avec la poudre Nylon 12 Formlabs
Lorsque Productive Plastics a été confronté à des difficultés pour se procurer un composant spécifique en raison de retards dans sa chaîne d’approvisionnement l’année dernière, M. Johnson a pris l’initiative de tester l’impression 3D d’un petit composant prototype qu’ils recevaient habituellement d’un mouleur par injection. Ce composant est destiné à être utilisé dans des établissements de soins pour couvrir toute ouverture d’une machine lorsqu’elle n’est pas connectée à des perfusions intraveineuses ou d’autres systèmes de distribution de fluides. En utilisant la poudre Nylon 12 sur la Fuse 1, M. Johnson a réussi à recréer de manière parfaite le composant qui était traditionnellement fabriqué par injection. Bien qu’une validation réglementaire spécifique soit nécessaire pour son utilisation dans un environnement médical, l’équipe a pu le présenter au client comme une alternative viable en cas de problèmes d’approvisionnement, offrant ainsi une pièce de rechange imprimée en 3D.
Le bouchon imprimé en poudre Nylon 12 sur la Fuse 1 est une alternative fabriquée en interne à un composant moulé par injection.
Créer une bibliothèque numérique d’aides à la fabrication pour l’avenir
Lorsque les commandes clients impliquent la fabrication de centaines voire de milliers de pièces, chaque petit détail devient crucial. Si l’équipe d’assemblage peut économiser 10 secondes par pièce en utilisant un gabarit de positionnement pour fixer les blocs, ou si une machine peut continuer à fonctionner grâce à une pièce de rechange imprimée en 3D, cela se traduit par une optimisation des opérations et une plus grande efficacité. L’utilisation de la Fuse 1 et de la poudre Nylon 12 permet à M. Johnson non seulement de résoudre non seulement les problèmes existants, mais aussi d’améliorer préventivement les processus grâce au prototypage. Ces avantages se répercutent sur les clients, car le coût des pièces diminue, ce qui contribue également à leur satisfaction globale.
« Les opérateurs viennent me voir en disant qu’ils ont cassé une pièce ou en demandant si quelque chose peut être amélioré, et j’y travaille avec l’imprimante. J’ai gagné énormément de temps », déclare M. Johnson. L’équipe a pu améliorer la productivité globale en travaillant de manière proactive sur des points de l’atelier où des goulots d’étranglement ou des réparations pourraient ralentir les processus. Bien qu’elle soit leur première imprimante 3D, la Fuse 1 a offert à Productive Plastics de toutes nouvelles possibilités de production.
