Impression 3D et assemblage de faisceaux de câbles

Jan 07, 2024

Les fabricants de harnais peuvent imprimer en 3D des connecteurs de haute qualité à des niveaux de production à la demande avec la machine H350. Photo publiée avec l'aimable autorisation de Stratasys Ltd.

Fabriqués en plastique, ces blocs blancs sont des supports qui maintiennent les connecteurs en position lors de l'assemblage du harnais. Photo publiée avec l'aimable autorisation de HP Inc.

Le fabricant de faisceaux de câbles Cesar-Scott Inc. imprime en 3D des supports de connecteurs, des interrupteurs, des gabarits, des fixations, des protections de sécurité pour machines et des pièces de rechange. Photo courtoisie Cesar-Scott Inc.

Sur cette photo, les connecteurs de harnais usinés CNC reposent sur leurs connecteurs d'accouplement imprimés en 3D, qui sont utilisés pour les tests de conductivité. Photo avec l'aimable autorisation d'Electrex Inc.

TE Connectivity a conçu et imprimé en 3D ce support de montage pour ses connecteurs D369 à la demande d'un constructeur aéronautique. Photo publiée avec l'aimable autorisation de Stratasys Ltd.

Pendant des années, les fabricants de harnais n'ont utilisé l'impression 3D que pour les gabarits et l'outillage de base, les applications de prototypage ou les connecteurs nécessaires pour effectuer des tests de continuité des harnais finis. Aujourd'hui, cependant, les fournisseurs d'imprimantes 3D ont introduit des machines qui permettent aux entreprises d'imprimer de manière économique une large gamme de connecteurs et de fixations.

"Pouvoir personnaliser les composants de harnais que nous imprimons en 3D est un grand avantage, mais il y en a d'autres aussi, comme la correction des défauts et la finition plus rapide des projets", reconnaît Tim Buhler, directeur des services d'ingénierie chez Electrex Inc., qui a fait du fil harnais pour véhicules hors route et camions spécialisés sur route depuis la fin des années 1970. "La nécessité d'améliorer la qualité de notre faisceau était la principale raison pour laquelle nous avons commencé à imprimer des pièces en 3D, y compris des montages de test, des pinces pour fixer les fils aux cartes et des supports qui aident les assembleurs à localiser, orienter et identifier les connecteurs sur le faisceau."

L'impression 3D a également permis à Electrex d'aider ses clients. L'année dernière, par exemple, la société a imprimé un connecteur unique qui effectue des tests fonctionnels et de continuité des harnais pour un client prioritaire qui fabrique des tracteurs. Cela a augmenté la qualité des harnais.

Jusqu'à récemment, seuls les fabricants de secteurs établis comme l'automobile et l'aérospatiale utilisaient l'impression 3D à leur avantage. Maintenant, les fabricants de harnais font de même, et le moment ne pourrait pas être meilleur, à la lumière des problèmes de chaîne d'approvisionnement affectant la fabrication.

Les avantages traditionnels de l'impression 3D, tels que les économies de temps et d'argent, ainsi que la plus grande liberté de conception et la flexibilité des matériaux, séduisent autant les assembleurs de harnais que les autres fabricants. Mais la fabrication additive permet également aux assembleurs de harnais d'être moins dépendants des fournisseurs de composants tiers au quotidien.

D'après Allen Kreemer, ingénieur d'applications commerciales chez Stratasys Ltd., l'époque où l'on utilisait l'impression 3D uniquement pour fabriquer des prototypes de connecteurs est révolue. Il dit que les fabricants de harnais peuvent désormais produire des connecteurs de haute qualité à des niveaux de production à la demande, grâce à la machine Stratasys H350, qui a été introduite en juillet 2021.

"La technologie de pointe utilisée par le H350 est en préparation depuis près de 15 ans, en commençant par des travaux de recherche effectués à l'Université de Loughborough au début du siècle", explique Kreemer. "Mais ce n'est qu'au cours des dernières années qu'il est devenu prêt à être utilisé dans les faisceaux de câbles et d'autres marchés. Ceux-ci incluent les industries de l'automobile, des produits blancs, de l'électronique, de l'équipement lourd et des véhicules de loisirs."

La clé du H350 est sa technologie Selective Absorption Fusion (SAF), note Alec Logeman, ingénieur d'applications commerciales chez Stratasys. SAF utilise un rouleau contrarotatif pour appliquer des couches de poudre sur un lit d'impression avant d'appliquer un fluide absorbant pour imager les couches de la pièce. Les couches sont ensuite fondues et fusionnées en faisant passer une lampe infrarouge sur toute la portée du lit d'impression.

Le fluide est appliqué par des têtes d'impression piézoélectriques de qualité industrielle sur des zones prescrites pour créer chaque section transversale de pièce. Le processus est toujours effectué dans la même direction sur le lit d'impression pour fournir une expérience thermique uniforme et une cohérence des pièces, quel que soit leur emplacement dans la fabrication.

"Les fabricants peuvent imprimer des connecteurs personnalisés de n'importe quelle forme avec le nombre de broches qu'ils souhaitent", explique Logeman. "Le corps du connecteur imprimé remplace celui qui est généralement moulé par injection, et les broches sont insérées dans un processus séparé.

"Sur le H350, sa grande enveloppe de travail (315 sur 208 sur 293 millimètres) permet à une entreprise d'imprimer en 3D jusqu'à 200 connecteurs standard de type Molex à trois broches en seulement 13 heures", poursuit Logeman. « Près de 400 connecteurs plus petits peuvent être imprimés dans le même espace. Le volume de production varie selon l'utilisateur final, mais l'imprimante est rentable, que l'entreprise imprime des milliers de connecteurs par semaine ou par an.

Avec le H350, Stratasys utilise un matériau en poudre certifié par un tiers, le PA11, plutôt qu'une résine ou un filament. Le PA11 est un plastique biosourcé composé de matières premières renouvelables dérivées d'huile de ricin durable.

"Pour obtenir les meilleures pièces de production lors du passage à l'impression 3D, envisagez d'utiliser la conception pour les pratiques de fabrication additive", recommande Kreemer. "La mise en œuvre de ces stratégies lors de l'ajustement de conceptions existantes peut entraîner la fabrication de pièces plus rapides, moins chères et meilleures."

Les assembleurs utilisent divers types d'accessoires pour monter un faisceau de câbles sur une carte lors de l'assemblage. Un type est un support ou un couvercle en plastique dans lequel chaque connecteur est inséré.

Isabel Sanz, responsable du développement commercial pour la région AMS pour HP Inc., affirme que les modèles Jet Fusion 5200 et 5210 de HP sont parfaits pour les supports de connecteurs d'impression 3D. Les deux machines utilisent la technologie Multi-Jet Fusion (MJF) pour la production à haut volume.

MJF comprend une unité de construction amovible avec une tête d'impression qui pulvérise un agent de fusion en un seul passage sur une surface de poudre (PA11 ou PA12) sous la forme d'une couche bidimensionnelle (0,003 pouce d'épaisseur). Les lampes infrarouges chauffent et fusionnent ensuite la poudre, avant qu'une autre couche de poudre ne soit déposée, et le processus se répète.

Chaque imprimante dispose d'une enveloppe de travail de 15 x 11 x 15 pouces et d'un système de jets qui dépose avec précision 30 millions de gouttes d'agent de fusion par seconde et par pouce. Au besoin, la tête d'impression peut appliquer un agent de finition sur les zones proches de la zone de fusion prévue pour éviter les fuites thermiques et améliorer les performances de la pièce. Cet agent produit également des caractéristiques telles que des bords arrondis pour éviter d'endommager les fils et les connecteurs lors de l'assemblage du faisceau.

« Les deux modèles peuvent imprimer jusqu'à 184 supports en un seul cycle d'impression, ce qui implique 11 heures d'impression, suivies de 36 heures de refroidissement », explique Sanz. "Nos tests et nos recherches montrent que les supports imprimés sur la série 5200 réduisent le délai de livraison de deux à six semaines, jusqu'à un jour. Les supports coûtent de 6 $ à 7 $ par pièce lorsqu'ils sont fabriqués à un rythme de 250 à 300 par jour. Cela représente une économie allant jusqu'à 75 % par rapport aux supports usinés CNC."

Electrex exploite une douzaine d'imprimantes 2D et 3D sur ses sites en Amérique du Nord (trois au Kansas, neuf au Mexique) pour produire une large gamme de pinces de serrage et de supports de connecteurs. Ses principales imprimantes sont les modèles Creality Ender 5 Plus fabriqués par Comgrow qui utilisent le processus de modélisation par dépôt de fusion (FDM). L'imprimante dépose un matériau de filament fondu (dans ce cas, de l'acide polylactique ou PLA, un polyester thermoplastique naturel) sur une plate-forme de fabrication couche par couche jusqu'à ce que la pièce soit terminée.

"Nous utilisons des imprimantes standard standard pour la majorité de nos pièces", note Buhler. "Ils mesurent jusqu'à 12 pouces carrés, la plupart des pièces mesurant moins de six pouces carrés et aussi petites qu'un pouce carré."

Le fabricant de faisceaux de câbles Cesar-Scott Inc. (CSI) s'appuie également sur des imprimantes 3D basées sur FDM pour produire des supports de connecteurs. Leurs imprimantes industrielles Atom (de TCC Print) fabriquent des pièces en PLA ou en acrylonitrile butadiène styrène (ABS) dans une enveloppe de travail carrée de 12 pouces.

Fondée en 1988, CSI fabrique des faisceaux de câbles depuis 1994 et des faisceaux de commutation depuis 2012. Ce type de faisceau alimente le module d'allumage électronique sur les cuisinières à gaz, les barbecues et les grils à gaz, et d'autres appareils.

« Depuis 2015, nous imprimons en 3D la plupart de nos prototypes de commutateurs, ainsi que des supports de connecteurs, des gabarits, des fixations, des protections de sécurité pour machines et des pièces de rechange », explique le propriétaire et cofondateur C. Gustavo Farell. "L'année dernière, nous avons construit près de 500 000 faisceaux, chacun comportant quatre ou cinq interrupteurs et de deux à 10 fils.

"Le principal avantage de l'utilisation de l'impression 3D, pour nous, est qu'elle accélère la vitesse de l'échec", poursuit Farell. "Ce que je veux dire par là, c'est que plus vite nous pouvons imprimer la mauvaise pièce, plus nous pouvons créer un moule efficace et rentable pour la bonne pièce à utiliser en production. En moyenne, il faut environ trois essais pour bien faire les choses ."

Farell dit que CSI imprime les supports en plusieurs couleurs pour correspondre à celles des connecteurs. Cela permet de s'assurer que l'assembleur place le bon connecteur dans le support et les bons fils dans le connecteur. Les couleurs incluent le blanc, le blanc transparent, le noir, le rouge, le bleu et le vert. La plupart des supports mesurent un ou deux pouces carrés, mais peuvent atteindre huit pouces carrés.

Certains commutateurs que CSI utilise dans ses harnais sont imprimés par un tiers et renvoyés. Selon Farell, ces commutateurs doivent être montés sur un circuit imprimé via le processus d'impression par stéréolithographie (SLA).

Ce processus et son équipement garantissent que les commutateurs répondent aux exigences de température et de résolution les plus élevées pour les approbations des agences. Les équipements bas de gamme ne répondent pas toujours à ces exigences. Le travail est effectué par plusieurs entreprises, ainsi qu'à l'Université du Texas au centre de technologie d'ingénierie 3D et de fabrication additive d'El Paso.

Les imprimantes H350 et Origin One de Stratasys peuvent imprimer en 3D des supports de connecteurs. Ce dernier modèle prend en charge des dimensions de pièces allant jusqu'à 192 x 108 x 370 millimètres et imprime des détails de moins de 50 microns.

Les matériaux tiers certifiés comprennent des résines industrielles, ainsi que des matériaux à haute température, en élastomère durable, à usage général et de qualité médicale. Le logiciel de photopolymérisation programmable d'Origin One orchestre avec précision la lumière, la température, les forces de traction et la pneumatique pour optimiser la qualité des pièces.

Les accessoires qui facilitent l'installation du faisceau de câbles peuvent également être imprimés en 3D. Ceux-ci comprennent des pinces, des supports, des supports de montage et des aides au routage.

Récemment, le spécialiste de la gestion des câbles HellermannTyton (HT) a engagé Fast Radius Inc. pour imprimer en 3D des aides au routage personnalisées que les travailleurs HT attachent aux faisceaux de câbles finis pour une installation facile dans les véhicules. La grande taille et la complexité des aides ont obligé les ingénieurs HT à diviser la conception en plusieurs sections plus petites, qui sont ensuite imprimées sur des machines HP Jet Fusion.

Ethan Fish, concepteur de produits chez HT, explique que Fast Radius a fourni plus de 3 000 sections pour la première série, en seulement six semaines. Les ouvriers de HT ont ensuite assemblé ces pièces en 1 235 pièces. Chaque section imprimée mesure près de 13 pouces de long, l'assemblage final faisant près de 46 pouces de long.

L'embauche de Fast Radius pour le projet a aidé HT à éliminer le coût initial de l'outillage et des essais de moulage par injection pour son client automobile. HT a également économisé près de deux mois sur le délai de réalisation du projet et près d'un million de dollars sur le coût total du projet.

Certains fournisseurs de composants préfèrent faire leur propre impression 3D. TE Connectivity, par exemple, a récemment conçu et imprimé en 3D un prototype de support de montage pour ses connecteurs D369 à la demande d'un fabricant aérospatial. Le support accouple correctement et solidement les connecteurs qui sont montés à l'intérieur des boîtiers d'avions.

En plus d'avoir besoin du support rapidement, le fabricant exigeait qu'il soit fait d'un matériau de qualité aérospatiale avec une précision de ± 0,002 pouce. Le titulaire devait également passer des tests de navigabilité et environnementaux conformes aux normes de l'industrie pour éviter les pannes dans diverses conditions de fonctionnement.

Les ingénieurs de TE Connectivity ont utilisé Stratasys Origin One pour le projet en raison de leur expérience passée. Les experts de Stratasys, quant à eux, ont travaillé avec Henkel Loctite pour développer un photopolymère ignifuge pour l'application.

Jim est rédacteur en chef de ASSEMBLY et possède plus de 30 ans d'expérience éditoriale. Avant de rejoindre ASSEMBLY, Camillo était rédacteur en chef de PM Engineer, Association for Facilities Engineering Journal et Milling Journal. Jim a un diplôme d'anglais de l'Université DePaul.