Juillet 2010



Usinage CNC de pièces prototypes

Bienvenue à l’occasion du premier numéro de notre bulletin Conseils de Fabrication de First Cut. Depuis des années, Proto Labs publie le populaire mensuel Conseils de Conception de Protomold, nous avons donc pensé qu’il serait utile de faire de même en appui au Service First Cut. Ce premier numéro fournit des informations de base sur l'essor de l’usinage CNC en tant que processus de prototypage efficace et il contient des informations de présentation sur nos capacités First Cut.


C’est un fait de la vie moderne, à mesure que les ordinateurs s’améliorent, les tâches qu’ils accomplissent deviennent moins chères. Dans le même temps, le travail effectué par des êtres humains hautement qualifiés demeure relativement coûteux. Avec l’introduction de l’usinage contrôlé par ordinateur, d’abord au moyen de ruban de papier pour céder ensuite la place à la technologie numérique, le coût de la production de pièces usinées, tâche jadis accomplie uniquement par l’homme, a connu une baisse radicale. Mais même après l’automatisation de la fabrication, l’installation initiale, réalisée par des ingénieurs qualifiées, pouvait être un processus laborieux nécessitant de convertir la conception assistée par ordinateur (CAO) en fabrication assistée par ordinateur (FAO). Toutefois, lorsque les tracés de l’outil de coupe ont été créés et que les ordinateurs ont prévalu, les machines outils à commande numérique (CNC) se sont mises à résonner joyeusement, débitant des pièces par dizaines, voire centaines ou milliers.



L’équipement d’usinage pouvait combiner de multiples outils en une seule « cellule », permettant ainsi la création de pièces complexes sans aucune intervention de la main de l’homme. Par conséquent, la production est devenue très bon marché. Le coût élevé de l’installation pouvait être amorti par le nombre de pièces produites et était compensé rapidement par le faible coût de l’usinage.


Les pièces elles-mêmes étaient solides, précises et pouvaient être coupées dans pratiquement n’importe quel matériau usinable mais l’installation correspondant à un coût fixe, le coût des premières pièces pouvait être durement coûteuse. En d’autres termes, cette puissante technologie n’était pas très rentable pour les productions de petites séries. Et dans la plupart des cas, c’était beaucoup trop coûteux pour une utilisation dans le cadre d’un prototypage, notamment du fait que celui-ci nécessitait de multiples reproductions de la même pièce.


Regroupant ordinateurs et inventeurs, la technologie est venue au secours du concepteur au moyen d’une solution partielle. Si l’usinage d'un petit nombre de pièces ne pouvait s’effectuer de manière rentable, il était peut-être possible de procéder plutôt à une formation de pièces par accumulation de couches. Le résultat a permis d'obtenir un logiciel utilisant une conception CAO et la décomposant en fines couches virtuelles. Celles-ci ont ensuite été transformées en matériel qui dupliquait les tranches en matière et les superposait l’une sur l’autre, selon un processus d’addition donnant lieu à un solide tridimensionnel s’approchant de la conception d’origine. Les matériaux et les processus de création du solide variaient. Au nombre des technologies probantes comptèrent la stéréolithographie (SLA), le frittage sélectif au laser (SLS) et le dépôt de fil fondu (FDM).


Les processus œuvrant directement à partir de modèles CAO avec pratiquement aucune intervention humaine, la première pièce produite fut moins coûteuse que la première pièce produite par usinage CNC. Toutefois, le coût de chaque pièce subséquente était similaire, l’usinage rattrapant désormais le retard, mais pour quelques pièces seulement, l’avantage du point de vue du coût favorisait nettement le processus additif.


Malheureusement, malgré leur technique innovante et leur faible coût, les processus additifs présentaient des inconvénients. La duplication de la forme était raisonnable mais la constitution de couches laissait généralement des « gradins » sur la surface de la pièce. Et les joints entre les couches n’étant pas aussi solides que ceux des pièces moulées par injection ou que le bloc solide utilisé dans l’usinage, les pièces n’étaient pas aussi résistantes que les pièces de production ne pouvaient l’être, elles ne convenaient donc pas aux essais fonctionnels rigoureux. Enfin, du fait que chaque processus additif était standardisé pour une seule matière ou à peine plus, les pièces obtenues étaient souvent réalisées dans des matériaux différents des matériaux spécifiés pour une production à grande échelle, empêchant là encore des essais fonctionnels. En résumé, hormis leur coût plus faible, les processus additifs étaient encore inférieurs à l’usinage pour ce qui est de la production de pièces de très petites séries et de pièces prototypes haute qualité.


Un obstacle majeur s’opposant à l’usinage CNC comme méthode de prototypage était la prise de pièces, un processus essentiellement manuel et par là-même couteux. L’autre concernait le coût d’ingénierie associé à la création de tracés d’outil de coupe à partir de la conception d'origine, à la sélection d’outils et au chargement de code-g, codes positionnant les machines-outils sur l’équipement d’usinage. Cette tâche s’est avérée beaucoup plus complexe que de décomposer un modèle CAO 3D en vue de l’utiliser dans l’une ou l’autre des méthodes additives. L’automatisation de ces étapes nécessiterait d’énormes capacités de traitement et des centaines de milliers de lignes de code logiciel. Heureusement, ces deux éléments ont déjà été mis au point en vue d’un autre objectif.


Le code était utilisé pour usiner des moules à injection directement à partir de modèles CAO 3D et la capacité de traitement résidait dans le plus grand calculateur en cluster de l’industrie qui se trouvait au siège de Protomold (à présent Proto Labs). Lorsque le fondateur, Larry Lukis, a réalisé que le même logiciel ayant automatisé l’usinage de moule directement à partir de modèles CAO pouvait être transformé pour réaliser un usinage direct des pièces, la conversion en vue d’un usinage direct fut relativement simple. En éliminant la nécessité de disposer d’un ingénieur chargé d'exploiter le logiciel FAO résidant entre la conception CAO originale et l'équipement d’usinage CNC, Proto Labs a réduit le coût de l'installation et a fait baisser les coûts fixes de l’usinage CNC. Soudain, le coût total de l’usinage d’une ou de plusieurs pièces était aussi compétitif que celui des méthodes additives de « prototypage rapide » et le service First Cut fut formé pour développer et fournir des services d’usinage CNC automatisés.


Les avantages de l’usinage automatisé en tant que méthodologie de prototypage sont clairs. Ce processus produit des pièces à partir de blocs solides, sans la faiblesse inhérente des pièces faites par couche. Les surfaces peuvent être lisses et dépourvues du crénelage propre aux prototypes par couche. Ce processus peut commencer avec des dizaines de matières plastiques et aluminium et la liste des matériaux disponibles continue de grandir.


Les pièces peuvent être réalisées et expédiées en un à trois jours à compter du jour de la commande et la production de devis est également rapide. Le moteur de production de devis en ligne de First Cut fournit des devis FirstQuote® gratuits pour la production de pièces à partir de modèles CAO 3D téléchargés, ce qui a été rendu possible grâce au même calculateur en cluster super puissant qui gère la production de pièces.


Naturellement, l’usinage CNC automatisé est limité aux formes pouvant être coupées à partir de blocs solides utilisant des machines d’usinage CNC. Le processus First Cut peut actuellement produire des pièces pouvant loger dans une enveloppe aux dimensions de 254 mm x 177 mm x 95 mm. La profondeur maximale pouvant être usinée de chaque côté de la pièce est de 50 mm. Les restrictions de prise de pièce exigent actuellement une taille de pièce minimum de 6 mm x 6 mm x 6 mm.


Le procédé de First Cut est actuellement limité à un usinage 3 axes sur six côtés. Votre devis mettra en évidence toute caractéristique ne pouvant être usinée dans ces limites. Les coins intérieurs à bords vifs d’une pièce auront des arêtes arrondies dues au procédé d’usinage CNC et le devis indiquera les zones où se produiront ces arêtes.


Certains détails très petits peuvent s’avérer difficile à usiner de manière efficace et ils seront identifiés dans le devis. Ainsi, un texte en relief doit avoir une longueur de segment minimale de 0,5 mm, et l’espacement entre les caractères sur un texte en relief doit être d’au moins 0,5 mm.


À la différence du moulage par injection, l'usinage CNC peut produire des parois très épaisses et il n’est pas exigé que les épaisseurs de paroi soient uniformes. Les parois ne doivent généralement pas être d’une épaisseur inférieure à 0,5 mm. De manière générale, des tolérances de +/- 0,1mm sont obtenues.


Une liste des matériaux disponibles pour l’usinage automatisé First Cut figure ici.


Pour obtenir une comparaison détaillée des processus de prototypage, téléchargez notre ABC du Prototypage.


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