Février 2011



L’usinage par numéro

Nous ne savons pas qui a déclaré en premier que, pour sculpter un cheval, il faut prendre un bloc de pierre et enlever tout ce qui n’est pas un cheval, mais cette description s’applique aussi bien à l’usinage CNC qu’aux techniques des sculpteurs de la renaissance. En dehors de cette similarité, toutefois, les procédés sont très différents. L’une des grandes différences est qu’un sculpteur peut se déplacer librement autour de son œuvre et aborder son ouvrage depuis n’importe quel angle lui permettant d’obtenir le résultat final. Mais une fraiseuse qui utilise des fraises rotatives pour enlever la matière superflue, (et se distingue des machines laser, tours, robots, perceuses à colonne ou autres machines-outils), est limitée à des mouvements très spécifiques dans l’espace euclidien. Firstcut utilise un usinage 3 axes et travaille en séquence depuis un maximum de six côtés d’une pièce de fabrication. La pièce présentée ci-dessous en est un exemple (Figure 1). En commençant par un côté, puis en appliquant à la pièce une rotation de 90° ou 180°, selon le cas, nous pouvons usiner la géométrie de la pièce depuis six côtés perpendiculaires.

Figure 1

Figure 1


N’importe quel point de la surface d’une pièce usinée peut être décrit par sa position le long de trois axes X, Y et Z. Le problème est que, pour l’usinage, il ne suffit pas de décrire un point ; nous devons usiner à côté. Et pour usiner à côté, nous devons amener une fraise rotative jusqu’au point en question. Dans le cas typique d’un usinage 3 axes simple, la pièce peut se déplacer en X et Y (d’un côté à l’autre, et de l’avant vers l’arrière), et l’outil de coupe peut se déplacer en Z (vers le haut et le bas). Une fois les mouvements coordonnés, la machine pourra atteindre n'importe quel point de la pièce faisant face à la fraise rotative. En travaillant de la sorte, une machine 3 axes pourra, par exemple, usiner un profil sur la face avant d’une pièce de monnaie. Si, par contre, nous voulons utiliser le même équipement pour usiner un modèle de tête en trois dimensions, il nous faudra repositionner la pièce de fabrication plusieurs fois pour pouvoir atteindre tous ses côtés (voir Figure 2). Ou bien, nous pourrions utiliser un équipement d’usinage 4 ou 5-axes.

Figure 2 – Pour usiner une tête en trois dimensions,  il faudrait repositionner le matériau plusieurs fois afin de pouvoir atteindre tous ses côtés.

Figure 2 – Pour usiner une tête en trois dimensions, il faudrait repositionner le matériau plusieurs fois afin de pouvoir atteindre tous ses côtés.


Les équipements d’usinage 4 axes utilisent les trois axes linéaires décrits ci-dessus, mais ajoutent un quatrième axe (rotatif) sous forme d’une table tournante verticale (dont l’axe de rotation est généralement horizontal) pouvant faire tourner la pièce. Cette configuration permet à la fraise rotative d’accéder à tous les côtés de la pièce sans repositionnement, sauf le dessus de la tête ou le dessous du cou. Il existe toujours des limitations, notamment le fait que la machine ne peut atteindre la pièce que le long de lignes perpendiculaires à l’axe (voir Figure 3).

Figure 3 – la table tournante verticale de l’équipement 4 axes fait tourner la pièce et permet ainsi de découper les quatre côtés de la tête à partir d’une seule position, mais elle nécessite un repositionnement pour atteindre le dessus de la tête et le dessous du cou.

Figure 3 – la table tournante verticale de l’équipement 4 axes fait tourner la pièce et permet ainsi de découper les quatre côtés de la tête à partir d’une seule position, mais elle nécessite un repositionnement pour atteindre le dessus de la tête et le dessous du cou.


Les équipements 5 axes rajoutent un deuxième axe de rotation et créent une configuration similaire à un cardan qui permet de faire tourner la pièce sur deux axes de rotation (voir Figure 4).

Figure 4 – Les équipements 5 axes disposent d’un nombre infini de modes d’accès à un point quelconque de la pièce.

Figure 4 – Les équipements 5 axes disposent d’un nombre infini de modes d’accès à un point quelconque de la pièce.


Revenons à notre tête. Un équipement 4 axes nous permettrait d’usiner le devant, l’arrière et les côtés de la pièce mais nécessiterait un repositionnement pour atteindre le dessus de la tête et le dessous du cou. Un équipement 5-axes nous permettrait d’usiner le dessus de la tête sans repositionnement et pourrait aussi être utilisé pour usiner des narines présentant un angle réaliste (voir Figure 5), si telle est notre intention.

Figure 5 – un équipement 5 axes permettrait d’usiner des narines présentant un angle réaliste, ainsi que le dessus de la tête, dans l’hypothèse où la pièce est maintenue par le cou.

Figure 5 – un équipement 5 axes permettrait d’usiner des narines présentant un angle réaliste, ainsi que le dessus de la tête, dans l’hypothèse où la pièce est maintenue par le cou.


Il est évident que la présence d’axes supplémentaire enrichit les capacités des équipements d'usinage mais ces capacités entraînent un supplément de prix. Premièrement, les équipements 4 et 5 axes sont plus complexes que les systèmes 3 axes et cette simple raison explique leur coût plus élevé. Deuxièmement, à la différence des systèmes 3 axes qui n’offrent qu’une voie d’accès à chaque point, les machines 4 et 5-axes offrent une infinité de voies d’accès à un point et rendent donc la configuration des trajectoires d’outil beaucoup plus complexe. Troisièmement, les axes additionnels nécessitent des composants supplémentaires qui prennent de la place dans la surface de travail et réduisent la taille maximale de pièce pouvant être usinée. En dernier lieu, les axes supplémentaires augmentent la magnitude des erreurs d'usinage dues au matériel, au logiciel, aux erreurs d'arrondi ou à l'usure des équipements. Le long des axes de rotation des systèmes 4 et 5, l’erreur augmente avec la distance par rapport à l’axe et devient donc particulièrement problématique dans les pièces de grande taille. Cette difficulté est gérable en utilisant des équipements plus précis et plus coûteux mais, lorsque les équipements sont plus coûteux, les pièces qu'ils produisent le sont aussi.


Au lieu d’utiliser des équipements 4 ou 5 axes, on peut utiliser une machine 3 axes et travailler depuis six côtés, ce qui est possible avec un système de fixation de la pièce approprié. Firstcut utilise un dispositif spécialement conçu pour permettre le repositionnement rapide et facile de la pièce dans un équipement d'usinage 3 axes. Cette approche offre la plupart des capacités des systèmes 4 et 5 axes, elle coûte moins cher à mettre en œuvre et est beaucoup plus rapide puisque nous pouvons générer automatiquement les trajectoires d’outils 3 axes. Dans notre exemple de la tête, quelques éléments mineurs seraient inaccessibles depuis les six côtés et ils seraient clairement indiqués dans votre devis interactif FirstQuote®.


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