Usinage de prototypes : avantages et inconvénients de la CNC pour le prototypage

Qu’est-ce que l’usinage CNC ?

L’usinage à commande numérique par ordinateur (CNC) est un processus de fabrication dans lequel des entrées informatiques sont utilisées pour contrôler les outils d’usinage tels que les perceuses et les tours. Il est utilisé dans de nombreuses industries pour une variété de prototypes et de pièces d’utilisation finale.

Le processus commence par une conception 3D numérique, créée à l’aide d’un logiciel de CAO, qu’un ordinateur peut traduire en une série d’instructions pour les outils de coupe de la machine. Ces instructions sont connues sous le nom de code G. Une fois le code G envoyé à la machine, très peu de supervision manuelle est nécessaire, car la machine sait quand et où couper et effectue l’usinage de manière autonome. Cela se traduit par des économies de temps et d’argent significatives par rapport à l’usinage traditionnel, dans lequel un machiniste qualifié coupe la pièce à l’aide d’outils de coupe à commande manuelle.

L’usinage est un processus soustractif, ce qui signifie que l’équipement supprime le matériau existant au lieu d’introduire un nouveau matériau. Contrairement à la fabrication additive, dans laquelle une imprimante 3D dépose du matériau en couches pour former un objet, l’usinage CNC consiste à découper des sections à partir d’un bloc sans forme connu sous le nom de « pièce à usiner ». L’excédent de matériau est jeté ou recyclé, laissant finalement derrière lui une pièce terminée. Les machines CNC plus complexes, celles avec un plus grand nombre d’axes, sont capables de couper la pièce de manière plus complexe, produisant des pièces avec des géométries plus complexes.

L’usinage CNC est un processus de fabrication largement utilisé grâce à sa polyvalence, sa précision, sa cohérence et sa large gamme de matériaux compatibles : bien que les alliages d’aluminium soient le matériau le plus courant pour l’usinage, de nombreux autres métaux et plastiques peuvent également être utilisés.

L’usinage CNC est-il bon pour le prototypage ?

Bien que beaucoup considèrent désormais l’impression 3D comme la forme dominante de prototypage rapide, l’usinage CNC est également un processus important pour la création de pièces prototypes. Pour comprendre pourquoi, il est intéressant de considérer les différentes formes qu’un prototype peut prendre, et de se demander pourquoi ces prototypes existent.

Les prototypes peuvent avoir de nombreuses fonctions différentes. À la base, ils agissent comme des espaces réservés ou des accessoires – des représentations lâches d’une partie finale utilisées pour transmettre des informations visuelles sur l’apparence ou le comportement de la partie finale. Ces prototypes ressemblants peuvent être utilisés pour guider le processus de R&D ou fournir une preuve de concept. S’ils répondent à des normes esthétiques élevées, ils peuvent également être utilisés pour présenter un nouveau produit à des investisseurs potentiels. De tels prototypes peuvent être très importants, mais ils n’ont pas nécessairement besoin d’être réalisés avec du matériel professionnel haut de gamme : ils peuvent être fabriqués à la main ou imprimés avec une imprimante 3D de bureau bas de gamme.

Certains prototypes, cependant, sont utilisés pour plus qu’une simple représentation visuelle. Selon le stade de développement du produit, les entreprises peuvent avoir besoin de créer des prototypes d’ingénierie ou des prototypes de production : des prototypes qui non seulement ressemblent à la pièce finale, mais fonctionnent aussi comme elle, agissant comme un substitut aussi proche que possible de la réalité. Alors que l’impression 3D peut être une excellente option pour le prototypage d’apparence, l’usinage CNC est souvent préférable pour ces prototypes fonctionnels qui nécessitent une résistance, une stabilité mécanique ou d’autres caractéristiques non offertes par les processus additifs. Après tout, peu de pièces d’utilisation finale sont fabriquées avec une imprimante 3D.

L’usinage CNC peut être un excellent choix pour le prototypage, mais son adéquation dépend de la nature du prototype. Dans quel but le prototype sera-t-il utilisé ? De quel matériau sera-t-il fabriqué ? Et à partir de quel matériau la pièce finale sera-t-elle fabriquée ? Ces questions et d’autres guideront finalement l’utilisateur vers la méthode de prototypage la plus appropriée.

Avantages du prototypage avec usinage CNC

Il existe de nombreuses raisons pour lesquelles une entreprise peut utiliser l’usinage CNC pour produire un prototype, notamment la vitesse de production, la qualité des pièces, les options de matériaux et la similitude avec la pièce finale.

Du fichier au prototype

L’élément « CNC » est l’un des plus grands avantages de l’usinage CNC. Étant donné que l’usinage CNC est un processus numérique qui crée une pièce à partir d’un fichier informatique, les ingénieurs savent qu’un prototype usiné correspondra étroitement à la conception numérique 3D et que la même conception numérique pourra ensuite être utilisée pour créer une pièce finale aux dimensions identiques. Le degré de répétabilité est particulièrement élevé.

De plus, l’utilisation de conceptions numériques en 3D permet des modifications rapides et précises. Si un prototype usiné présente un défaut physique résultant d’une mauvaise conception, l’ingénieur peut revenir au logiciel de CAO pour apporter les modifications appropriées pour le prochain prototype. Différentes versions peuvent être comparées côte à côte et un logiciel de simulation peut même être utilisé pour tester de manière préventive les performances d’une pièce dans le monde réel.

Qualité et cohérence

Les ordinateurs ne sont pas parfaits, mais les machines contrôlées par ordinateur ont tendance à fonctionner exactement comme elles sont censées le faire, à moins qu’elles ne tombent en panne. Alors que de nombreux processus de prototypage reposent sur les compétences humaines (et sont donc susceptibles d’erreur humaine), les machines CNC suivent leurs instructions à une fraction de millimètre près.

Surtout, ils peuvent aussi le faire encore et encore. Bien qu’une entreprise ne fabrique qu’un seul prototype, une machine CNC peut, si nécessaire, exécuter le même travail une deuxième fois avec un écart minimal par rapport au premier. Ceci est incroyablement utile pour développer de nouvelles itérations d’un prototype et pour passer à la production avec les mêmes machines. (Les processus manuels sont extrêmement importants, mais il est plus facile de garantir la cohérence avec une machine automatisée.)

Gamme de matériaux solides

Si un prototype n’a pas de finalité mécanique, il peut convenir à l’impression 3D, qui – bien que non connue pour produire des pièces à haute résistance – coûte très peu et peut être réalisée dans un court laps de temps. Cependant, pour la plupart des processus d’impression 3D, les options de matériaux sont plus étroites que pour l’usinage.

L’usinage CNC offre non seulement une large gamme de matériaux compatibles, mais également des matériaux extrêmement solides et durables, y compris une large gamme de métaux. Il est également possible d’imprimer en 3D avec des métaux, mais pas avec une imprimante FDM à bas prix.

Similitude avec la partie finale

Un autre avantage majeur de l’utilisation de l’usinage CNC pour les prototypes est la possibilité de créer des prototypes similaires à la pièce finale. Étant donné que les centres d’usinage sont pleinement capables de produire des pièces d’utilisation finale ainsi que des prototypes, il est possible de créer des prototypes proches du produit final – un exploit qui est rarement possible avec l’impression 3D ou d’autres méthodes.

Une partie de cela est due aux matériaux. De nombreux métaux d’ingénierie sont hautement usinables, ce qui permet aux ingénieurs de fabriquer des prototypes à partir des mêmes (ou similaires) matériaux qu’ils utiliseront pour la pièce finale. Mais la qualité du processus lui-même est également un facteur : les pièces usinées sont solides et ne présentent pas de faiblesse le long de certains axes comme les pièces imprimées, tandis que le processus d’usinage lui-même peut même être utilisé pour reproduire d’autres processus comme le formage de la tôle.

De plus, la création d’un prototype proche en apparence et en comportement de la pièce finale permet de passer plus facilement à la production en pont, car il y a moins de modifications importantes à apporter.

Inconvénients du prototypage avec usinage CNC

Malgré ses avantages, l’usinage CNC présente certaines limites en tant que méthode de prototypage, ce qui peut conduire les entreprises à privilégier une approche alternative.

Plus cher que l’impression 3D

L’un des inconvénients évidents des prototypes d’usinage CNC est le coût du processus. Les centres d’usinage sont de grosses machines qui nécessitent une puissance importante et une supervision humaine plus importante que les imprimantes 3D. Les métaux usinables ont également un prix plus élevé que les matériaux d’impression courants comme le PLA.

C’est l’une des principales raisons pour lesquelles les ingénieurs peuvent choisir des procédés de prototypage alternatifs, même s’ils ont l’intention d’utiliser l’usinage pour leurs pièces finales. Le développement peut être une ponction sur les ressources, et il est compréhensible que les entreprises aient besoin de réduire toutes les dépenses pendant la phase de prototypage (précoce).

Quelques restrictions géométriques

Les centres d’usinage 4 axes et 5 axes offrent une grande flexibilité géométrique, mais même ces machines ont leurs limites. Pour les structures élaborées avec des géométries internes complexes, les procédés de fabrication additive peuvent être plus adaptés, car ils ne sont pas limités par les angles des outils de coupe.

Gardez toutefois à l’esprit que les prototypes imprimés en 3D peuvent être trompeurs : une conception numérique 3D qui sort parfaitement d’une imprimante 3D peut être impossible à fabriquer avec l’équipement de production choisi, que ce soit des centres d’usinage, des équipements de moulage par injection ou autre. La flexibilité géométrique des prototypes n’est utile que si cette flexibilité peut être reproduite sur la pièce finale.

Déchet

L’usinage CNC étant un processus soustractif, il nécessite plus de matière que ce qui entre réellement dans la pièce. Une partie du matériau est découpée et se transforme en copeaux de métal ou de plastique, qui doivent ensuite être éliminés. Ceci est différent des processus de prototypage additif, qui ne produisent pas de déchets sauf si l’impression échoue et doit être répétée.

L’utilisation de l’usinage comme processus de prototypage peut entraîner des coûts de matériaux plus élevés en raison de l’utilisation et du gaspillage accrus de matériaux. Cependant, les copeaux peuvent souvent être recyclés, de sorte que l’impact environnemental du processus n’a pas à être grave. (La vente de déchets recyclables peut également aider à récupérer certains coûts matériels.)

Outillage rapide : Prototypes moulés par injection via usinage CNC

Nous avons vu comment l’usinage CNC peut être un excellent processus de prototypage. Mais l’usinage peut également être utilisé indirectement pour créer des prototypes moulés par injection.

Grâce aux outils ou moules d’usinage CNC, les entreprises disposent d’un moyen plus rentable de créer l’appareil requis pour le moulage par injection. Cet outillage usiné CNC peut être créé plus rapidement que l’outillage traditionnel, et est donc un raccourci vers les prototypes moulés. (Pour les pièces moulées finales après l’étape de prototypage, des méthodes d’outillage traditionnelles peuvent être utilisées.)

L’utilisation du processus d’outillage rapide est beaucoup plus rentable lors de la commande de volumes plus importants de pièces moulées, car l’outillage usiné coûte beaucoup plus cher à fabriquer que les pièces moulées en résine elles-mêmes. Et bien que de grandes quantités ne soient pas particulièrement souhaitables lors de la phase de prototypage, les prototypes moulés authentiques seront plus représentatifs d’une pièce moulée que, par exemple, une alternative imprimée en 3D.