Impression 3D vs. Usinage CNC

Base de connaissances Principes de base de la fabrication Impression 3D vs. Usinage CNC

Introduction

L'usinage CNC est une technologie de fabrication soustractive courante. Contrairement à l'impression 3D, le processus commence généralement par un bloc de matériau solide (ébauche) et enlève de la matière pour obtenir la forme finale requise, en utilisant divers outils tournants ou fraises.

La technologie CNC (machine à commande numérique) est l'une des méthodes de fabrication les plus populaires, tant pour les petites tâches ponctuelles que pour la production de séries moyennes à grandes. Elle offre une excellente répétabilité, une grande précision et un large éventail de matériaux et de finitions de surface.

Les procédés de fabrication additive ou impression 3D permettent de construire des pièces en ajoutant de la matière une couche à la fois. Les procédés de fabrication additive ne nécessitent pas d'outillage ou de montages d'usinage spéciaux, de sorte que les coûts de démarrage sont réduits au minimum.

Dans cet article, nous présentons les principales considérations technologiques afin de vous aider à choisir la technologie la mieux adaptée à votre application. Nous nous concentrons sur les pièces fonctionnelles et les prototypes fabriqués à partir de métaux ou de plastiques. Les procédés d'impression 3D les plus adaptés sont SLS ou FDM pour les plastiques et SLM/DMLS ou jet de liant pour les métaux.

Choisir la bonne technologie

Pour choisir entre la technologie CNC et la fabrication additive, il existe quelques conseils simples qui peuvent être appliqués au processus de décision.

En règle générale, toutes les pièces qui peuvent être fabriquées facilement par un procédé soustractif doivent être usinées sur machine à commande numérique. Il n'est généralement judicieux d'utiliser l'impression 3D que dans les cas suivants :

Lorsque les méthodes traditionnelles ne sont pas capable de produire la pièce, par exemple les géométries très complexes, à la topologie optimisée.
Lorsqu'un délai de fabrication serré est essentiel, les pièces réalisées en impression 3D peuvent être livrées en 24 heures.
Lorsqu'un faible coût est essentiel, pour les petites séries, l'impression 3D est généralement moins chère que l'usinage CNC.
Lorsqu'un petit nombre de pièces identiques est requis (moins de 10).
Lorsque des matières difficiles à usiner sont nécessaires, comme les superalliages métalliques ou les TPU souples.

L'usinage CNC offre une plus grande précision dimensionnelle et produit des pièces avec de meilleures propriétés mécaniques dans les 3 dimensions, mais cela a généralement un coût plus élevé, surtout lorsque les volumes sont faibles.

Si des quantités plus importantes de pièces sont nécessaires (des centaines ou plus), alors ni l'usinage CNC ni la fabrication additive ne sont des options rentables. Les technologies de formage traditionnelles, telles que le moulage à la cire perdue ou le moulage par injection, constituent généralement l'option la plus économique, en raison des mécanismes d'économies d'échelle (voir figure).

Le nombre total de pièces requises est un élément clé de la conception lors du choix d'une technologie de fabrication

Nombre de pièces	1	10	100	1000
Plastique	Impression 3D	Impression 3D (envisager l'usinage CNC)	Usinage CNC (envisager le moulage par injection)	Moulage par injection
Métal	3D Impression et usinage CNC*	Usinage CNC (envisager l'impression 3D)	Usinage CNC (envisager le moulage à la cire perdue)	Moulage à la cire perdue ou moulage sous pression

^{* : dépend fortement de la géométrie de la pièce}

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Caractéristiques du procédé

Précision dimensionnelle

L'usinage CNC offre des tolérances serrées et une excellente reproductibilité. Les pièces de très grande à très petite taille peuvent être usinées CNC avec précision. En raison de la forme de l'outil de coupe, les arêtes internes auront toujours un congé, mais les surfaces externes peuvent avoir des arêtes vives et peuvent être usinées très finement. Divers systèmes d'impression 3D offrent une précision dimensionnelle différente. Les machines industrielles peuvent produire des pièces avec très bonnes tolérances. Si des jeux serrés sont nécessaires, les dimensions critiques peuvent être surdimensionnées lors de l'impression 3D puis usinées lors du post-traitement. L'épaisseur minimale de la paroi des pièces imprimées en 3D est limitée par la taille de l'actionneur final (par exemple le diamètre de la buse en FDM ou la taille du spot laser en SLS). Comme les pièces sont fabriquées une couche à la fois, des lignes de couche peuvent être visibles, en particulier sur les surfaces courbes. La taille maximale de la pièce est relativement limitée, car l'impression 3D nécessite souvent un contrôle étroit de l'environnement de fabrication.

	Tolérance	Épaisseur de paroi min.	Taille maximale des pièces
Usinage CNC	± 0,025 - 0,125 mm *	0,75 mm	Fraisage : 2000 x 800 x 1000 mm Tournage : Ø 500 mm
SLS	± 0,300 mm	0,7 - 1,0 mm	300 x 300 x 300 mm
FDM	Machine industrielle : ± 0,200 mm Imprimante de bureau : ± 0,500 mm	0,8 - 1,0 mm	Machine industrielle : 900 x 600 x 900 mm Imprimante de bureau : 200 x 200 x 200 mm
SLM/DMLS	± 0,100 mm	0,40 mm	230 x 150 x 150 mm
Jet de liant	± 0,200 mm	2,0 mm	380 x 355 x 735 mm

^{* : Selon le niveau de tolérance spécifié.}

Matières

L'usinage CNC est principalement utilisé pour l'usinage des métaux. Il peut également être mis en œuvre pour l'usinage des thermoplastiques, des acryliques, des bois tendres et des bois durs, des mousses de modelage et de la cire.

Excellentes propriétés mécaniques et thermiques avec un comportement entièrement isotrope.
Restrictions dimensionnelles dues à la taille des ébauches (l'utilisation d'une ébauche non standard augmentera le coût).

	Matériaux CNC courants
Plastiques	ABS, Nylon, Polycarbonate, PEEK
Métaux	Alliages d'aluminium, acier inoxydable, titane, laiton

L'impression 3D est principalement utilisée avec les plastiques et dans une moindre mesure avec les métaux. Certaines technologies permettent de produire des pièces à partir de céramique, de cire, de sable et de matériaux composites. Les matériaux d'impression 3D sont un sujet complexe qui est abordé plus en détail dans des articles spécialisés de la base de connaissances.

Grande variété de matériaux aux propriétés physiques très diverses.
Les matières difficiles à usiner (tels que le TPU et les superalliages métalliques) peuvent être imprimées en 3D.
Peuvent avoir des propriétés mécaniques inférieures à celles des pièces usinées CNC (elles ne sont généralement pas totalement isotropes).

	Matériaux d'impression 3D courants
Plastiques	Nylon, PLA, ABS, ULTEM, ASA, TPU
Métaux	Aluminium, acier inoxydable, titane, Inconel

Complexité du modèle

Un certain nombre de limitations doivent être prises en compte lors de la conception de pièces pour l'usinage CNC, notamment l'accès et les dégagements des outils, les zones de bridage ou de support, ainsi que l'impossibilité d'usiner des coins à angles droits en raison de la géométrie de l'outil.

Certaines géométries sont impossibles à usiner CNC (même avec des centres d'usinage CNC à 5 axes) car l'outil ne peut pas accéder à toutes les surfaces de la pièce. La plupart des géométries nécessitent la rotation de la pièce pour accéder aux différents côtés. Le repositionnement ajoute au temps de traitement et de travail et des gabarits d'usinage personnalisés peuvent être nécessaires, ce qui a une incidence sur le prix final.

Dans l'usinage CNC, le matériau est retiré point par point. Même les systèmes CNC à 5 axes ne peuvent pas accéder à certaines surfaces

L'impression 3D présente très peu de restrictions géométriques par rapport à l'usinage CNC. Les structures de support sont nécessaires dans la plupart des technologies, comme FDM ou SLM/DMLS, et sont retirées lors du post-traitement.

Les géométriques organiques en plastique, de formes libres peuvent être facilement fabriquées avec des procédés de fusion sur lit de poudre à base de polymères, tels que le procédé SLS ou le procédé Multi Jet Fusion (MJF), car ils ne nécessitent aucun support. La capacité à produire des géométries extrêmement complexes est l'un des principaux atouts de l'impression 3D.

Flux de fabrication

Voici ce qui se passe en coulisse lors de la commande d'une pièce en impression 3D ou en usinage CNC :

En usinage CNC, un opérateur expert ou un ingénieur doit d'abord sélectionner l'outil, la vitesse de la broche, la trajectoire de coupe et le repositionnement de la pièce. Tous ces facteurs ont un impact important sur la qualité finale de la pièce et sur le temps de fabrication. Le processus de fabrication demande beaucoup de travail, car le brut d'usinage doit être mis en place manuellement dans la machine. Après l'usinage, les composants sont prêts à être utilisés ou à subir un post-traitement.

En impression 3D, l'opérateur de la machine prépare d'abord le fichier numérique (il choisit l'orientation et ajoute les supports), puis l'envoie à la machine, où la pièce est imprimée avec très peu d'intervention humaine. Une fois l'impression terminée, la pièce doit être nettoyée et post-traitée, ce qui constitue l'aspect le plus exigeant en main-d'œuvre du flux de fabrication en impression 3D.

Post-traitement

Un certain nombre de méthodes de finitions peuvent être appliquées aux pièces imprimées en 3D et usinées CNC qui améliorent la fonctionnalité ou l'esthétique. Les techniques de post-traitement les plus courantes sont énumérées ci-dessous :

	Méthodes de post-traitement
Usinage CNC	Sablage, anodisation (type II ou type III), peinture poudre
Impression 3D	Sablage, ponçage et polissage, micro-polissage, placage de métaux

Étude de cas : prototypage d'un boîtier en plastique

Prototypes de boîtiers économiques imprimés en 3D en FDM

Lors de la conception d'un nouvel appareil électronique, la fabrication de prototypes pour le boîtier est essentielle pour finaliser le produit avant la fabrication en série. Afin d'accélérer le développement, les principaux objectifs sont un délai de fabrication rapide et un faible coût.

Les boîtiers électroniques sont souvent équipés d'encliquetages, de charnières intégrées ou d'autres zones d'enclenchements et de fixations. Tous ces détails peuvent être soit usinés CNC, soit imprimés en 3D avec les procédés FDM ou SLS.

L'usinage CNC et l'impression 3D SLS peuvent être utilisées pour créer des prototypes esthétiques de grande précision, mais l'impression FDM de bureau propose un délai de fabrication beaucoup plus court et un coût moindre. Les performances mécaniques n'étant pas l'objectif principal de ce projet, les avantages de l'usinage CNC et de l'impression 3D SLS ne valent généralement pas le coût et le temps supplémentaires.

	Usinage CNC	FDM de bureau	SLS
Coût	€€	€	€€
Matières courantes	ABS, Nylon	PLA, ABS, Nylon	Nylon
Délai de fabrication	1 - 2 semaines	1 - 3 jours	Moins d'une semaine
Précision	± 0,125 mm	± 0,500 mm	± 0,300 mm

Étude de cas : fabrication de supports et de composants métalliques

Composants métalliques à géométrie simple fabriqués par usinage CNC et revêtement en poudre

Les supports métalliques et autres composants mécaniques peuvent supporter des charges importantes et fonctionner à des températures élevées. Dans ce cas, la précision dimensionnelle et les bonnes propriétés de la matière sont les principaux objectifs.

Si la géométrie du modèle est simple (comme les composants de l'image ci-dessus), alors l'usinage CNC est la meilleure option en termes de précision, de propriétés mécaniques et de coût.

Lorsque la complexité géométrique augmente ou lorsque des matériaux plus exotiques sont nécessaires, l'impression 3D métal doit être envisagée. Les composants optimisés pour le poids et la résistance (comme les éléments de fixation de l'image ci-dessous) ont des structures organiques très difficiles et coûteuses à usiner.

L'usinage CNC et l'impression 3D métallique peuvent être combinés pour fabriquer des pièces présentant à la fois une forme organique et des tolérances très serrées aux endroits critiques.

Acier inoxydable Inconel Cobalt-Chrome Carbure de tungstène

	Usinage CNC	SLM/DMLS	Jet de liant
Coût	€€	€€€€	€€€
Matières courantes	Aluminium Acier inoxydable Laiton	Acier inoxydable Aluminium Titane Inconel Cobalt-Chrome
Précision	± 0,025 mm	± 0,100 mm	± 0,200 mm
Propriétés mécaniques	Très bonnes	Très bonnes	Bonnes

Supports fabriqués en titane par SLM. Courtoisie de: Formula Student Team TU Delft

Règles de base

Le choix de la technologie appropriée pour votre application est crucial et peut se résumer aux règles empiriques suivantes :

L'usinage CNC est le mieux adapté pour les quantités moyennes à élevées (moins de 250 - 500 pièces) et pour les géométries relativement simples.
L'impression 3D est généralement la meilleure solution pour les petites quantités (ou les prototypes uniques) et les géométries complexes.
En ce qui concerne les métaux, l'usinage CNC peut être compétitif en termes de prix, même pour de petites quantités, mais des limites géométriques s'appliquent toujours.
Lorsque les quantités sont importantes (plus de 250 à 500 pièces), d'autres technologies de fabrication sont mieux adaptées.