Usinage CNC vs impression 3D :quelle est la meilleure option pour votre travail ?

Charles Hull, inventeur de la stéréolithographie et fondateur de 3D Systems, a commencé à vendre des imprimantes 3D en 1986. Quelques années plus tard, Scott Crump de Stratasys a commercialisé sa technologie de modélisation par dépôt de fusion. D'autres ont rapidement suivi, et il ne fallut pas longtemps avant que des entrepreneurs du monde entier achètent ces machines de "prototypage rapide" et ouvrent des "bureaux de services", des entreprises qui se concentraient uniquement sur l'impression 3D.

Aujourd'hui, chacun de ces termes autrefois à la pointe de la technologie est pour la plupart obsolète. La fabrication additive ne se limite plus au prototypage, rapide ou non. Et les bureaux de service ont cédé la place aux e-manufacturiers, dont les propriétaires et les dirigeants affirment que l'impression 3D complète l'usinage CNC et d'autres processus de fabrication plus traditionnels, et n'est devenue qu'un outil de plus dans leur boîte à outils (quoique très puissant).

Compenser les forces et les faiblesses

C'est certainement le cas avec Stratasys Direct Manufacturing, basé à Los Angeles, où le vice-président des opérations, Greg Reynolds, explique que le choix de la technologie de fabrication à utiliser pour un projet donné dépend de nombreux facteurs, à commencer par la complexité des pièces.

« La fabrication additive apporte plusieurs avantages importants par rapport aux procédés conventionnels, en particulier en ce qui concerne le métal », dit-il. « En tête de liste se trouve la consolidation des pièces. Au lieu d'usiner un tas de pièces, puis de les boulonner ou de les souder ensemble, l'impression 3D métal vous permet de produire l'assemblage en une seule pièce, souvent beaucoup plus légère. Cela s'accompagne de caractéristiques telles que des passages internes, des surfaces balayées complexes et d'autres formes organiques, ainsi que des structures en treillis à parois minces. Chacun de ces éléments est soit très coûteux, soit carrément impossible à usiner. Pour les additifs, cependant, ils sont assez faciles. »

D'un autre côté, les pièces plus simples et plus monolithiques telles que les supports, les arbres, les boîtiers et une foule d'autres composants «blocs» restent fermement dans le domaine de l'usinage, que l'atelier fabrique une pièce prototype ou une production de plusieurs milliers.

Et parce que l'impression 3D ne peut pas rivaliser avec l'usinage en termes de précision, les pièces avec des tolérances serrées et des finitions de surface très lisses sont également plus adaptées à un tour CNC ou à un centre d'usinage.

Pour cette raison, de nombreuses pièces en plastique et pratiquement toutes celles en métal nécessitent un déplacement après la construction à l'atelier d'usinage pour terminer les éléments critiques de la pièce et retirer les supports, le fléau de la plupart des processus d'impression 3D.

Impression 3D :bonne pour les géométries complexes, les caractéristiques complexes

"Pour les volumes de production plus faibles où la précision des pièces et la finition de surface ne sont pas la priorité absolue, l'impression 3D est certainement la voie à suivre", déclare Gisbert Ledvon, directeur du développement commercial pour les machines-outils chez Heidenhain Corp. "Cela est également vrai pour les pièces avec des géométries très complexes, et où l'impression 3D peut produire des caractéristiques qui seraient autrement difficiles à fabriquer. Même s'ils peuvent nécessiter un usinage secondaire, ces types de pièces sont de plus en plus produits via la fabrication additive métallique. »

Un moule d'injection plastique en est un exemple, dit Ledvon. Au lieu de percer une série de trous de refroidissement ressemblant à du fromage suisse dans la base du moule ou ses inserts, comme pour la fabrication de moules traditionnels, les machines à lit de poudre métallique laser (LPBF) peuvent imprimer l'ensemble du moule et le remplir de canaux de refroidissement stratégiquement placés, qui se conforment à et entourer la cavité du moule. Les résultats, dit-il, sont des moules avec des temps de cycle beaucoup plus rapides et une qualité de pièce supérieure à ce qui serait autrement possible.

Là encore, des opérations secondaires pour finir d'usiner la cavité du moule et d'autres surfaces critiques sont nécessaires ; comme le soulignent tous deux Ledvon et Reynolds, la fabrication additive métallique laisse derrière elle une finition de surface comparable à celle d'un moulage ou d'un forgeage.

Les deux experts affirment que le transfert de ces pièces et d'autres d'une imprimante 3D vers une machine CNC nécessite une stratégie de fixation robuste. "L'idéal serait que votre imprimante 3D dispose d'une sorte de système de palettes qui s'intègre à votre centre d'usinage, car cela vous fera gagner beaucoup de temps et vous évitera des maux de tête", déclare Ledvon.

La saisie d'une pièce imprimée en 3D est similaire à la saisie d'un moulage, ajoute Reynolds, en ce sens qu'il n'y a souvent pas de point de référence fixe à référencer. "Comme pour les pièces moulées, vous commencez le processus d'usinage à partir d'une forme quasi nette, vous devez donc d'abord fraiser ou tourner un point zéro, puis continuer à partir de là. Cela varie d'un travail à l'autre, mais dans l'ensemble, je dirais que le contrôle dimensionnel est nettement plus difficile avec les pièces imprimées en 3D. »

La CNC répond au besoin de vitesse

Une autre plume dans le chapeau de l'usinage CNC est la vitesse. Là où les tours CNC et les centres d'usinage peuvent extraire le matériau d'une barre ou d'une billette à des vitesses élevées, les imprimantes 3D métal et polymère à base de laser sont notoirement lentes, prenant plusieurs heures pour produire la plupart des pièces et même des jours pour les plus grandes.

Pourtant, les lasers sont loin d'être le seul moyen de lier les matériaux. La fabrication additive compte sept technologies distinctes et de nombreuses ramifications, dont certaines sont devenues carrément rapides ces dernières années. imitant le processus de moulage par injection de métal vieux de plusieurs décennies. Et les imprimantes de modélisation par dépôt de fusion comme celles de MakerBot et de la société mère Stratasys sont non seulement devenues beaucoup plus rapides qu'aux débuts de Scott Crump, mais sont désormais capables d'imprimer certains métaux.

De même, le processus de stéréolithographie de Chuck Hull s'est étendu pour inclure le traitement numérique de la lumière, qui polymérise des couches entières de résine photopolymère en un seul passage plutôt que de les tracer minutieusement ligne par ligne avec une source de lumière UV.

Ces imprimantes polymères et d'autres sont également beaucoup plus précises qu'elles ne l'étaient autrefois (bien qu'elles soient encore beaucoup moins précises que l'usinage) et, lorsqu'elles sont utilisées conjointement avec un équipement dit de "polissage à la vapeur", elles peuvent produire des finitions de surface exceptionnelles.

Ensuite, il y a la fusion par absorption sélective de Stratasys. Bien qu'actuellement limité au nylon PA11 respectueux de l'environnement, il imprime des pièces à l'aide d'une encre exclusive qui abaisse le point de fusion de toute poudre de polymère qu'il touche. Lorsqu'elles sont exposées à une source de chaleur infrarouge, ces zones fusionnent pour produire des pièces entièrement fonctionnelles. "Peu importe qu'il s'agisse d'une pièce ou de 1 000, les vitesses de construction sont les mêmes", déclare Reynolds. "Cela le rend parfaitement adapté aux volumes de production plus élevés, et comme il ne met pas autant de chaleur dans la pièce que le frittage sélectif par laser (SLS), l'intégrité du matériau est généralement meilleure."

Réduire le temps de production

L'outillage est une autre distinction importante entre l'impression 3D et la fabrication traditionnelle. Parce que le premier est un processus entièrement numérique, il n'y a pas besoin de gabarits, de montages et d'autres outils (en dehors de ceux utilisés dans le traitement secondaire) requis avec les processus de fabrication traditionnels.

Cela offre de nombreux avantages, le plus évident étant l'élimination de tout ou partie des coûts d'outillage. Mais il y a aussi le délai nécessaire pour fabriquer les outils et, une fois prêts, installez-les sur la machine-outil, récupérez le programme zéro, puis testez le programme CNC. Une imprimante 3D, en revanche, peut passer du modèle CAO à la pièce finie en quelques heures à peine.

Reynolds note que l'impression 3D est devenue plus automatisée ces derniers temps en ce qui concerne le décapage et le retrait du support, bien que l'automatisation joue également un rôle plus important dans d'autres types de fabrication.

Quoi qu'il en soit, choisir comment produire une pièce donnée est une décision complexe, qui dépend de la quantité de travail, de la géométrie de la pièce, de sa précision et de son état de surface, du matériau dont elle est faite et d'une foule d'autres facteurs.

Les métallurgistes qui tentent de choisir entre les deux techniques peuvent télécharger une pièce sur le site Web de Stratasys pour obtenir un devis instantané et découvrir la méthode la plus rapide et la plus efficace.

"Pour ceux qui auraient pu envisager d'investir dans leur propre imprimante 3D à un moment donné et l'ont trouvée trop chère ou pas assez performante, je les encouragerais à y jeter un autre coup d'œil", dit-il. "C'est devenu une technologie très mature et, comme avec les tours CNC et les centres d'usinage, n'est qu'une façon de plus de fabriquer des pièces."

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La fabrication additive est de plus en plus utilisée pour compléter l'usinage et les processus de fabrication plus traditionnels.

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