Choisir entre impression 3D et fraisage CNC pour votre laboratoire de prototypage : guide pratique

Pour évaluer avec précision vos besoins lors de la mise en place d'un laboratoire de prototypage, la première étape est de choisir entre impression 3D et fraisage CNC.

Les deux options se sont avérées cruciales pour les processus de fabrication modernes, chacune offrant une liste d'avantages par rapport aux méthodes de fabrication traditionnelles. En fin de compte, lorsqu'il s'agit d'impression 3D vs fraisage CNC, « le choix de réaliser un prototype avec une machine CNC ou une imprimante 3D dépend de plusieurs facteurs : la gamme de prix, la taille de la pièce/prototype, et le type de matériaux utilisés. »

C'est pourquoi nous avons décidé de remettre les pendules à l'heure et de lever quelques malentendus. Bien que l'impression 3D ait indéniablement sa place, il est important de ne pas être myope lors de l'évaluation des mérites des fraiseuses CNC pour le prototypage industriel.

Ce qui suit est une analyse des définitions, histoires, applications et projections pour les deux processus alors que la fabrication moderne continue d'évoluer. Nous espérons que ces informations guideront votre décision quant aux besoins spécifiques de votre entreprise lors de la mise en place d'un laboratoire de prototypage.

Définir l'impression 3D vs le fraisage CNC

Une explication simple de l'impression 3D : « c'est un processus de fabrication par lequel des objets solides tridimensionnels (3D) sont créés. Il permet la création de modèles physiques 3D d'objets en utilisant une série de cadres de développement additifs ou par couches, où les couches sont déposées successivement pour créer un objet 3D complet. » Pour cette raison, l'impression 3D est également appelée fabrication additive.

Selon Investopedia, « la technologie d'impression 3D augmente déjà la productivité de la fabrication, et a un tel potentiel qu'elle pourrait perturber massivement les industries de la logistique de fabrication et de la gestion des stocks — si elle peut être utilisée avec succès en production de masse, et si la fabrication devient plus locale. »

D'autre part, « les machines à commande numérique par ordinateur (CNC) automatisent le contrôle des outils machines grâce à l'utilisation de logiciels embarqués dans un micro-ordinateur attaché à l'outil. Elles sont couramment utilisées dans la fabrication pour l'usinage de pièces métalliques et plastiques. »

Une idée reçue courante sur le CNC est que ce contrôle automatisé a un coût — littéralement. Le CNC est souvent inexactement perçu comme plus cher, en partie à cause de la croyance que de la main-d'œuvre hautement qualifiée est requise. En réalité, l'usinage CNC a fait des progrès significatifs pour s'éloigner de ces vérités initiales.

Impression 3D — Brève histoire

Les applications modernes de l'impression 3D trouvent leurs racines au début des années 1980. L'histoire de l'impression 3D est une étude en évolution rapide. Après la naissance de l'impression 3D en 1981 est venue la création de la stéréolithographie en 1884, qui est « une forme de technologie d'impression 3D utilisée pour créer des modèles, prototypes, motifs et pièces de production couche par couche en utilisant des processus photochimiques par lesquels la lumière amène des monomères chimiques à se lier pour former des polymères. »

L'industrie médicale a rapidement capitalisé sur les avancées de l'impression 3D ; d'abord en 1999, quand l'Institut Wake Forest de médecine régénérative, dirigé par le Dr Anthony Atala, a annoncé l'impression et la génération réussies de tissu vésical humain, qui a ensuite été transplanté chez des individus avec peu de risque de rejet immunitaire car il était construit à partir de leur propre structure cellulaire ou échafaudages.

Avance rapide jusqu'en 2016 quand « l'institut a annoncé le succès de l'impression de structures de tissu vivant à l'aide d'une imprimante 3D spécialisée que ses chercheurs ont conçue sur une décennie. Les scientifiques ont imprimé des structures d'oreille, d'os et de muscle qui, une fois implantées chez des animaux, ont mûri en tissu fonctionnel et développé un système de vaisseaux sanguins. »

Actuellement, « l'application d'impression 3D la plus avancée anticipée est la bioprinting d'organes complexes. Il a été estimé que nous sommes à moins de 20 ans d'un cœur entièrement fonctionnel imprimable. »

Concernant l'utilisation industrielle du prototypage rapide par impression 3D, « Les fabricants augmentent leur dépendance à l'impression 3D dans le cadre de leurs stratégies de fabrication plus larges, avec une utilisation en production passant à 51 % de tous les répondants contre 38,7 % en 2018. »

Cela ne devrait pas surprendre, particulièrement quand on considère certains points forts publiés par Forbes dans The State of 3D Printing, 2019 :

Selon ce rapport, huit industries figuraient dans l'étude de conception de recherche : Biens industriels (13,6 %), Haute technologie (10,6 %), Services (9,9 %), Biens de consommation (8,6 %), Santé & Médical (6,2 %), Automobile (5,7 %), Aérospatiale & Défense (5,5 %), et Éducation (4,9 %), illustrant le potentiel diversifié de l'impression 3D pour soutenir et bénéficier à divers secteurs verticaux.

Cependant, dans La Bataille de la Fabrication : Additive vs Soustractive, les machines CNC règnent en maître : « Bien que la fabrication additive ait fait des percées impressionnantes dans les industries aérospatiale et automobile, l'usinage CNC reste le choix de référence pour la grande majorité des fabricants. »

Comment les fraiseuses CNC sont nées

Comme décrit dans l'Histoire et Définition du CNC 100, les machines CNC, originellement appelées machines NC, étaient « contrôlées par des circuits électriques complexes. Les machines NC lisaient et exécutaient une ligne de code à la fois depuis un programme de pièce perforé sur une bande de papier ou de mylar. »

Avec l'évolution de la technologie des petits ordinateurs, les ordinateurs ont commencé à contrôler les outils machines ; d'où la naissance du CNC en tant que processus de fabrication. De cette première ligne de code, les machines CNC ont développé la capacité de stocker des centaines de programmes.

Pour une histoire approfondie des outils machines CNC, Encyclopedia.com couvre tous les aspects. Il est intéressant de noter que :

Cependant, nous pouvons établir plusieurs points clés sur la chronologie suivante :

• Les outils machines comme les tours à bois sont bibliques, mais ce n'est qu'en 1800 que Henry Maudslay a inventé un tour à métaux.
• Peu après, en 1818, Eli Whitney (connu pour son invention de l'égraineuse de coton) a introduit la première fraiseuse.
• Ces deux machines nécessitaient des opérateurs humains, ce qui entraînait des erreurs humaines sur le produit fini.
• Après la Seconde Guerre mondiale, John T. Parsons a introduit la première fraiseuse moderne, intégrant un ordinateur IBM précoce dans ces plans.
• Les années 1960 ont apporté des prix plus bas et des machines plus accessibles, les rendant intégrales à des applications et industries supplémentaires.
• Avec l'avancement de l'électronique intégrée, la bande de papier ou mylar (référencée ci-dessus) a été éliminée, les machines modernes pouvant maintenant lire les données depuis la mémoire de l'ordinateur programme.

Actuellement, « Les processus de fabrication courants utilisant des machines CNC incluent le pliage, le perçage, le poinçonnage, le collage, le meulage, la découpe laser, la découpe flamme et plasma, le routage, la prise et pose, le soudage ultrasonique et plus encore. Fraiseuses, tours, électroérosion et découpeurs à jet d'eau fonctionnent souvent avec du CNC. »

Un rapide examen des histoires de l'impression 3D et des machines CNC témoigne du potentiel de l'une ou l'autre pour optimiser vos processus de fabrication lors de la mise en place d'un laboratoire de prototypage.

Évaluer les processus de fabrication additive vs soustractive

Pour déterminer si votre laboratoire de prototypage nécessite l'impression 3D ou des fraiseuses CNC, vous devez d'abord considérer si vos produits sont conçus pour être livrés le plus efficacement selon des processus de fabrication additive vs soustractive.

Un avantage clé du soustractif sur l'additif est que, « En plus d'éliminer le empilage des couches des processus additifs, les processus soustractifs ont d'autres avantages. Ils offrent une variété de finitions de surface, éliminant les surfaces « en escalier » souvent trouvées dans de nombreux processus additifs. La finition peut être fonctionnellement importante si les pièces doivent glisser et esthétiquement importante si les prototypes sont utilisés pour des tests de marché. »

Il est utile de considérer les types d'applications que ces processus supportent.

Comprendre les applications additives vs soustractives

Bien que le nouveau venu entre les deux, « La fabrication additive est déjà utilisée pour produire une gamme impressionnante de produits. » Ces produits figurent principalement dans les industries suivantes : aérospatiale, automobile, santé, et développement de produits.

Malgré la nature tendance de l'impression 3D dans divers secteurs, le fait reste : « La fabrication soustractive vous donne l'opportunité de concevoir, prototyper et fabriquer dans des matériaux d'utilisation finale. C'est un choix approprié pour les pièces utilisées pour des séries de production petites et grandes, pour obtenir des finitions spécifiques, ou pour obtenir des propriétés mécaniques spécifiques. »

Pour cette raison, « Les processus soustractifs sont très largement utilisés dans la fabrication… Le tournage, fraisage, perçage, sciage, filetage et taillage d'engrenages sont quelques exemples de processus soustractifs impliquant la coupe de métal traditionnellement réalisés sur des machines spécialisées. »

Sensibiliser au bruit et aux vibrations

Quand on pense à certains des outils de base utilisés en usinage CNC : fraiseuse, tour, découpe plasma, électroérosion, machine multi-broches, découpeur à jet d'eau, il n'est pas difficile d'imaginer que les processus de fabrication soustractifs produisent plus de bruit et de vibrations sur site que la fabrication additive comme l'impression 3D. Selon votre localisation, cela influencera probablement ce dont vous avez besoin pour configurer votre laboratoire de prototypage optimal.

Qu'est-ce qui est le plus facile à utiliser ? Imprimantes 3D ou machines CNC

En général, l'impression 3D est présentée comme une opération plus facile comparée aux CNC. La raison principale est « parce qu'une fois le fichier préparé, il suffit de choisir l'orientation de la pièce, le remplissage, et les supports si nécessaire. Une fois l'impression lancée, aucun superviseur n'est requis et l'imprimante peut être laissée jusqu'à ce que la pièce soit terminée. »

Comme les CNC sont plus impliquées, au niveau de la main-d'œuvre, il existe une croyance répandue que l'usinage CNC nécessite un tourneur qualifié. Bien que cela ait pu être le cas par le passé, les temps ont changé.

Notre machine DATRON intègre de multiples fonctionnalités permettant une configuration facile. En fait, la machine peut guider un utilisateur novice à travers l'ensemble du processus en huit étapes de configuration d'une machine CNC pour la première fois. En fin de compte, il faut en moyenne seulement un à deux jours de formation pour se sentir à l'aise et confiant avec la technologie.

L'interface est conçue pour ressembler et fonctionner comme un smartphone, complète avec une caméra et un système de palpeuse mécanique qui enregistre automatiquement la pièce, éliminant le besoin pour un technicien qualifié d'entrer ces informations. Les solutions de bridage intégrées et la technologie d'outils de coupe sont inclusives, gardant l'ensemble du processus en interne en éliminant le besoin de spécifier et d'acheter des composants similaires ailleurs.

Connaître vos limites : précision, taille et complexité géométrique

En considérant Impression 3D vs Usinage CNC — Quelle est la meilleure option pour votre prototype ? Josh Biggs déclare : « Pour commencer, l'usinage CNC est une excellente option si vous recherchez une grande précision dimensionnelle. De plus, l'usinage CNC peut travailler avec des matériaux qui ne peuvent pas encore être imprimés, comme le bois, par exemple. L'usinage CNC bat aussi l'impression 3D pour le travail des métaux et fonctionne tout aussi bien avec les plastiques. »

Il ajoute que « De plus, les machines CNC offrent des résultats plus précis généralement. Les machines CNC sont le meilleur choix si vous avez besoin de pièces très étroites ou de tolérances incroyablement serrées. Rien d'autre n'égale les tolérances de 0,01 mm. »

Même l'équipe de 3Dnatives, dédiée aux détails de la fabrication additive et à tout ce qui touche à l'impression 3D, rapporte un avantage considérable de la fabrication soustractive : « En termes de tolérance, l'usinage CNC est supérieur à tous les processus d'impression 3D. »

Cependant, lorsqu'il s'agit de fabriquer des pièces à haute complexité géométrique, l'impression 3D a l'avantage.

Peser les coûts : Impression 3D vs CNC

Comme vous pouvez le voir, la fabrication n'est pas une proposition à solution unique. Le montant d'argent requis pour votre laboratoire de prototypage dépendra non seulement de ce que vous produisez, mais de la taille et du nombre d'articles que vous produirez.

Par exemple, selon l'analyse coûts-avantages simple de Biggs :

Interesting Engineering a publié Common Misconceptions about CNC Machining Production, démystifiant le mythe sur les processus CNC coûteux :

Évidemment, la voie la plus rentable pour votre entreprise est mieux déterminée par vos conceptions de produits et plans spécifiques.

En ce qui concerne les imprimantes 3D, les options, tailles et gammes de prix couvrent tout l'éventail et il en va de même pour ce que chacune peut réellement imprimer à partir de divers matériaux. En plus des coûts de matériaux inconnus ou mal définis, les opérateurs nécessitent généralement une formation par un expert résident, ce qui représente un investissement dans la formation du personnel.

Avec les équipements DATRON, nos machines de coupe acceptent le plastique, le bois, l'aluminium et l'acier de n'importe quel fournisseur, vous permettant d'estimer et d'établir votre coût de matériaux à l'avance. Comme nous l'avons expliqué, aucune formation avancée n'est requise pour faire fonctionner nos machines, vous faisant économiser sur le personnel, faisant des machines CNC DATRON une alternative plus rentable.

Pas de gaspillage, pas de regret

Compte tenu de la nature de la fabrication soustractive — enlevant des couches de matériau pour créer un produit — sans parler des types d'outils d'usinage CNC requis, il ne devrait pas surprendre que les machines CNC puissent laisser un peu de désordre derrière elles.

La quantité de désordre et ce que ces déchets pourraient signifier a été évaluée par Energy.gov dans la revue 2015, Innovating Clean Energy Technologies in Advanced Manufacturing. Le rapport met en avant un avantage de la fabrication additive comme son potentiel à « économiser l'énergie en éliminant des étapes de production, en utilisant substantiellement moins de matériau, en permettant la réutilisation des sous-produits, et en produisant des produits plus légers. »

Introduire une loi plus propre

Chez DATRON, nous avons affiné nos équipements d'usinage grande vitesse afin d'éliminer le désordre, rendant possible le retrait des pièces finies sans ébavurage ni dégraissage.

De plus, les outils et accessoires CNC DATRON offrent les RPM les plus élevés disponibles dans la machine à plus faible encombrement du marché — considérez-le comme notre propre initiative verte.

Typiquement, les fraiseuses CNC à capacités industrielles comportent de gros moteurs qui génèrent beaucoup de chaleur, nécessitant de l'huile pour refroidir et lubrifier les composants de la machine. L'élimination de l'huile est nécessaire, mais le processus présente un risque pour l'environnement comme nous l'avons vu avec les grandes marées noires du passé.

Puisque nous n'avons pas besoin de la même quantité de chaleur, d'huile, ou de lubrifiant de refroidissement par inondation pour maintenir les machines, nous offrons de meilleures économies d'énergie depuis une empreinte bien plus petite.

Le verdict : Impression 3D vs Usinage CNC

Ce dont vous avez besoin dans votre laboratoire de prototypage professionnel, que ce soit l'impression 3D ou l'usinage CNC, est mieux déterminé par votre produit spécifique. Bien que nous espérions que les informations partagées ici ont apporté quelque clarté, la vérité est que l'impression 3D et l'usinage CNC peuvent tous deux fonctionner — ou même se compléter, selon vos besoins de fabrication.

En fait, il existe plusieurs cas pour Quand Combiner Impression 3D et Usinage CNC, principalement en raison des tolérances, du temps, et/ou d'une pièce de travail significativement dimensionnée ; de plus, « Combiner ces deux processus n'exige pas le flux de travail complexe que vous pourriez imaginer. Tout aussi important, cela peut apporter plusieurs avantages significatifs pour votre entreprise de fabrication. »

Pour une discussion plus approfondie sur le processus de fabrication ou la combinaison de processus idéale pour votre laboratoire de prototypage, contactez-nous. Nous répondons rapidement et sommes impatients de partager notre expertise.