14 stratégies de conception éprouvées pour réduire les coûts d'usinage CNC

Dans l'usinage à commande numérique (CNC), que vous souhaitiez créer un prototype unique ou lancer une production à grande échelle, la priorité principale est souvent la réduction des coûts de fabrication. Heureusement, les décisions de conception peuvent aider à maintenir les prix bas. En suivant simplement les règles de conception pour l'usinabilité, vous pouvez fabriquer des pièces abordables qui respectent toujours les exigences fonctionnelles.

Cet article fournit des conseils complets pour optimiser votre conception. Nous commençons par examiner ce qui fait augmenter les coûts en usinage CNC. Nous présentons ensuite des directives exhaustives, offrant des astuces de conception éprouvées pour réduire le coût de votre projet.

Combien coûte l'usinage CNC ?

Un devis pour des pièces usinées CNC est déterminé par les facteurs suivants :

• Temps d'usinage : Plus il faut de temps pour usiner une pièce, plus elle est chère. Le temps d'usinage est souvent le principal facteur de coût en CNC, surtout pour les productions à grande échelle où de simples erreurs de conception peuvent nuire aux économies d'échelle.

• Coûts de démarrage : Liés à la préparation du fichier CAO (conception assistée par ordinateur) et à la planification du processus, les coûts de démarrage sont significatifs pour les petits volumes. Heureusement, ils sont fixes. Si la conception et la finition de surface sont adaptées à la montée en charge, vous pouvez réduire le prix unitaire en appliquant les principes d'économies d'échelle.

• Autres coûts de fabrication : Pour définir des tolérances serrées ou concevoir des pièces avec des caractéristiques difficiles à usiner (par exemple, des parois très fines), vous pouvez avoir besoin d'outillages spéciaux, d'un contrôle qualité plus strict et de plus d'étapes de traitement à des vitesses d'usinage plus faibles. Cela impacte également le temps et le coût total de fabrication.

• Coût des matériaux : Le prix de la matière première et la facilité avec laquelle elle peut être usinée influencent grandement le coût global en CNC. Optimiser votre conception en tenant compte soigneusement de votre matériau peut réduire les coûts.

En comprenant ce qui détermine les coûts de l'usinage CNC, nous pouvons optimiser la conception pour réduire le budget.

Comment réduire les coûts d'usinage CNC

1. Ajouter un rayon aux arêtes verticales internes

Tous les outils de fraisage CNC ont une forme cylindrique et créent un rayon lors de la coupe du bord d'une poche. Un rayon de coin peut être réduit en utilisant un outil de plus petit diamètre. Cela nécessite plusieurs passes à vitesse plus faible car les outils plus petits ne peuvent pas enlever la matière aussi rapidement que les outils plus grands en une seule passe. Cela augmente le temps d'usinage et le coût.

Pour minimiser les coûts :

• Ajoutez un rayon d'au moins un tiers de la profondeur de la cavité — plus il est grand, mieux c'est.

• Utilisez le même rayon pour toutes les arêtes internes afin d'éliminer le besoin de changer d'outil.

• Au fond de la cavité, utilisez un rayon plus petit (0,5 ou 1 mm) ou aucun rayon.

Bon à savoir : Idéalement, le rayon de coin devrait être légèrement plus grand que le rayon de l'outil utilisé pour usiner la cavité. Cela réduit les charges sur l'outil et donc le coût de fabrication. Par exemple, si votre conception a une cavité de 12 mm de profondeur, ajoutez un rayon de 5 mm (ou plus) aux coins. Cela permet à un outil de 8 mm de diamètre de couper à une vitesse plus élevée.

Astuce pro : Si vous avez besoin d'arêtes internes avec des coins vifs (par exemple, lorsqu'une pièce de forme rectangulaire doit s'insérer dans la cavité), au lieu de réduire le rayon de l'arête interne, utilisez une forme avec des dépouilles comme celles montrées dans l'image ci-dessous.

2. Limiter la profondeur des cavités

L'usinage de cavités profondes affecte considérablement le coût des pièces CNC car beaucoup de matière doit être enlevée. C'est à la fois chronophage et gâcheur de matière.

Les outils CNC ont une longueur de coupe limitée. Ils fonctionnent généralement mieux pour des cavités dont la profondeur est de deux à trois fois leur diamètre. Par exemple, un outil de fraisage de 12 mm de diamètre peut couper en toute sécurité des cavités jusqu'à 25 mm de profondeur. Il est possible de couper des cavités plus profondes (jusqu'à quatre fois le diamètre de l'outil ou plus), mais cela augmente le coût car cela nécessite un outillage spécial ou des systèmes CNC multi-axes.

Pour minimiser les coûts :

• Limitez la profondeur de toutes les cavités à quatre fois leur longueur — c'est-à-dire la plus grande dimension sur le plan XY.

• Ajustez les rayons de coins internes en conséquence. Utilisez les conseils du point 1 si nécessaire.

3. Augmenter l'épaisseur des parois minces

À moins que le poids ne soit une préoccupation majeure, fabriquez des sections pleines épaisses car elles sont plus stables et moins chères à usiner. Pour éviter la déformation ou la rupture lors de l'usinage d'une paroi fine, utilisez plusieurs passes à faible profondeur de coupe. Les caractéristiques fines sont également très sujettes aux vibrations, ce qui rend leur usinage précis difficile et augmente considérablement le temps d'usinage.

Pour minimiser les coûts :

• Pour les pièces métalliques, concevez des parois plus épaisses que 0,8 mm — plus c'est épais, mieux c'est.

• Pour les pièces en plastique, maintenez l'épaisseur minimale de paroi au-dessus de 1,5 mm.

Bon à savoir : L'épaisseur minimale de paroi réalisable pour les métaux est de 0,5 mm. Pour les plastiques, elle est de 1 mm. Évaluez l'usinabilité de telles caractéristiques au cas par cas.

Important : Les parois fines sont souvent un problème lors du placement de trous (et de filetages) très près du bord d'une pièce. Tenez-en compte lors de la conception pour l'usinage CNC.

4. Limiter la longueur des filetages

L'inclusion de filetages plus longs que nécessaire peut augmenter le coût des pièces CNC car un outillage spécial peut être requis. Les filetages plus longs que 1,5 fois le diamètre du trou n'améliorent pas la résistance de la connexion.

Pour minimiser les coûts :

• Concevez des filetages avec une longueur maximale allant jusqu'à trois fois le diamètre du trou.

• Pour les filetages dans les trous borgnes, ajoutez au moins la moitié du diamètre de longueur non filetée au fond du trou.

5. Utiliser des tailles de trous standard

Les trous peuvent être usinés CNC rapidement et avec une grande précision en utilisant des forets standard. Pour des tailles non standard, une étape d'usinage supplémentaire est requise, ce qui augmente le coût.
Lorsque c'est possible, utilisez des trous traversants au lieu de trous borgnes car ils sont plus faciles à usiner.

Limitez la profondeur des trous à quatre fois leur diamètre. Des trous plus profonds (jusqu'à 10 fois le diamètre) peuvent être fabriqués, mais ils augmentent probablement le coût car ils nécessitent plus de temps d'usinage.

Pour minimiser les coûts :

• Concevez des trous avec un diamètre qui est un incrément de 0,1 mm pour les diamètres jusqu'à 10 mm. Pour ceux au-dessus de 10 mm, utilisez un incrément de 0,5 mm.

• Lors de la conception en pouces, utilisez des fractions conventionnelles de pouce ou référez-vous à un tableau des tailles de forets en fractions de pouce.

6. Ne spécifier les tolérances que lorsque nécessaire

Définir des tolérances serrées augmente le coût d'usinage d'une caractéristique, donc cela ne doit être fait que lorsque c'est absolument nécessaire. Si une tolérance spécifique n'est pas définie sur le dessin technique, les pièces sont usinées avec la tolérance standard (± 0,125 mm ou mieux). Cela suffit pour la plupart des caractéristiques non critiques.

Pour minimiser les coûts :

• Ne définissez des tolérances plus serrées que lorsque c'est absolument nécessaire.

• Définissez un seul repère (par exemple, l'intersection de deux arêtes) comme référence pour toutes les dimensions avec tolérances.

Astuce pro : Utilisez la cotation et tolérancement géométriques (GD&T) dans les dessins techniques pour réduire le coût de l'usinage CNC. Le GD&T inclut des caractéristiques telles que le planéité, la rectitude, la circularité et la position vraie. Il définit souvent une tolérance plus large, bien qu'il nécessite des connaissances avancées en conception pour être appliqué efficacement.

7. Minimiser le nombre de reprises machine

Concevez des pièces qui peuvent être usinées en aussi peu de reprises machine que possible. Idéalement, utilisez une seule reprise. Par exemple, une pièce qui a des trous borgnes des deux côtés doit être usinée en deux reprises car elle doit être tournée pour accéder aux deux côtés.

La rotation ou le repositionnement d'une pièce augmente le coût de fabrication, car cela doit généralement être fait manuellement. De plus, les géométries complexes peuvent nécessiter un dispositif de fixation personnalisé, augmentant les coûts. Les géométries particulièrement complexes peuvent nécessiter un système CNC multi-axes, ce qui augmente également le coût.

Envisagez de séparer la pièce en plusieurs géométries qui peuvent être usinées CNC en une seule reprise et qui peuvent être boulonnées ou soudées ensemble plus tard. Cela s'applique également aux pièces avec des poches très profondes.

Pour minimiser les coûts :

• Concevez des pièces avec une géométrie 2,5D simple qui peut être fabriquée en une seule reprise de machine CNC.

• Si ce n'est pas possible, séparez la pièce en plusieurs géométries qui pourront être assemblées plus tard.

8. Éviter les petites caractéristiques avec un rapport d'aspect élevé

Les petites caractéristiques avec un rapport d'aspect largeur/hauteur élevé sont sujettes aux vibrations et sont donc difficiles à usiner avec précision.

Pour minimiser les coûts :

• Concevez des caractéristiques avec un rapport d'aspect largeur/hauteur inférieur à quatre.

• Ajoutez un support de renfort autour des petites caractéristiques ou connectez-les à une paroi pour améliorer leur rigidité.

9. Supprimer tout texte et lettrage

L'ajout de texte sur la surface d'une pièce usinée CNC peut augmenter considérablement le coût car cela nécessite des étapes d'usinage supplémentaires, ce qui prend plus de temps. Les méthodes de finition de surface, telles que la sérigraphie ou la peinture, sont un moyen plus rentable d'ajouter du texte sur la surface d'une pièce usinée CNC.

Pour minimiser les coûts :

• Supprimez tout texte et lettrage de vos pièces usinées CNC.

• Si le texte est nécessaire, choisissez du texte gravé plutôt qu'en relief.

• Utilisez une police sans serif de taille 20 minimum (par exemple, Arial ou Verdana).

10. Considérer l'usinabilité du matériau

L'usinabilité fait référence à la facilité avec laquelle un matériau peut être coupé. Plus l'usinabilité est élevée, plus un matériau peut être usiné CNC rapidement, réduisant ainsi le coût. L'usinabilité dépend des propriétés physiques de chaque matériau. En général, plus un alliage métallique est tendre et ductile, plus il est facile à usiner.

Le laiton C360 est l'alliage avec la plus haute usinabilité, permettant un usinage à grande vitesse. Les alliages d'aluminium (par exemple, 6061 et 7075) peuvent également être usinés très facilement, bien qu'ils nécessitent des vitesses légèrement plus faibles.

L'acier inoxydable a une usinabilité 10 fois inférieure à celle de l'aluminium et prendra au moins deux fois plus de temps à usiner. Différents grades d'acier ont des usinabilités différentes. Par exemple, l'acier inoxydable 304 a un indice d'usinabilité de 45 %, tandis que l'acier inoxydable 303 (un alliage de composition chimique très similaire) a un indice de 78 %, le rendant plus facile à usiner.

L'usinabilité des plastiques dépend principalement de leurs propriétés thermiques et de leur rigidité car ils sont sujets à la fusion et au gauchissement pendant l'usinage.

Le POM (Delrin) est le plastique le plus facile à usiner, suivi de près par l'ABS. Le PEEK et le nylon 6 sont des plastiques d'ingénierie courants plus difficiles à usiner.

Pour minimiser les coûts :

• Si vous avez des options, choisissez le matériau avec une meilleure usinabilité, surtout pour les grosses commandes.

11. Considérer le prix de la matière première

Le prix de la matière première est un autre facteur qui peut grandement affecter le coût des pièces usinées CNC.
Le tableau ci-dessous résume le prix des alliages métalliques et des matériaux plastiques couramment utilisés en CNC pour une plaque de dimensions 6'' x 6'' x 1'' (environ 150 x 150 x 25 mm).

Matériau	Prix
Aluminium 6061	25 $
Aluminium 7075	80 $
Acier inoxydable 304	90 $
Acier inoxydable 303	150 $
Laiton C360	148 $
ABS	17 $
Nylon 6	30 $
POM (Delrin)	27 $
PEEK	300 $

Source : McMaster

L'aluminium 6061 est de loin le moyen le plus rentable de créer des prototypes métalliques en raison de son faible coût et de son excellente usinabilité.

Les métaux offrant une meilleure usinabilité, comme l'acier inoxydable 303 et le laiton C360, coûtent plus cher et sont donc mieux adaptés à la production de plus gros volumes. Dans ce cas, les économies d'échelle entrent en jeu car le coût plus élevé du matériau est compensé par des temps d'usinage beaucoup plus courts.

En ce qui concerne les plastiques, l'ABS, le nylon et le POM (Delrin) coûtent à peu près le même prix que l'aluminium 6061. Ils sont plus difficiles à usiner, donc attendez-vous à un coût plus élevé. Le PEEK est un matériau très cher et ne doit être utilisé que lorsque c'est absolument nécessaire.

Pour minimiser les coûts :

• Choisissez un matériau à faible prix en vrac, surtout pour les commandes de faible volume.

12. Éviter les finitions de surface multiples

Les finitions de surface améliorent l'apparence des pièces usinées CNC et leur résistance aux environnements difficiles, mais elles augmentent aussi le coût. Demander plusieurs finitions de surface sur la même pièce augmente encore le coût car cela nécessite des étapes supplémentaires (par exemple, le masquage des surfaces). Un article résumant les avantages de chaque finition de surface pour les pièces CNC peut être trouvé ici.

Pour minimiser les coûts :

• Choisissez la finition de surface « telle qu'usinée ».

• Demandez plusieurs finitions de surface seulement lorsque c'est absolument nécessaire.

13. Tenir compte de la taille du brut

La taille du brut — c'est-à-dire la matière première — peut influencer le coût global. En règle générale, le brut doit être d'au moins 3 mm plus grand que la pièce finale. Pour assurer la précision, de la matière doit être enlevée sur tous les bords de la pièce.

Par exemple, concevez une pièce avec une enveloppe de 30 x 30 x 30 mm. Ces dimensions nécessiteraient un brut plus grand, généralement découpé dans une plaque de 35 mm d'épaisseur. Si la pièce avait une enveloppe de 27 x 27 x 27 mm, une plaque de 30 mm pourrait être utilisée, économisant beaucoup de matière.

Pour minimiser les coûts :

• Concevez des pièces dont les dimensions sont inférieures de 3 mm à une taille de brut standard.

14. Tirer parti des économies d'échelle

En usinage CNC, la quantité affecte grandement le prix unitaire. Cela est dû au fait que les coûts de démarrage sont relativement élevés et, lorsque les quantités sont faibles, ils représentent un gros pourcentage du coût. Avec de grandes quantités, cependant, les coûts unitaires diminuent.

Dans le graphique ci-dessous, nous traçons le prix unitaire moyen de 12 pièces différentes usinées en acier inoxydable 304.

La baisse du prix unitaire est presque exponentielle, ce qui signifie qu'augmenter le volume de un à cinq peut réduire le prix unitaire de moitié. De plus, commander des volumes très élevés (> 1 000 pièces) réduit le prix unitaire de 5 à 10 fois.

Pour minimiser les coûts :

• Profitez des économies d'échelle en commandant des quantités plus importantes.

Bonnes pratiques pour réduire les coûts CNC

En conclusion, gardez votre usinage CNC simple.

La complexité a un prix élevé en CNC. Les géométries qui nécessitent un outillage spécial ou des dispositifs de fixation, plusieurs reprises machine ou des matériaux spéciaux coûtent plus cher.

Donc, pour réduire les coûts, avant de soumettre une commande pour devis, posez-vous les questions suivantes :

• Ma pièce est-elle optimisée selon les directives de conception pour l'usinabilité ?

• Toutes les caractéristiques de mon modèle sont-elles absolument nécessaires ? Ou puis-je les supprimer ou les simplifier tout en conservant la pleine fonctionnalité de la pièce ?

• Ma conception peut-elle être séparée en plusieurs pièces plus faciles à usiner CNC et à assembler plus tard ?

• Y a-t-il un moyen de modifier ma conception pour éliminer le besoin de plusieurs reprises machine ou d'outillage spécial ?

• Existe-t-il un matériau moins cher ou plus facile à usiner qui peut répondre à mes exigences de conception ?

Le présent et le futur de l'usinage CNC

Les capacités de l'usinage CNC s'étendent constamment. Par exemple, les avancées récentes en matière d'outillage CNC permettent aux systèmes CNC modernes de fileter des trous sur toute leur longueur, et des trous de n'importe quel diamètre peuvent être usinés CNC, sans effet significatif sur le prix, en utilisant un outil CNC plongeant et l'interpolation de profil (c'est-à-dire un chemin d'outil hélicoïdal).

Dans cet article, nous nous sommes concentrés sur des conseils généraux de conception pour la fabricabilité qui ont une application universelle, quel que soit le système CNC utilisé. Interprétez ces conseils comme de bonnes pratiques générales qui peuvent vous aider à concevoir des pièces plus efficacement.

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