Pourquoi l'aluminium est le matériau de choix pour l'usinage CNC : avantages, usages et alternatives

Pour les projets d'usinage CNC, l'aluminium est l'un des choix de matériaux les plus populaires en raison de ses propriétés physiques désirables. Il est résistant, ce qui le rend idéal pour les pièces mécaniques, et sa couche externe oxydée résiste à la corrosion des éléments. Ces avantages ont rendu les pièces en aluminium communes dans toutes les industries, particulièrement favorisées dans l'automobile, l'aérospatial, la santé et l'électronique grand public.

L'aluminium offre aussi des avantages spécifiques qui simplifient et améliorent le processus d'usinage CNC. Contrairement à beaucoup d'autres métaux aux propriétés similaires, l'aluminium offre une excellente usinabilité : beaucoup de ses nuances peuvent être efficacement pénétrées par les outils de coupe, s'écaillant facilement tout en étant relativement faciles à former. Grâce à cela, l'aluminium peut être usiné plus de trois fois plus vite que le fer ou l'acier.

Cet article explique certains des avantages clés de l'usinage CNC d'aluminium – raisons pour lesquelles c'est l'un de nos procédés de prototypage et production les plus demandés – mais suggère aussi des alternatives d'usinage à l'aluminium.

D'autres métaux et plastiques peuvent offrir des avantages similaires à l'aluminium, en plus de leurs propres avantages uniques.

Avantages de l'usinage CNC d'aluminium

• Usinabilité
• Résistance à la corrosion
• Rapport résistance/poids
• Conductivité électrique
• Potentiel d'anodisation
• Recyclabilité

Pièces CNC en aluminium typiques de 3ERP

Usinabilité

L'une des principales raisons pour lesquelles les ingénieurs choisissent l'aluminium pour leurs pièces usinées est que, tout simplement, le matériau est facile à usiner. Bien que cela semble plus un avantage pour l'usinier, cela a aussi des avantages significatifs pour l'entreprise commandant la pièce et l'utilisateur final.

Comme l'aluminium s'écaille facilement et est facile à former, il peut être coupé rapidement et précisément avec des outils de machine CNC. Cela a d'importantes conséquences : d'abord, le court délai du travail d'usinage rend le processus moins cher (moins de main-d'œuvre de l'usinier et moins de temps machine) ; ensuite, une bonne usinabilité signifie moins de déformation de la pièce pendant que l'outil traverse la pièce brute. Cela permet à la machine de tenir des tolérances plus serrées (aussi bas que ±0,025 mm) et conduit à une précision et répétabilité plus élevées.

Résistance à la corrosion

Les différents grades d'aluminium diffèrent grandement dans leur résistance à la corrosion – le degré auquel ils résistent à l'oxydation et aux dommages chimiques. Heureusement, certains des grades les plus populaires pour l'usinage CNC sont les plus résistants. Le 6061, par exemple, offre une excellente résistance à la corrosion, tout comme d'autres alliages au bas du spectre de résistance. (Les alliages d'aluminium à haute résistance peuvent être moins résistants à la corrosion à cause du cuivre allié.)

Rapport résistance/poids

L'aluminium a des propriétés physiques désirables le rendant idéal pour pièces mécaniques et esthétiques. Deux des plus importantes sont la haute résistance du métal et sa légèreté, toutes deux rendant le matériau favorable pour des pièces critiques comme celles requises en aérospatial et automobile. Les fixations d'avion et arbres automobiles sont deux exemples de pièces usinables avec succès en aluminium.

Cependant, différents grades servent à différents usages. Grâce à leur rapport résistance/poids favorable, les grades polyvalents comme le 6061 conviennent à une grande variété de pièces, tandis que des grades notablement haute résistance comme le 7075 peuvent être préférés en aérospatial et marine.

Conductivité électrique

Les pièces en aluminium usinées CNC peuvent être utiles pour composants électriques grâce à leur conductivité. Bien que moins conductif que le cuivre, l'aluminium pur a une conductivité d'environ 37,7 millions de siemens par mètre à température ambiante. Les alliages peuvent avoir des conductivités plus faibles, mais les matériaux en aluminium sont significativement plus conductifs que, par exemple, l'acier inoxydable.

Matériau	Conductivité (S/m) à température ambiante
Cuivre	59,6 millions
Aluminium	37,7 millions
Zinc	16,9 millions
Fer	10 millions
Acier au carbone	7 millions
Titane	2,4 millions
Acier inoxydable	1,5 million

Potentiel d'anodisation

Les pièces en aluminium usinées sont particulièrement populaires dans l'électronique grand public, pas seulement pour les exigences de résistance et poids, mais pour d'importantes considérations esthétiques. Outre être réceptifs aux peintures et teintures, l'aluminium peut être traité par anodisation, une finition de surface qui épaissit la couche externe oxydée protectrice de la pièce.

Le processus d'anodisation, qui a généralement lieu après l'usinage, implique de faire passer un courant électrique à travers la pièce dans un bain d'acide électrolytique, résultant en un aluminium plus résistant aux chocs physiques et à la corrosion.

Important, l'anodisation facilite l'ajout de couleur à une pièce en aluminium usinée, car la couche externe anodisée est hautement poreuse. Les colorants trouvent leur chemin à travers les sections poreuses et sont moins susceptibles de s'écailler car ils sont incrustés dans l'extérieur dur du métal.

Recyclabilité

Un autre avantage de l'aluminium est sa haute recyclabilité, le rendant préférable pour les entreprises cherchant à minimiser leur impact environnemental ou simplement réduire le gaspillage matière et récupérer une partie de leurs dépenses. Les matériaux recyclables sont particulièrement importants en usinage CNC, où il y a une quantité relativement importante de déchets sous forme de copeaux de l'outil de coupe.

Alternatives à l'aluminium en usinage CNC

Les entreprises peuvent chercher des alternatives à l'aluminium pour l'usinage CNC pour diverses raisons. Après tout, le métal a quelques faiblesses : son revêtement d'oxyde peut endommager l'outillage, et il est généralement plus cher que des alternatives comme l'acier, partly à cause des coûts énergétiques élevés de la production d'aluminium.

Voici quelques alternatives potentielles d'usinage à l'aluminium, en soulignant leurs différences et similarités avec le métal gris-argent populaire.

Métaux

Acier & acier inoxydable

Meilleur que l'aluminium pour :

• Résistance
• Résistance à la température

Moins bon que l'aluminium pour :

• Usinabilité
• Poids

Les aciers et aciers inoxydables sont des matériaux largement utilisés en usinage CNC. Grâce à leur haute résistance, les aciers sont favorisés pour applications à haute contrainte et celles nécessitant des soudures fortes. Les aciers résistent à de très hautes températures, et les aciers inoxydables peuvent être traités thermiquement pour améliorer leur résistance à la corrosion.

Cependant, bien que les aciers d'usinage soient conçus pour une usinabilité améliorée, l'aluminium reste le plus usinable des deux. Les aciers sont aussi plus lourds et plus durs que l'aluminium, ce qui peut être souhaitable ou non selon l'application.

Si la résistance à la température est une considération clé et le poids ne l'est pas, l'acier peut être une alternative idéale à l'aluminium.

Titane

Meilleur que l'aluminium pour :

• Rapport résistance/poids

Moins bon que l'aluminium pour :

• Coût

Le titane peut être utilisé comme remplacement direct de l'aluminium puisque son avantage principal est un rapport résistance/poids exceptionnel – aussi l'un des principaux avantages de l'aluminium. Le titane a un poids similaire à l'aluminium mais est presque deux fois plus résistant. Comme l'aluminium, il est aussi hautement résistant à la corrosion.

Ces avantages se reflètent dans le prix plus élevé du titane. Bien que le matériau soit un excellent choix pour pièces comme composants d'avion et dispositifs médicaux, son coût peut être prohibitif.

Le titane est une alternative appropriée à l'aluminium quand la légèreté est une préoccupation principale et, important, quand le budget de fabrication a une certaine flexibilité.

Magnésium

Meilleur que l'aluminium pour :

• Usinabilité
• Poids

Moins bon que l'aluminium pour :

• Sécurité d'usinage
• Résistance à la corrosion

Bien que pas le matériau d'usinage le plus courant, le magnésium léger offre beaucoup des avantages des alliages d'aluminium courants. En fait, le magnésium est l'un des métaux les plus usinables, rendant le processus rapide et efficace.

Un inconvénient potentiel pour les ateliers ? Les copeaux de magnésium sont extrêmement inflammables et aggravés par l'eau, ce qui signifie que les usiniers doivent faire attention en évacuant les débris.

Laiton

Meilleur que l'aluminium pour :

• Certaines applications esthétiques

Moins bon que l'aluminium pour :

• Coût

Un métal à l'apparence dorée, le laiton est un métal hautement usinable disponible à un prix légèrement supérieur à l'aluminium. Il est couramment vu sur pièces comme vannes et buses, ainsi que composants structurels, tandis que sa haute usinabilité le rend adapté aux commandes de gros volumes.

Cuivre

Meilleur que l'aluminium pour :

• Conductivité électrique

Moins bon que l'aluminium pour :

• Usinabilité

Le cuivre partage plusieurs propriétés avec l'aluminium. Cependant, la conductivité électrique supérieure du cuivre peut le rendre préférable pour diverses applications électriques. Bien que le cuivre pur soit difficile à usiner, de nombreux alliages de cuivre offrent une usinabilité similaire aux grades d'aluminium populaires.

Thermoplastiques d'ingénierie

POM (Delrin)

Meilleur que l'aluminium pour :

• Isolation électrique
• Faible friction

Moins bon que l'aluminium pour :

• Résistance
• Résistance à la chaleur

Les projets d'usinage CNC ne doivent pas être limités aux métaux. En fait, plusieurs thermoplastiques d'ingénierie peuvent égaler ou dépasser certains avantages de l'aluminium, selon l'application.

Comme l'aluminium est souvent favorisé pour son excellente usinabilité, une alternative plastique viable est le POM (Delrin), qui est, comme l'aluminium, hautement adapté au processus d'usinage. Le POM a un point de fusion bas mais une résistance impressionnamment haute pour un plastique.

Le POM est un isolant électrique, le rendant adapté pour pièces comme boîtiers électroniques. Il convient aussi pour pièces mécaniques. Cependant, compte tenu de son comportement isolant radicalement différent de l'aluminium, il ne devrait être utilisé comme remplacement direct que dans les situations où la conductivité thermique et électrique est d'importance négligeable.

PTFE (Teflon)

Meilleur que l'aluminium pour :

• Isolation électrique
• Très faible friction

Moins bon que l'aluminium pour :

• Résistance

Comme le POM, le PTFE (Teflon) est un thermoplastique hautement usinable qui est un excellent isolant électrique. Contrairement au POM, le PTFE résiste aussi aux hautes températures (jusqu'à 260 °C), le rendant une alternative viable à l'aluminium pour applications haute température.

La haute résistance chimique du PTFE en fait aussi un matériau d'usinage populaire pour pièces utilisées dans l'industrie alimentaire.

PEEK

Meilleur que l'aluminium pour :

• Usage médical

Moins bon que l'aluminium pour :

• Usinabilité
• Coût

Bien que le PEEK soit plus difficile à usiner que les deux thermoplastiques précédents, sa haute résistance et stabilité thermique (résistant jusqu'à 260 °C) en font une véritable alternative directe à l'aluminium. La popularité du PEEK pour pièces comme vannes, roulements, pompes et buses témoigne de ses capacités métalliques.

Un obstacle est le prix. Comme polymère haute performance, le PEEK est l'un des thermoplastiques usinables les plus chers, le rendant adapté seulement pour projets où des matériaux ubiquitaires comme l'aluminium sont inutilisables.

ABS

Meilleur que l'aluminium pour :

• Résistance au choc thermique

Moins bon que l'aluminium pour :

• Résistance

L'ABS est couramment utilisé comme matériau de moulage par injection et, ces dernières années, comme filament d'impression 3D. Mais bien que l'ABS ait peu en commun avec l'aluminium, il reste un matériau polyvalent et léger pour l'usinage CNC, offrant une résistance aux chocs supérieure à la moyenne.

Autres

Autres plastiques usinables, pour la plupart très dissemblables de l'aluminium, incluent PC, ABS+PC, PP, PS, PMMA (Acrylique), PAGF30, PCGF30, DHPE, HDPE, et PPS.

Alternatives aux grades spécifiques d'aluminium

Application	Aluminium	Alternative
Général	6061	Acier doux 1018
Aérospatial	7075	Acier inoxydable 303
Marin	5083	Acier inoxydable 304 Acier inoxydable 316
Construction	5083	Acier doux A36
Alimentaire	6061	PTFE PC

Combiner l'usinage CNC avec d'autres procédés

Si l'aluminium reste le choix de matériau préféré pour un projet, il y a des façons de combiner l'usinage CNC avec d'autres procédés de fabrication pour créer des pièces en aluminium plus complexes et plus performantes. Cela peut maximiser la fonctionnalité de l'aluminium tout en récoltant les avantages de plusieurs procédés de production.

En plus d'être un procédé de fabrication tout-en-un, l'usinage CNC peut être utilisé pour affiner ou modifier des pièces faites avec d'autres machines. L'extrusion, la fonderie et le forgeage peuvent chacun être complétés par l'usinage pour faire de meilleurs composants en aluminium.

Extrusion d'aluminium + usinage CNC

L'extrusion force la matière en fusion à travers une ouverture dans une filière, produisant un composant allongé avec un profil continu. Si l'extrusion d'aluminium est un moyen efficace de produire des composants fonctionnels avec finitions de surface de qualité et sections transversales complexes, elle est limitée car ces sections doivent être constantes sur la pièce.

À moins, bien sûr, que la pièce ne soit modifiée après extrusion. Comme l'extrusion d'aluminium tend à impliquer des grades malléables, ductiles et usinables comme 6061 & 6063, les pièces extrudées peuvent être post-usinées – coupées de diverses façons avec un centre d'usinage CNC.

Combiner extrusion d'aluminium et usinage CNC est un excellent moyen de produire des pièces résilientes avec sections transversales complexes et géométries irrégulières.

Moulage sous pression + usinage CNC

Le moulage sous pression est un procédé où le métal en fusion est forcé dans une cavité de moule sous haute pression. Il est généralement utilisé pour faire des pièces en plus grandes quantités car les matrices en acier à outils requises sont chères à faire.

Avec l'acier, le magnésium et le zinc, l'aluminium est l'un des métaux les plus populaires pour le moulage sous pression, et les pièces en aluminium moulées sous pression ont généralement une excellente finition de surface et consistance dimensionnelle.

Ces avantages peuvent être combinés avec ceux de l'usinage CNC. En moulant sous pression des composants en aluminium puis en ajoutant d'autres coupes avec un centre d'usinage, il est possible de créer des pièces avec une finition exceptionnelle et géométries plus complexes qu'avec l'un ou l'autre procédé seul.

Le moulage par gravité peut être utilisé au lieu du moulage sous pression si réduire le coût est plus important qu'assurer haute précision ou créer parois minces.

Moulage à la cire perdue + usinage CNC

Le moulage à la cire perdue utilise des modèles en cire pour créer des pièces métalliques. Comme d'autres procédés de fonderie, il produit des pièces avec excellente finition de surface et haute précision dimensionnelle.

Le procédé produit aussi des avantages uniques : il peut créer des pièces plus complexes que le moulage sous pression, et les pièces émergent sans lignes de partage.

Les alliages d'aluminium sont un matériau courant pour le moulage à la cire perdue, et les pièces en aluminium moulées peuvent être post-usinées pour affinage.

Forgeage + usinage CNC

De nombreux alliages d'aluminium usinables sont aussi adaptés au procédé ancestral de forgeage, qui façonne le métal par force compressive. (Cela implique souvent de frapper le métal avec un marteau.)

L'aluminium 6061, par exemple, est adapté au forgeage à chaud avec matrice fermée – un procédé couramment utilisé pour produire composants automobiles et industriels.

Les pièces forgées en aluminium peuvent être post-usinées avec un centre d'usinage CNC. Cela peut être bénéfique comparé à l'usinage seul car les pièces forgées sont généralement plus résistantes que les équivalents entièrement moulés ou entièrement usinés. Cependant, le post-usinage permet la création de géométries plus complexes sans compromettre totalement l'intégrité de la pièce.

Pour en savoir plus sur l'usinage CNC avec l'aluminium et d'autres matériaux, contactez 3ERP.