L'évolution des machines CNC : du 18e siècle à la fabrication de précision moderne

Pilier moderne de la fabrication et de la production, la commande numérique par ordinateur (CNC) remonte aux années 1940 avec l'apparition des premières machines à commande numérique (CN). Cependant, les machines-outils existaient bien avant. En fait, une machine utilisée pour remplacer les techniques artisanales et augmenter la précision a été inventée en 1751. Il a fallu du temps avant que le concept ne prenne les capacités d'une entreprise moderne de production CNC.

Les techniques d'usinage qui ont conduit à la fabrication CNC ont marqué le début de l'industrialisation. La définition actuelle de l'usinage CNC est plus spécifique. Elle consiste à introduire des fichiers 3D dans un ordinateur, qui exécute un programme contrôlant le mouvement des outils dans un centre d'usinage. Le processus est entièrement automatisé, de l'axe et de la vitesse de rotation des outils de coupe à l'obtention des dimensions souhaitées de la pièce.

Qu'est-ce qu'une machine CNC ?

Une machine CNC est un système combinant plusieurs outils (forets, tours, fraises), intégrés dans des cellules dont la machine peut les sélectionner et les utiliser. Elle est conçue pour fabriquer des pièces tridimensionnelles. Les machines les plus simples se déplacent sur un ou deux axes. En revanche, les systèmes plus avancés offrent un mouvement sur les axes X et Y et un déplacement longitudinal sur l'axe Z. Beaucoup sont capables de mouvements de rotation et même de retourner les pièces automatiquement pour usiner toutes les faces sans intervention manuelle.

Les débuts du travail CNC

Bien que l'idée existait depuis un certain temps, le premier concept de commande numérique n'a été développé qu'en 1949. John T. Parsons, pionnier de l'informatique, l'a développé dans le cadre d'un projet de recherche de l'US Air Force mené au Massachusetts Institute of Technology (MIT). Une fraiseuse expérimentale a été construite au laboratoire de servomécanismes de l'institut, dans le but d'utiliser des axes motorisés pour produire des pales d'hélicoptère et des peaux d'avion plus rigides.

Parsons Corporation à Traverse City, Michigan, a travaillé sur le premier système même avant la collaboration avec le MIT. Parsons a pu utiliser un multiplicateur IBM 602A pour calculer les coordonnées de profils d'aile. Les points de données étaient introduits dans une aléseuse suisse par l'intermédiaire de cartes perforées. Des informations préprogrammées pouvaient être utilisées pour produire des pièces pour hélicoptères ; c'était le précurseur de la programmation des machines CNC.

L'idée a été développée et, en 1952, Richard Kegg (en collaboration avec le MIT) a présenté la Cincinnati Hydro-Tel, une fraiseuse à broche verticale de 28 pouces pour contour. Sa commercialisation s'est accompagnée d'un brevet pour un « Appareil à commande motrice avec machine-outil de positionnement ». Le prototype initial, bien qu'utilisant une bande de papier à huit colonnes, un lecteur de bande et un système de contrôle électronique à tubes sous vide, est devenu un point focal pour les développements futurs.

Les premières machines CNC des années 1940 et 1950 utilisaient des bandes perforées, alors couramment employées dans les télécommunications et le stockage de données. Cette technologie a été remplacée par des technologies de calcul analogique. Des années 1960 aux années 1970, les technologies numériques sont apparues, rendant le processus de production automatisé et plus efficace.

Parsons a été récompensé pour son travail précoce. En 1968, il a reçu le premier prix Joseph Marie Jacquard Memorial Award de la Numerical Control Society. La Society of Manufacturing Engineers lui a décerné une plaque honoraire en 1975, le nommant « Le père de la deuxième révolution industrielle ».

Évolution de l'usine CNC d'aujourd'hui

Les systèmes de contrôle de mouvement hautement automatisés utilisés aujourd'hui par les fabricants reposent toujours sur les trois composants principaux de leurs prédécesseurs. Ils nécessitent une fonction de commande (système numérique ou analogique, suiveur de came ou levier pour l'activer) ; un système d'entraînement/de mouvement tel qu'un moteur, un vérin, une valve ou un embrayage ; et un système de rétroaction, tel qu'un encodeur. Dans les premières machines CN, un niveau de contrôle chevauchait une came. Le moteur tournait alors pour actionner la machine, mais si le câble de rétroaction se rompait, le flux de fluide ne pouvait pas être arrêté.

Les machines CNC modernes sont contrôlées électroniquement, ce qui rend ce scénario hautement improbable. Les résultats finaux sont désormais plus prévisibles. De plus, elles peuvent utiliser pratiquement tout type de matériau, y compris le métal, le bois, le plastique, la fibre de verre ou la mousse.

En outre, de nouvelles formes d'usinage ont été développées. Reposant sur le même concept que l'usinage CNC, elles incluent l'usinage par faisceau d'électrons, l'électroérosion et l'usinage photochimique. Ces procédés et d'autres sont souvent choisis en fonction du matériau utilisé dans la production de masse. Sont également courants les machines de découpe laser, oxycoupage, jet d'eau et plasma.

S'appuyer sur le prototypage rapide

La perspective du prototypage rapide a évolué au fil des ans, mais le concept a été appliqué dès les premiers systèmes de commande numérique à bande perforée. Avant cela, toutes les pièces étaient usinées à la main ; même les systèmes à bande perforée ont révolutionné le processus. Aujourd'hui, il existe de nombreuses options de prototypage selon le matériau, l'économie et la complexité des pièces CNC.

Les outils disponibles et les axes de rotation font encore des machines CNC des équipements attrayants et extrêmement utiles. Avec l'avènement de l'impression 3D, ces avantages ont commencé à montrer leurs limites. Une imprimante 3D peut produire des pièces complexes, y compris leurs composants internes. Selon l'application, les choix de matériaux peuvent être limités, donc les systèmes CNC restent le choix privilégié, en particulier pour le développement de prototypes.

Importance de la fabrication CNC aujourd'hui

Le rôle des machinistes traditionnels s'efface rapidement. Au 21e siècle, la demande de spécialistes CNC ne cesse de croître. Des organisations comme l'Institute for Technical Trades proposent des formations pour doter les machinistes des compétences nécessaires pour travailler dans ce domaine. Dans de nombreuses industries, les perspectives d'emploi sont robustes ; certains prédisent que les emplois technologiques comme l'exploitation d'équipements CNC représenteront 40 % des futurs postes vacants.¹

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Source :

1. https://www.instituteoftechnicaltrades.com/blog/history-computer-numerical-control/