Se tailler une place dans l'usinage CNC des plastiques

L'usinage des plastiques présente des défis en termes d'outillage, serrage et gestion des copeaux (et de la poussière). (Crédits photo :K&E Plastics.)

Bien qu'il y ait des avantages à être un atelier d'usinage CNC de niche, il peut également y avoir des défis particuliers. K&E Plastics à Bennington, dans le Vermont, en est un bon exemple.

Comme son nom l'indique, l'atelier de sous-traitance se concentre uniquement sur l'usinage des plastiques techniques - à la fois thermoplastiques et thermodurcissables - et ce depuis que Peter Broderson a fondé K&E en 1966. Son fils, Eric, est maintenant président de l'entreprise.

Parce que peu d'ateliers se spécialisent dans l'usinage des plastiques, y compris les thermodurcissables tels que G7 et G10 remplis de verre abrasif, il y a moins de concurrence par rapport à ceux qui usinent l'aluminium, l'acier et d'autres métaux conventionnels. Cependant, la méconnaissance des plastiques par les fournisseurs d'équipements et d'outillage signifie que K&E a parfois été laissé à lui-même pour trouver des stratégies permettant d'usiner efficacement ces matériaux.

J'ai découvert certains de ces défis lorsque j'ai visité K&E en 2013 pour écrire ma première histoire sur la boutique. Le besoin de dépoussiérage. Les difficultés de fixation des plastiques. Les problèmes d'outillage qui accompagnent l'usinage des thermodurcissables chargés de verre. La liste est longue…

Bien que je n'aie pas pu revoir physiquement K&E pour cette histoire, j'apprécie de me reconnecter et d'entendre parler des nouvelles technologies et des nouveaux processus que l'atelier a ajoutés pour devenir plus capables et efficaces dans l'usinage des plastiques. Cela comprend une approche différente de l'outillage et du serrage, et l'ajout de son premier tour de type suisse pour obtenir des tolérances plus strictes et une production plus rapide de pièces complexes en thermoplastiques tels que le polyétheréthercétone (PEEK) qui fonctionnaient auparavant sur des tours traditionnels à outils multiples. Cette machine a également permis à l'atelier de ramener en interne le travail précédemment externalisé.

Nouvelles opportunités, nouvelles approches

Initialement, K&E s'est concentré sur les pièces en plastique uniquement pour les applications électriques, étant donné les excellentes propriétés d'isolation électrique des matériaux (voir encadré ci-dessous). Lorsque Broderson a repris la direction de l'entreprise de son père il y a 27 ans, il a cherché à diversifier l'entreprise en s'attaquant aux applications non électriques dans les industries médicale et aérospatiale. Aujourd'hui, elle poursuit également des opportunités dans les nouvelles technologies énergétiques, telles que les véhicules électriques, les piles à combustible et le stockage de l'énergie. Le magasin est certifié ISO 9001:2015, est enregistré dans le cadre de l'International Traffic in Arms Regulations (ITAR) et est certifié dans le cadre du programme de certification conjoint (JCP), ce qui lui permet de remporter des travaux de défense secrets. Il détient également une certification avec le programme des zones commerciales historiquement sous-utilisées (HUBZone) qui aide les petites entreprises des communautés urbaines et rurales à obtenir un accès préférentiel aux opportunités d'approvisionnement fédérales.

Les machines K&E uniquement les plastiques (y compris les thermoplastiques et les thermodurcissables) ) pour des industries telles que l'électricité, l'aérospatiale et le médical. Il voit également des opportunités dans les nouvelles applications énergétiques, telles que les piles à combustible, les véhicules électriques et le stockage de l'énergie.

L'installation de 30 000 pieds carrés de l'atelier comprend une gamme de routeurs CNC, de VMC et de tours - 28 en tout. La majorité d'entre eux sont des modèles Haas Automation. Le tour de type suisse qu'il a acheté en 2018 est un modèle Tsugami S205 (plus à ce sujet plus tard). Selon le matériau, ceux-ci peuvent usiner des pièces en utilisant du liquide de refroidissement ou sécher à l'aide de pistolets à air froid pour refroidir les opérations de coupe et aider à casser les copeaux.

Les liquides de refroidissement sont parfois utilisés pour les thermoplastiques non chargés. Les liquides de refroidissement à base d'huile ne peuvent pas être utilisés car ils dégradent souvent le plastique. Au lieu de cela, K&E utilise des liquides de refroidissement à base d'eau tels que Trim Microsol 585XT de Master Fluid Solutions. On dit qu'il s'agit d'un liquide de refroidissement semi-synthétique à microémulsion à haut pouvoir lubrifiant offrant une durée de vie prolongée du puisard et un meilleur contrôle de la mousse par rapport aux semi-synthétiques de la génération précédente.

Le magasin de K&E se distingue par le fait qu'il a des conduits connecter l'équipement qui usine les plastiques à sec à l'un des deux systèmes centraux de dépoussiérage.

Cependant, de nombreux thermodurcissables sont usinés à sec. Ces matériaux sont souvent remplis de verre ou d'autres matériaux abrasifs qui créent de la poussière lors de l'usinage. Un dépoussiérage efficace est impératif pour maintenir un environnement de travail propre et prolonger la durée de vie de la machine-outil. En fait, les conduits utilisés pour le dépoussiérage sont ce qui donne au magasin un aspect distinct.

Les conduits sont acheminés vers la zone de travail de chaque équipement qui usine les pièces en plastique à sec. L'atelier a récemment ajouté son deuxième système de dépoussiérage de 18 000 cfm, ce qui lui permet d'ajouter jusqu'à 12 centres d'usinage supplémentaires pour usiner les pièces à sec.

Le magasin a récemment installé son deuxième 18 000-cfm système de dépoussiérage, qui lui permet d'ajouter jusqu'à 12 centres d'usinage supplémentaires pour usiner les plastiques à sec.

La chaleur est le gros problème lors de l'usinage de tout plastique. La combustion des matériaux est possible lorsque les outils tournent trop vite. De plus, sans évacuation efficace des copeaux, le matériau usiné peut se resouder à la pièce. La géométrie de la goujure de l'outil joue un rôle clé dans l'évacuation des copeaux de la pièce, tout comme les jets d'air froid. Cependant, les stratifiés thermodurcissables tels que G7 et G10 sont également sujets au délaminage, en fonction de la force de liaison de la résine et de la façon dont les pièces sont usinées.

Les thermoplastiques sont généralement usinés à l'aide de liquides de refroidissement à base d'eau . Les liquides de refroidissement à base de pétrole peuvent dégrader la matière plastique.

L'atelier a récemment commencé à utiliser des outils de coupe de Datron Dynamics. Un exemple est une fraise en bout en carbure à une dent polie de 6 mm de diamètre. Selon l'entreprise, un processus de meulage en plusieurs étapes offre des arêtes vives et polies pour un usinage sans bavure, réduisant ou éliminant le besoin de finir les pièces à la main.

Les fraises en bout en carbure avec revêtement en diamant amorphe pour composites de Harvey Tool en sont une autre. On dit qu'ils sont bien adaptés à l'ébauche et à la semi-finition de matériaux composites à forte concentration de fibres ou de remplissage, tels que G10 et FR4, grâce à une géométrie optimisée avec des brise-copeaux qui cisaillent efficacement les fibres et raccourcissent les copeaux pour une meilleure élimination des copeaux.

De plus, K&E utilise désormais des perceuses à canon de Sterling lorsque cela est nécessaire pour produire à plusieurs reprises des trous précis et profonds avec des finitions de surface de qualité.

L'atelier commence également à normaliser le système de porte-outils PowRgrip de Rego-Fix pour ses centres d'usinage. La raison en est que les systèmes de porte-outils conventionnels entraînaient un faux-rond pouvant atteindre 0,002 pouce, ce qui n'était pas acceptable pour les caractéristiques des pièces ayant des tolérances très serrées. "Maintenant, nous sommes à 4 dixièmes de faux-rond", déclare Broderson, "ce qui nous donne de meilleurs états de surface et moins d'usure des outils, tout en respectant les tolérances d'usinage requises."

L'atelier a commencé à normaliser les systèmes de porte-outils dans laquelle une presse hydraulique insère ou retire des pinces des supports. Chaque collet a un cône autobloquant peu profond et est pressé dans le porte-outil en utilisant 9 tonnes de force. Broderson affirme que ces supports offrent un meilleur faux-rond et une meilleure rigidité par rapport aux modèles traditionnels.

Ce système se compose de porte-outils de précision de type pince et d'une presse hydraulique de table utilisée pour insérer ou retirer les pinces des supports. Le collet a un cône autobloquant peu profond et est pressé dans le porte-outil en utilisant 9 tonnes de force. Il a également un épaulement carré qui entre en contact avec le porte-outil lorsqu'il est enfoncé. Cette conception d'arrêt positif permet l'utilisation d'une vis de secours intégrée pour régler avec précision la longueur de l'outil. Ces porte-outils présentent des forces de serrage élevées et un amortissement des vibrations, ainsi qu'un faux-rond total de l'indicateur (TIR) ​​de ≤ 3 microns à un rapport longueur/diamètre de 3:1. Rego-Fix indique que ce système de porte-outils permet également des changements d'outils plus rapides et plus sûrs que les systèmes à ajustement serré. On dit que l'assemblage d'un nouvel outil prend moins de 10 secondes. "Notre atelier compte actuellement environ 800 de ces porte-outils, mais nous continuons à en ajouter d'autres", déclare Broderson.

Pour le serrage, certaines machines utilisent des mandrins à vide pour accélérer les changements et permettre aux outils d'accéder aux cinq côtés d'une pièce. De même, K&E a commencé à utiliser des plaques de fondation communes surmontées d'étaux Chick. Broderson dit que parce que les étaux Chick offrent une meilleure répétabilité de positionnement et que les plaques s'installent dans un emplacement commun, il n'est pas nécessaire de sonder pendant les configurations par rapport au cas où l'atelier boulonnait simplement les étaux aux tables de la machine. L'atelier enregistre et stocke également les mâchoires d'étau à utiliser lorsque les travaux se répètent.

Pour augmenter la disponibilité de la broche pour ce VMC, K&E ajouté un système de changement de palette afin que les travaux puissent être configurés hors ligne pendant qu'un autre est encore en cours de réalisation dans la machine. Il a fait de même pour deux autres VMC.

Afin de maximiser le temps de disponibilité des broches pour trois de ses VMC, K&E a ajouté un changeur de palettes Midaco à chacun. Cela permet à chaque machine de continuer à exécuter un travail pendant que le nouveau matériau est fixé sur la palette à l'extérieur de la machine. Une fois qu'une tâche est terminée, sa palette sort et une nouvelle avec la prochaine tâche fixe entre.

Pourquoi ajouter un type suisse ?

Broderson dit qu'avant d'ajouter le S205 il y a quelques années, K&E travaillait à la ferme pour visser des ateliers d'usinage pour certains travaux. Au fil du temps, la quantité de ce travail externalisé a continué d'augmenter. De plus, les taux de rebut ou de rejets pour les travaux à tolérance serrée exécutés sur certains de ses tours à outils multiples étaient parfois plus élevés qu'il ne le souhaiterait. L'atelier a déterminé qu'un type suisse avec une conception de douille de guidage caractéristique et une capacité multifonction fournirait les précisions requises et permettrait à l'atelier de conserver ce travail en interne.

Le Tsugami S205 avec une capacité de barre de 20 mm de diamètre et le ravitailleur de barres Edge Technologies Minuteman 320 SE ont été achetés par l'intermédiaire du distributeur Tsugami/REM Sales, The Robert E. Morris Company. John Ricardi, responsable de compte de l'entreprise, explique que la machine comprenait un système d'alimentation en liquide de refroidissement de 1 000 psi (principalement pour le contrôle des copeaux) ainsi qu'une unité de collecte de brouillard, un convoyeur à copeaux, une goulotte spéciale pour recevoir les pièces longues hors de la sous-broche et une conversion convertible/chucker capacité.

Le chargeur de barres pouvant accueillir 10 pieds de long permet au premier tour de type suisse de l'atelier de fonctionner sans surveillance pendant des périodes plus longues que les ravitailleurs de barres sur les tours de type gang qui font fonctionner des barres de 4 pieds de long.

Le principal argument de vente de cette machine est peut-être qu'elle est conçue pour fonctionner avec un liquide de refroidissement à base d'eau afin de ne pas dégrader les pièces en plastique comme le ferait un liquide de refroidissement à base d'huile. Ricardi affirme que la pression d'air positive pour les accessoires d'outillage et les broches empêche le liquide de refroidissement de pénétrer dans les roulements et d'éliminer leur huile de lubrification. De plus, une lubrification à base d'eau est également utilisée dans les ensembles de canaux d'alimentation de barres.

Le type suisse est utilisé pour les pièces nécessitant des tolérances très serrées. Broderson dit que la pression de l'outil peut provoquer la formation de cônes lors de l'exécution de pièces en plastique sur des tours conventionnels. La bague de guidage caractéristique du type suisse fournit le support à la coupe pour éliminer ce problème. En plus, la machine répète très bien, dit-il. Une fois qu'un processus est composé, il n'y a plus de processus de coupe, de mesure et de répétition. De plus, le ravitailleur de barres a la capacité de faire fonctionner des barres de 12 pieds de long. K&E utilise généralement des barres de 10 pieds de long, ce qui permet de plus longues périodes d'usinage sans surveillance par rapport aux tours conventionnels avec ravitailleurs de barres de quatre pieds. Pour des matériaux tels que le PEEK, il commande généralement des barres rectifiées à +0,002" / -0".

Le tour de type suisse, qui fonctionne à l'aide liquide de refroidissement à base d'eau, est censé atteindre des tolérances plus strictes et une production améliorée pour les pièces thermoplastiques que l'atelier utilisait auparavant sur des tours CNC traditionnels à outils multiples. La machine a également permis à l'atelier de ramener en interne le travail précédemment externalisé.

Cela dit, l'atelier peut retirer la douille de guidage et utiliser la machine comme un tour à mandrin conventionnel, en exécutant un travail avec la même approche d'usinage qu'un tour standard.

Broderson dit que l'une des plus grandes courbes d'apprentissage consistait à déterminer la pression à utiliser sur la pompe de liquide de refroidissement à grand volume pour éliminer les copeaux et inonder la pièce sans modifier les dimensions de la pièce usinée. Si la pression est trop élevée, le flux de liquide de refroidissement peut modifier la dimension des pièces en plastique. L'atelier a également rencontré la torsion de certains matériaux en barres parce que la broche de la machine s'est accélérée si rapidement. Le correctif pour cela augmentait pour accélérer plus lentement. Un autre défi consistait à déterminer quelles caractéristiques de la pièce pouvaient être usinées et quand celles-ci devaient être séquencées.

Problèmes matériels

Selon Broderson, l'un des défis généraux auxquels son magasin a récemment été confronté est la variabilité des matériaux plastiques. Bien qu'il essaie de s'approvisionner auprès de fournisseurs basés aux États-Unis, même certains d'entre eux vendent du matériel produit à l'étranger. "Nous devons être très précis lors de la commande", dit-il.

Dans un exemple, l'atelier a commandé du matériau FR4 pour un travail, en composant son processus d'usinage pour ce lot de matériau. Il a ensuite commandé un autre lot lorsque le travail est revenu. Cependant, même si ce deuxième lot répondait à la même classification NEMA pour les boîtiers électriques, la variation avec la résine et le remplissage de verre était suffisante pour que les données de coupe et les outils utilisés dans le lot FR4 précédent ne soient pas compatibles avec le nouveau lot. "Tenir deux mille dans un matériau comme celui-ci est déjà assez difficile, mais la variation entre les lots le rend encore plus difficile."

Bases des thermodurcissables, thermoplastiques

K&E a 54 ans d'expérience dans le domaine des plastiques techniques. Le magasin affirme que les thermodurcissables sont bien adaptés aux applications qui nécessitent une résistance élevée à la chaleur et une isolation électrique. Les polymères réticulants des thermodurcissables forment des liaisons irréversibles, éliminant le risque de fonte du produit si la chaleur est réappliquée. Ils offrent également d'excellentes propriétés d'usure et de stabilité dimensionnelle tout en étant plus légers que les métaux.

Étant donné que les granulés thermoplastiques se ramollissent lorsqu'ils sont chauffés et se liquéfient lorsque de la chaleur supplémentaire est appliquée, le processus de durcissement est complètement réversible car aucune liaison chimique n'a lieu. Cela permet aux thermoplastiques d'être remoulés et recyclés sans affecter négativement les propriétés physiques des matériaux. Les thermoplastiques offrent des avantages, notamment une résistance chimique, une résistance aux chocs, une isolation électrique, une faible absorption d'humidité, un faible coefficient de frottement, une usure réduite des pièces d'accouplement et l'élimination de la lubrification pendant le fonctionnement du produit.