Impression 3D vs usinage CNC

Présentation

L'usinage CNC est une fabrication soustractive courante La technologie. Contrairement à l'impression 3D, le processus commence généralement par un bloc solide de matériau (vierge) et enlève du matériau pour obtenir la forme finale requise, à l'aide d'une variété d'outils rotatifs ou de couteaux tranchants.

La CNC est l'une des méthodes de fabrication les plus populaires pour les petits travaux ponctuels et la production de volume moyen à élevé. Il offre une excellente répétabilité, une grande précision et une large gamme de matériaux et de finitions de surface.

Les processus de fabrication additive (AM) ou d'impression 3D permettent de créer des pièces en ajoutant du matériau une couche à la fois. Les processus de FA ne nécessitent aucun outillage ou montage spécial, de sorte que les coûts de configuration initiaux sont réduits au minimum.

Dans cet article, nous présentons les principales considérations technologiques pour vous aider à choisir la bonne technologie pour votre application. Nous nous concentrons sur les pièces fonctionnelles et les prototypes en métal ou en plastique. Les procédés d'impression 3D les plus adaptés à cet effet sont SLS ou FDM pour les plastiques et SLM/DMLS ou Binder Jetting pour les métaux.

Sélectionner la bonne technologie

Lorsque vous choisissez entre la CNC et la fabrication additive (AM), quelques directives simples peuvent être appliquées au processus de prise de décision.

En règle générale, toutes les pièces qui peuvent être fabriquées avec un effort limité grâce à un processus soustractif doivent généralement être usinées CNC. L'utilisation de l'impression 3D n'a généralement de sens que dans les cas suivants :

• Lorsque les méthodes traditionnelles ne sont pas capables de produire la pièce, par exemple pour une topologie optimisée très complexe géométries.
  
• Quand une réaction rapide le temps est critique; Les pièces imprimées en 3D peuvent être livrées sous 24h.
  
• Lorsqu'ils sont économiques est essentiel; pour les petits volumes, l'impression 3D est généralement moins chère que la CNC.
  
• Lorsqu'il y a un petit nombre de pièces identiques requises (moins de 10).
  
• Lorsque les matériaux sont nécessaires qui ne peuvent pas être usinés facilement, comme les superalliages métalliques ou le TPU flexible.
  
  

La CNC offre une plus grande précision dimensionnelle et produit des pièces avec de meilleures propriétés mécaniques dans les 3 dimensions, mais cela a généralement un coût plus élevé, surtout lorsque les volumes sont petits.

Si des quantités de pièces plus élevées sont nécessaires (des centaines ou plus), ni la CNC ni la FA ne peuvent être des options compétitives. Les technologies de formage traditionnelles, telles que le moulage à modèle perdu ou le moulage par injection, sont généralement l'option la plus économique, en raison des mécanismes d'économies d'échelle (voir figure).

Tableau de référence des processus recommandés

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Caractéristiques du processus

Précision dimensionnelle

L'usinage CNC offre une tolérance étroite et une excellente répétabilité . Les pièces très grandes à très petites peuvent être usinées CNC avec précision. En raison de la forme de l'outil de coupe, les coins internes auront toujours un rayon, mais les surfaces externes peuvent avoir des arêtes vives et peuvent être usinées très finement.

Différents systèmes d'impression 3D offrent une précision dimensionnelle différente. Les machines industrielles peuvent produire des pièces avec de très bonnes tolérances . Si des dégagements serrés sont nécessaires, les dimensions critiques peuvent être imprimées en 3D surdimensionnées, puis usinées lors du post-traitement.

L'épaisseur de paroi minimale des pièces imprimées en 3D est limitée par la taille de l'effecteur final (par exemple, le diamètre de la buse en FDM ou la taille du point laser en SLS). Étant donné que les pièces sont fabriquées une couche à la fois, les lignes de couche peuvent être visibles, en particulier sur les surfaces courbes. La taille maximale de la pièce est relativement petit, car le traitement de l'impression 3D nécessite souvent un contrôle environnemental rigoureux.

Non. de pièces	1	10	100	Des milliers
Plastique	Impression 3D	Impression 3D (considérez :CNC)	CNC (considérez :le moulage par injection)	Moulage par injection
Métal	Impression 3D &CNC*	CNC (considérez :l'impression 3D)	CNC (considérez :moulage de précision)	Investissement ou moulage sous pression

	Tolérance	Min. épaisseur de paroi	Taille maximale de la pièce
CNC	± 0,025 - 0,125 mm *	0,75 mm	Fraisage :2000 x 800 x 1000 mm Tour :Ø 500 mm
SLS	± 0,300 mm	0,7 - 1,0 mm	300 x 300 x 300 mm
FDM	Industriel :± 0,200 mm Bureau :± 0,500 mm	0,8 - 1,0 mm	Industriel :900 x 600 x 900 mm Bureau :200 x 200 x 200 mm
SLM/DMLS	± 0,100 mm	0,40 mm	230 x 150 x 150 mm
Jet de liant	± 0,200 mm	2,0 mm	380 x 355 x 735 mm

^{* :Selon le niveau de tolérance spécifié.}

Matériaux

La CNC est principalement utilisée pour l'usinage des métaux. Il peut également être utilisé pour l'usinage des thermoplastiques, des acryliques, des résineux et des feuillus, des mousses à modeler et de la cire d'usinage.

• Grandes propriétés mécaniques et thermiques avec un comportement entièrement isotrope.
• Restrictions dimensionnelles dues à la taille des blancs (l'utilisation d'une taille de blanc non standard augmentera le coût).

	Matériaux CNC courants
Plastiques	ABS, Nylon, Polycarbonate, PEEK
Métaux	Aluminium, Acier Inoxydable, Titane, Laiton

L'impression 3D est principalement utilisée avec des plastiques et dans une moindre mesure pour les métaux. Certaines technologies peuvent produire des pièces à partir de céramique, de cire, de sable et de composites. Les matériaux d'impression 3D sont un sujet complexe qui est abordé plus en détail dans des articles dédiés de la base de connaissances.

• Grande variété de matériaux avec une large gamme de propriétés physiques.
• Les matériaux difficiles à usiner (comme le TPU et les superalliages métalliques) peuvent être imprimés en 3D.
• Peut avoir des propriétés mécaniques inférieures à celles des pièces CNC (elles ne sont généralement pas entièrement isotropes).

	Matériaux d'impression 3D courants
Plastiques	Nylon, PLA, ABS, ULTEM, ASA, TPU
Métaux	Aluminium, Acier Inoxydable, Titane, Inconel

Complexité du modèle

Il existe un certain nombre de limitations qui doivent être prises en compte lors de la conception de pièces pour l'usinage CNC, y compris l'accès aux outils et les dégagements, les points de maintien ou de montage, ainsi que l'impossibilité d'usiner des coins carrés en raison de la géométrie de l'outil.

Certaines géométries sont impossibles à usiner CNC (même avec des systèmes CNC 5 axes) car l'outil ne peut pas accéder à toutes les surfaces d'un composant. La plupart des géométries nécessitent la rotation de la pièce pour accéder aux différents côtés. Le repositionnement augmente le temps de traitement et de main-d'œuvre et des gabarits et accessoires personnalisés peuvent être nécessaires, ce qui affecte le prix final.

L'impression 3D a très peu de restrictions géométriques par rapport à la CNC. Les structures de support sont requises dans la plupart des technologies, telles que FDM ou SLM/DMLS, et sont supprimées lors du post-traitement.

Plastique forme libre, géométries organiques peuvent être facilement fabriqués avec des procédés de fusion sur lit de poudre à base de polymères, tels que SLS ou Multi Jet Fusion (MJF), car ils ne nécessitent aucun support. La capacité de produire des géométries très complexes est l'un des points forts de l'impression 3D.

Flux de travail de fabrication

Voici ce qui se passe dans les coulisses lors de la passation d'une commande d'impression CNC ou 3D :

En CNC, un opérateur ou un ingénieur expert doit d'abord considérer la sélection de l'outil, la vitesse de la broche, le chemin de coupe et le repositionnement de la pièce. Ces facteurs ont tous un impact considérable sur la qualité de la pièce finale et le temps de construction. Le processus de fabrication demande beaucoup de main-d'œuvre, car le bloc doit être installé manuellement dans la machine. Après usinage, les composants sont prêts à être utilisés ou post-traités.

En impression 3D, l'opérateur de la machine prépare d'abord le fichier numérique (choisit l'orientation et ajoute le support) puis l'envoie à la machine, où il est imprimé avec peu d'intervention humaine. Une fois l'impression terminée, la pièce doit être nettoyée et post-traitée, ce qui est l'aspect le plus laborieux du flux de travail de fabrication de l'impression 3D.

Post-traitement

Un certain nombre de méthodes de post-traitement peuvent être appliquées aux pièces imprimées CNC et 3D qui améliorent la fonctionnalité ou l'esthétique du composant tel que construit. Les techniques de post-traitement les plus courantes sont répertoriées ci-dessous :

	Méthodes de post-traitement
CNC	Grenaillage, anodisation (type II ou type III), revêtement en poudre
Impression 3D	Grenaillage, ponçage et polissage, micro-polissage, métallisation

Étude de cas :prototyper un boîtier en plastique

Lors de la conception d'un nouvel appareil électronique, la fabrication de prototypes pour le boîtier est essentielle pour finaliser le produit avant la fabrication en série. Pour accélérer le temps de développement, délai rapide et faible coût sont les principaux objectifs.

Les boîtiers électroniques ont souvent des ajustements à encliquetage, des charnières mobiles ou d'autres joints et attaches de verrouillage. Toutes ces caractéristiques peuvent être usinées CNC ou imprimées en 3D avec FDM ou SLS.

La CNC et le SLS peuvent être utilisés pour créer des prototypes de haute précision et d'attrait esthétique, mais le FDM de bureau a un délai d'exécution beaucoup plus court et un coût inférieur. Étant donné que les performances mécaniques ne sont pas l'objectif principal de ce projet, les avantages de la CNC et du SLS ne valent généralement pas le coût et le temps supplémentaires.

	CNC	FDM de bureau	SLS
Coût	$$	$	$$
Matériaux courants	ABS, Nylon	PLA, ABS, Nylon	Nylon
Délai	1 à 2 semaines	1 - 3 jours	Moins d'une semaine
Précision	± 0,125 mm	± 0,500 mm	± 0,300 mm

Étude de cas :fabrication de supports et de composants métalliques

Les supports métalliques et autres composants mécaniques peuvent supporter des charges élevées et fonctionner à des températures élevées. Dans ce cas, précision dimensionnelle et bonnes propriétés des matériaux sont les principaux objectifs.

Si la géométrie du modèle est simple (comme les composants de l'image ci-dessus), alors la CNC est la meilleure option en termes de précision, de propriétés mécaniques et de coût.

Lorsque la complexité géométrique augmente ou lorsque des matériaux plus exotiques sont requis, l'impression 3D métal doit être envisagée. Les composants optimisés pour le poids et la résistance (comme les supports de l'image ci-dessous) ont des structures organiques qui sont très difficiles et coûteuses à usiner.

L'impression 3D CNC et métal peut être combinée pour fabriquer des pièces avec à la fois une forme organique et des tolérances très serrées aux endroits critiques.

	CNC	SLM/DMLS	Jet de liant
Coût	$$	$$$$	$$$
Matériaux courants	Aluminium Acier Inoxydable Laiton	Acier Inoxydable Aluminium Titane Inconel Cobalt-Chrome	Acier inoxydable Inconel Cobalt-Chrome Carbure de tungstène
Précision	± 0,025 mm	± 0,100 mm	± 0,200 mm
Propriétés mécaniques	Très bien	Très bien	Bon

Règles générales

La sélection de la bonne technologie pour votre application est cruciale et peut se résumer aux règles empiriques suivantes :

• L'usinage CNC convient mieux aux quantités moyennes à élevées (moins de 250 à 500 pièces) et aux géométries relativement simples.
  
• L'impression 3D est généralement préférable pour les petites quantités (ou les prototypes uniques) et les géométries complexes.
  
• En ce qui concerne les métaux, la CNC peut être compétitive même pour de petites quantités, mais des limitations de géométrie s'appliquent toujours.
  
• Lorsque les quantités sont élevées (plus de 250 à 500 pièces), d'autres technologies de formage sont plus adaptées.