Master CNC Usinage de prototypes :avis d'experts et guide pratique

Le prototypage est l’une des étapes majeures du développement d’un produit, car il permet d’évaluer l’apparence et la fonctionnalité d’un design. Entreprendre ce processus à l’aide de méthodes d’usinage traditionnelles est coûteux et prend du temps. Cependant, l'usinage de prototypes CNC permet de réaliser des prototypes à moindre coût et dans un délai relativement court.

Dans cet article, nous discuterons de l'usinage de prototypes et examinerons les différentes applications de l'usinage de prototypage CNC, les considérations et les conseils pour le processus.

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Qu'est-ce que l'usinage de prototypes ?

L'usinage de prototypes est un processus utilisé pour créer rapidement des prototypes à l'aide d'une machine CNC. Le lot de production est généralement petit et vise à fournir une représentation visuelle et fonctionnelle du produit final. En d'autres termes, l'usinage des prototypes détermine le résultat physique d'une conception numérique.

Avec l’usinage de prototypes, il devient plus facile pour les fabricants de repérer les défauts de conception et de les éliminer avant le début de la production à grande échelle. L'élimination des défauts à ce stade du développement du produit contribue à rendre la production rentable.

Pourquoi l'usinage CNC est-il bon pour les processus de prototypage ?

Plusieurs raisons font de l’usinage CNC le processus idéal pour le prototypage. Premièrement, ce processus offre un haut niveau d’exactitude et de précision grâce à son utilisation de commandes informatisées qui supervisent le mouvement de la pièce et de l’outil de coupe. Ces contrôles informatisés prennent en compte tous les angles de votre conception, garantissant que le prototype généré est sa réplique.

Une autre raison pour laquelle la CNC est idéale pour le prototypage est sa vitesse. C'est très différent des processus comme le moulage par injection, où le fabricant et le développeur de produits devraient attendre quelques mois pour que les tolérances et le moule soient prêts.

Avec le système CNC, le prototypage commence par la création d'un modèle CAO 3D du produit final et sa conversion en fichiers CAM. Les fichiers CAM contiennent le G Code, qui contrôle le mouvement de la machine CNC pendant le processus de création de prototypage.

Différentes opérations de prototypage CNC

Il existe différentes opérations d’usinage CNC de prototypes à la disposition des fabricants. L'opération spécifique choisie pour une conception dépend souvent de plusieurs facteurs, notamment des spécifications de conception et des matériaux utilisés.

Vous trouverez ci-dessous les opérations courantes d'usinage de prototypage CNC.

Fraisage

Cette opération consiste à créer un prototype à l'aide d'une fraiseuse. Le processus de fraisage CNC est soustractif car la machine coupe des matériaux à partir d'une pièce pour créer un prototype fraisé CNC de différentes géométries. La fraiseuse est équipée d'outils de coupe multipoints, chaque point de coupe effectuant des coupes nettes de différentes formes et longueurs sur la pièce à mesure qu'elle tourne.

La profondeur et le type de coupe réalisée sur la pièce ainsi que les axes utilisés par la machine dépendent de la complexité de la conception. Pour une plus grande précision de coupe, la fraiseuse dispose également d'axes supplémentaires qui améliorent son mouvement.

Tournage

Ce processus consiste à réaliser des prototypes à l’aide d’un tour avec un outil de tour. Cet outil est idéal pour la réalisation de prototypes détaillés ainsi que de produits finaux présentant des caractéristiques cylindriques. L'outil de coupe du tour est stationnaire lors de cette opération d'usinage tandis que la pièce tourne à proximité de lui.

Contrairement à la fraiseuse, le tour crée des pièces cylindriques à l'aide d'un outil de coupe à un seul point pour retirer des matériaux d'un stock de barres. Le tournage CNC est idéal pour créer des éléments linéaires à l'extérieur d'un prototype, ainsi que des fentes, des filetages et des cônes sur ses bords intérieurs.

Usinage multi-axes

Il s'agit d'une opération de prototypage rapide plus polyvalente, idéale pour réaliser des prototypes avec des spécifications complexes, car elle nécessite plus d'axes que les opérations conventionnelles. Ici, il existe des machines à 4 axes, 5 axes et jusqu'à 9 axes. De plus, plus le nombre d'axes pris en compte par la machine est élevé, plus sa capacité à fournir des tolérances élevées et des pièces de machine difficiles est élevée.

Avantages de l'usinage CNC pour les prototypes

Quant à savoir s'il faut choisir le processus CNC pour vos prototypes, voici quelques avantages de réaliser des prototypes par usinage CNC.

1. Haute précision et précision

L'usinage CNC facilite la production de prototypes avec une précision, des tolérances et une exactitude élevées. Cette précision et cette exactitude sont dues au contrôle informatisé placé sur le mouvement des outils de coupe.

Étant donné que le processus d'usinage est précis, les erreurs ou défauts dans le prototype fabriqué proviennent généralement de la conception elle-même.

2. Rentable

La CNC pour le prototypage rapide se produit en lots uniques ou en petits lots afin que le fabricant puisse évaluer le produit visuellement et fonctionnellement. La production en petits lots est une sécurité qui protège le fabricant ou le développeur de produits de la ruine financière. Si le fabricant découvre un défaut lors de l'évaluation, la perte serait minime par rapport à la détection d'un défaut après une production à grande échelle.

3. Cohérence et répétabilité

Le prototypage CNC présente un haut degré de répétabilité. En d'autres termes, utiliser le même processus et la même conception que ceux utilisés dans la fabrication d'un produit fini particulier produirait une réplique de ce produit.

De plus, les machines de prototypage CNC sont cohérentes et offrent des imitations exactes de la conception originale, quel que soit le nombre de copies produites. Ceci est assez différent des autres processus de prototypage comme le moulage par injection, où après plusieurs répétitions, le moule se déprécie, entraînant des modifications infimes de la conception.

4. Polyvalence des matériaux

Bien qu'il existe une limite au nombre de matériaux avec lesquels les processus de fabrication et d'usinage tels que l'impression 3D et le moulage par injection peuvent fonctionner, le prototypage CNC offre plus de polyvalence. Avec le prototypage CNC, il devient possible d'usiner divers matériaux, allant du plastique et du bois au prototype métallique le plus résistant.

Les options de matériaux que vous pouvez utiliser avec l'usinage de prototypes CNC incluent des plastiques comme le PS, le LDPE, le HDPE, le PC, le PP, le PMMA, le POM, le PAGF, le PCGF, l'ABS et le Téflon.

Les métaux et alliages métalliques idéaux pour l'usinage de prototypes CNC comprennent l'aluminium, l'acier, l'acier inoxydable, le magnésium, le titane, le zinc, le cuivre, le bronze et le laiton.

5. Processus permettant de gagner du temps

La fabrication de prototypes à l'aide de la CNC est un processus qui permet de gagner du temps car elle ne nécessite pas la production de moules ni d'autres prérequis. De plus, la modification des conceptions est rapide, car le fabricant doit modifier les fichiers CAO et CAM et produire à nouveau le prototype à l'aide de la machine CNC.

Limitations du prototypage avec l'usinage CNC

Le prototypage avec l'usinage CNC reste l'un des meilleurs moyens de produire des prototypes, mais il existe encore des limites à l'utilisation de ce processus. Vous trouverez ci-dessous certaines de ces limitations ;

1. Restrictions géométriques

Une limitation majeure du processus de prototypage CNC est son incapacité à travailler sur les géométries intérieures. Cela est principalement dû au fait que la machine fonctionne uniquement à l'extérieur.

En d’autres termes, il serait difficile de générer des prototypes comportant des composants internes à l’aide de l’usinage de prototypes CNC. Pour réaliser des prototypes avec des composants internes, il est préférable d'utiliser des processus de fabrication additive comme l'impression 3D qui fonctionnent de l'intérieur vers l'extérieur car ils sont meilleurs pour fabriquer des géométries internes.

2. Expertise technique

Concevoir un fichier CAO et générer un fichier CAM à partir de celui-ci nécessite un savoir-faire technique. De plus, la configuration et le fonctionnement de la machine CNC nécessitent une certaine expertise. Le prototypage CNC nécessite une connaissance des procédures de test, des approches innovantes, de l'expérience et une vision créative.

De plus, tous les fabricants qui entreprennent l’usinage CNC ne peuvent pas réaliser des prototypes CNC sans formation. C'est pourquoi il est souvent conseillé de confier les travaux d'usinage de prototypes CNC à des experts comme WayKen possédant des années d'expérience dans l'industrie du prototypage.

3. Processus de fabrication soustractive et gaspillage de matériaux

L'usinage CNC élimine les matériaux de la pièce pendant le processus de prototypage ou de production, ce qui en fait un processus de fabrication soustractif. Par conséquent, l'augmentation de la quantité de matériau utilisée pendant le processus de fabrication augmente le coût du matériau.

De plus, comme il est très peu probable qu’un prototype soit idéal du premier coup, cela ajoute au gaspillage de matériaux et au coût associé. De plus, comme il y a peu de chances de vendre le petit lot de prototypes produits, même s'ils répondent à toutes les exigences techniques, cela est toujours considéré comme un gaspillage de matériaux.

4. Coûte plus cher que l'impression 3D

Les coûts matériels encourus lors de l’usinage de prototypes CNC rendent le processus beaucoup plus coûteux que l’impression 3D SLS. De plus, avec le prototypage, l'accent est souvent mis sur les détails plutôt que sur l'optimisation des coûts, c'est pourquoi les prix sont parfois exorbitants.

Cependant, le prix en vaut souvent la peine car la précision et l'exactitude des prototypes sont plus grandes et la gamme de matériaux est plus large.

Applications de l'usinage de prototypes CNC

L’usinage de prototypes CNC est un processus de prototypage largement accepté dans tous les secteurs. Cependant, certaines industries utilisent ce procédé plus que d’autres; voici quelques-unes de ces industries.

Industrie automobile

L'industrie automobile nécessite des pièces et des modèles d'une grande précision et de tolérances serrées. Ces pièces vont souvent des freins et des engrenages aux composants de suspension et même aux roues. Toutes ces pièces nécessitent des tolérances ultra-serrées pour garantir la sécurité des véhicules.

Cette industrie fabrique ces prototypes et les installe dans les véhicules pour garantir qu'ils s'adaptent et fonctionnent correctement avant la production en série. Sans l’usinage CNC de prototypes, il serait difficile de développer des prototypes automobiles répondant systématiquement aux spécifications souhaitées.

Industrie médicale

Cette industrie a besoin de pièces et d’équipements d’une précision et d’une exactitude microscopiques. L'industrie médicale bénéficie également de la polyvalence dans le choix des matériaux offerte par l'usinage de prototypes CNC avec des exigences pour les pièces en métal et en plastique.

De plus, avec les progrès de la technologie médicale, il existe des besoins en prothèses, tubes à biopsie, ciseaux chirurgicaux, porte-implants, etc., pièces qui nécessitent les tolérances les plus strictes. Le processus d'usinage CNC fournit à cette industrie des prototypes fonctionnels de haute qualité avec une précision et une exactitude élevées.

Industrie aérospatiale

Cette industrie utilise la technologie de prototypage CNC à deux fins principales. Premièrement, développer des pièces avec un haut degré de précision et d’exactitude. Une autre raison est de tester les performances de ces pièces et d'autres innovations de l'industrie aérospatiale pour leur fonctionnalité, garantissant que ces pièces ne tomberont pas en panne lorsqu'un avion est en vol. Les pièces d'avion souvent fabriquées à l'aide d'usinage de prototypes CNC comprennent des collecteurs, des bagues, des profils aérodynamiques, etc.

Industrie militaire

Le département recherche et développement (R&D) utilise principalement cette technologie dans l’industrie militaire. La R&D militaire utilise l’usinage de prototypes CNC pour produire des véhicules de guerre, des avions et d’autres pièces. Ils s'appuient sur ce procédé car il facilite la production rapide de pièces quelle que soit la dureté du matériau utilisé.

Considérations et conseils pour le prototypage CNC

Le prototypage CNC est une méthode fiable utilisée par les fabricants pour garantir que les pièces répondent aux exigences et à la précision avant la production en série. Vous souhaitez réaliser un prototype CNC de votre conception ? Voici quelques conseils pour vous.

Réduire la complexité des prototypes

Même si une conception complexe peut sembler une bonne idée, ce n’est généralement pas le cas. Une chose à noter concernant l’usinage de prototypes CNC est que plus la complexité est élevée, plus le coût d’usinage CNC est élevé. Outre le coût, la configuration de la machine pour une conception nécessitant plusieurs angles et contre-dépouilles prend beaucoup de temps, ce qui augmente par conséquent le temps de développement.

Ainsi, une conception complexe augmente le coût de développement de votre produit et votre délai de commercialisation en augmentant le temps de développement.

Utiliser les tolérances par défaut

Les tolérances par défaut constituent souvent une bonne pratique, obtenue après des années de travail avec un matériau particulier. Atteindre des tolérances plus strictes peut nécessiter des outils de coupe spécialisés et des accessoires supplémentaires, ce qui aurait un impact sur le coût de production. Il est souvent préférable de laisser les ingénieurs expérimentés travaillant sur votre conception décider quel niveau de tolérance serait idéal pour votre prototype de produit.

Prendre en compte la géométrie des outils lors de la conception

Tenez compte des caractéristiques axiales des outils de coupe ou des éléments usinés lors de l'usinage CNC de prototypes, car les procédures d'usinage fonctionnent de manière rotative. La majorité des outils de coupe ont des longueurs de coupe limitées et sont ronds. Par conséquent, la géométrie de l'outil aura un impact sur toutes les opérations de coupe.

Utilisez un fabricant de prototypes CNC expérimenté

Plus essentiel encore, vous devriez collaborer avec un spécialiste chevronné du prototypage CNC. Car ils peuvent se concentrer sur la rationalisation des processus pour créer des prototypes de haute qualité. Le spécialiste prend également en compte les contraintes géométriques du processus d’usinage nécessaire à la fabrication du prototype souhaité. Sans un fabricant de prototypes expérimenté, il serait difficile de récolter les bénéfices du développement de prototypes par usinage CNC.

Comparaison entre les prototypes usinés CNC et les prototypes moulés par injection

Bien que ces deux prototypes fournissent une représentation visuelle du produit final, ils sont très différents l’un de l’autre. Voici une comparaison entre les deux types de prototypes.

Tolérance des pièces

Les prototypes moulés par injection ont une tolérance de pièce allant de ±. 0,1 à 0,7 mm. Le faible niveau de tolérance obtenu avec les prototypes moulés par injection est dû au retrait après injection.

D'autre part, les prototypes de machines CNC ont un niveau de tolérance très élevé de ± 0,01 mm, témoignage de la précision et de l'exactitude du processus d'usinage.

Matériel prototype

Les prototypes moulés par injection sont généralement en plastique ou en élastomères. Cela est dû au processus de production nécessitant des matériaux fondus dans un moule pour former les prototypes. À l'inverse, les prototypes usinés CNC peuvent être en bois, en plastique ou en métal, selon le matériau choisi par le fabricant.

Qualité des surfaces

Bien que le processus de moulage par injection soit précis, les prototypes produits peuvent présenter des défauts mineurs tels que des déformations, des marques d'évier, des lignes d'écoulement, des lignes de soudure, des tirs sous vide, des courts-circuits et des jets. Ces défauts ont un impact négatif sur l'apparence des prototypes moulés par injection.

D'un autre côté, les prototypes usinés CNC ont une meilleure finition de surface en raison de l'outillage étendu utilisé pendant le processus.

Comparaison entre le prototypage CNC et l'impression 3D

Bien que les deux soient des processus de prototypage, ils sont assez différents l’un de l’autre tant par la méthode que par la solution proposée. En outre, les deux processus ont leurs forces, leurs faiblesses et leurs scénarios idéaux. Cependant, pour cet article, voici une comparaison entre les deux processus ;

Consommation de matériaux

Par rapport à l’usinage de prototypes CNC, le gaspillage de matière de l’impression 3D est assez faible. En effet, l’impression 3D utilise uniquement le matériau requis pendant le processus de fabrication. D'autre part, l'usinage CNC coupe les matériaux excédentaires d'un bloc pour obtenir la forme souhaitée.

Coût du prototypage

Les processus CNC sont plus coûteux que l’impression 3D. La différence de prix est due au nombre d'accessoires dont une machine CNC a besoin pour fonctionner de manière optimale. Ces accessoires vont des fixations et outils de coupe aux systèmes de distribution de fluide de coupe.

De plus, le coût élevé d'acquisition de la machine de prototypage CNC influence le coût des prototypes produits par le processus d'usinage, les rendant considérablement plus chers.

Matériaux pris en charge

L'usinage CNC prend en charge des matériaux allant du bois et du plastique aux métaux et alliages. L'impression 3D, quant à elle, prend généralement en charge les thermoplastiques en raison de leur facilité de chauffage et de reformage.

Tolérance et ténacité des pièces

Les machines CNC ont une tolérance de ±0,01 mm, tandis que les technologies d'impression 3D de niveau supérieur comme le DMLS (Direct Metal Laser Sintering) ont un niveau de tolérance de ±0,1 mm. De plus, les machines de prototypage CNC produisent des pièces plus résistantes que celles produites par impression 3D.

WayKen propose des services CNC pour le prototypage rapide

La technologie de pointe de WayKen et plus de 20 ans d’expertise en prototypage CNC nous permettent de produire vos modèles CAO de manière optimale. Nous fournissons des services experts d'usinage CNC à guichet unique, depuis l'usinage de prototypage de précision jusqu'aux séries de production complètes.

Nous pouvons créer des prototypes de haute qualité quel que soit le secteur d’activité qui adhèrent aux spécifications souhaitées grâce à notre riche expérience en usinage industriel. Téléchargez simplement vos fichiers CAO pour recevoir DfM et un devis.

FAQ

Quels sont les matériaux pour les prototypes CNC ?

Les matériaux pour les prototypes CNC sont des métaux :bronze, zinc, magnésium, titane, cuivre, laiton, acier inoxydable et aluminium.

L'acrylique, l'ABS, le PP, le nylon, le PC, le téflon, le HDPE, le LDPE et le PVC sont des exemples de matières plastiques idéales pour le prototypage CNC.

Existe-t-il de meilleures options de prototypage que l'usinage de prototypes CNC ?

L'usinage de prototypes CNC est l'une de vos meilleures options si vous souhaitez un prototype très durable. Cependant, le matériau utilisé pour la tâche, la robustesse structurelle que vous souhaitez donner au prototype et quelques autres critères joueront un rôle important dans votre décision de choisir les processus de prototypage.

Quels facteurs affectent le coût du prototypage CNC ?

Les facteurs qui influencent le coût du prototypage CNC incluent la complexité de la conception, les tolérances et le choix des matériaux. D'autres facteurs incluent le type de machine CNC utilisée et l'option de finition de surface choisie.