Construire une fraiseuse CNC 3D imprimée : précision 0,05 mm sur métal et bois – guide étape par étape

Dans ce tutoriel, nous apprendrons à construire une machine CNC avec un guide étape par étape pour que vous puissiez en construire une vous-même facilement.

C'est une machine CNC entièrement imprimée en 3D (ou fraiseuse CNC) que j'ai conçue avec deux objectifs précis : être la plus rigide possible, et la plus simple possible à construire.

Vue d'ensemble

La rigidité affecte directement la performance. Outre le gravage et la coupe du bois, je voulais que cette fraiseuse CNC soit capable de graver et couper de l'aluminium. Elle y parvient assez confidentiellement.

Voici un exemple d'usinage d'une hélice en aluminium. Avec juste un peu de ponçage, la finition de surface est super lisse.

J'ai aussi fait des tests de précision en découpant diverses formes en aluminium. Avec des avances et vitesses appropriées, on obtient les pièces en aluminium dans une précision de 0,05 mm.

Je trouve que c'est une précision respectable pour une CNC imprimée en 3D, utilisant une défonceuse de garniture, un Arduino UNO et GRBL pour le contrôle de mouvement.

Le gravage d'aluminium est un jeu d'enfant. J'ai fait quelques gravures de porte-clés avec détails < 1 mm, résultat excellent.

J'ai aussi essayé le gravage de laiton, aussi excellent.

Modèle de Etsy

Cette fraiseuse CNC 3D imprimée est même capable de couper de l'acier.

Mon second objectif : simplicité de construction maximale. Je ne voulais utiliser aucun outil électrique pour fabriquer la machine : pas de sciage de profilés alu, pas de perçage, pas de taraudage… Rien.

Littéralement, vous pouvez construire cette machine CNC avec juste un jeu de clés Allen, car je l'ai spécifiquement conçue pour utiliser uniquement des composants standards facilement trouvables sur Amazon, AliExpress ou tout autre magasin. C'est presque comme un kit DIY qu'il suffit d'assembler. Ci-dessous, la liste complète des composants pour cette construction CNC.

Bien sûr (il y a un hic), vous avez besoin d'une imprimante 3D pour faire cette machine CNC, mais ce n'est pas un gros problème : si vous n'en avez pas, il existe aujourd'hui de nombreux services d'impression 3D pour obtenir facilement les pièces imprimées.

Je l'appelle « fraiseuse CNC entièrement imprimée en 3D » car toute la structure est basée sur des pièces imprimées en 3D, y compris les plaques des axes X et Z, le support de la défonceuse, et même les blocs de roulements des vis à billes sont imprimés en 3D.

Le design a été optimisé pour tirer le meilleur parti du fait qu'on peut facilement imprimer des pièces complexes. En combinaison avec des profilés alu 20x40 mm, rails linéaires 15 mm, et vis à billes 16 mm, j'ai obtenu une performance décente. Elle grave et fait même des pièces de précision en aluminium, et les projets bois sont un jeu d'enfant : elle coupe facilement tout bois dur, et les gravures bois sont parfaites. Regardez ce relief 3D 340x340 mm en hêtre. C'est magnifique.

La zone de travail est 450x350x110 mm, mais la partie cool : on peut facilement mettre cette CNC à l'échelle.

On utilise simplement des composants plus longs pour certains profilés alu, rails linéaires et vis à billes, et on obtient instantanément une zone de travail plus grande, tous les autres composants et le processus d'assemblage restant identiques.

Ci-dessous, détails sur quels composants définissent la zone de travail, pour choisir les bons selon votre zone souhaitée.

Projets connexes :

Modèle 3D et fichiers STL à télécharger

Vous pouvez visualiser le modèle 3D de cette machine CNC DIY directement dans votre navigateur via Onshape.

Vous pouvez obtenir le modèle 3D et les fichiers STL pour l'impression 3D sur Cults3D.

Liste des composants (Bill of Materials)

Voici la liste complète des composants pour cette construction CNC DIY.

Les dimensions données sont pour la même taille que la CNC démontrée (zone 450x350 mm).

Composant	Quantité	Liens d'achat
Profilé alu 2080 – 600 mm (axe Y, longueur personnalisée)	2	Amazon | AliExpress
Profilé alu 2040 – 600 mm (base axe X, longueur personnalisée)	3	Amazon | AliExpress
Profilé alu 2040 – 700 mm (portique axe X, longueur personnalisée)	2	Amazon | AliExpress
Profilé alu 2040 – 200 mm	2	Amazon | AliExpress
Profilé alu 2040 – 100 mm	2	Amazon | AliExpress
Rail linéaire HGR15 – 600 mm (axe Y, longueur personnalisée) & (axe X, longueur personnalisée)	4	Amazon | AliExpress
Rail linéaire HGR15 – 300 mm (axe Z)	2	Amazon | AliExpress
Vis à billes SFU1605 – 500 mm (axe Y, longueur personnalisée)	2	Amazon | AliExpress
Vis à billes SFU1605 – 600 mm (axe X, longueur personnalisée)	1	Amazon | AliExpress
Vis à billes SFU1605 – 300 mm (axe Z)	1	Amazon | AliExpress
Accouplement d'arbre 8 mm vers 10 mm	4	Amazon | AliExpress
Roulements à contact oblique – 7001 P5-DB Paire (4 paires)	4	Amazon | AliExpress
Écrou de blocage M12x1 mm	4	Amazon | AliExpress
Roulement à billes radial – 6000 – 2RS	4	Amazon | AliExpress
Équerre d'angle 28x20x28 mm (avec écrous T et boulons M5 adaptés)	18	Amazon | AliExpress
Équerre d'angle 20x20x20 mm (avec écrous T et boulons M5 adaptés)	8	Amazon | AliExpress
Écrou T coulissant M5	100	Amazon | AliExpress
Écrou T tête marteau M5	100	Amazon | AliExpress
Écrou T coulissant M4	50	Amazon | AliExpress
Écrou T tête marteau M4	50	Amazon | AliExpress
Moteur pas à pas NEMA23	4	Amazon | AliExpress
Boulons tête creuse M3x12 mm – 10 M3x16 mm – 5 M3x30 mm – 5 M4x10 mm – 5 M4x12 mm – 5 M4x14 mm – 60 M4x25 mm – 10 M5x12 mm – 50 M5x16 mm – 40 M5x20 mm – 40 M5x30 mm – 40 M5x50 mm – 25 M5x60 mm – 35 M5x70 mm – 5		Amazon | AliExpress

Note : liens affiliés. En tant qu'associé Amazon, je gagne sur les achats qualifiants.

Mise à l'échelle de la CNC – Zone de travail personnalisée

Pour augmenter la zone de travail, il suffit d'augmenter la taille des profilés alu, rails linéaires et vis à billes pour l'axe concerné.

Exemple : pour augmenter l'axe Y de 450x350 mm à 450x750 mm, il faut augmenter la longueur du profilé Y, du rail linéaire Y et de la vis à billes Y. Différence = 750-350 = 400 mm, donc ajouter 400 mm aux longueurs de base pour les pièces Y :

• Profilé alu 2080 – 600 mm + 400 mm = 1000 mm
• Rail linéaire HGR15 – 600 mm + 400 mm = 1000 mm
• Vis à billes SFU1605 – 500 mm + 400 mm = 900 mm

Même principe pour l'axe X. Différence : augmenter la taille du portique nécessite d'ajouter un élément de structure en treillis supplémentaire.

Mise à l'échelle de la zone de travail en axe Y

Note : augmenter la taille en axe X (portique) réduit la rigidité globale, contrairement à l'axe Y qui l'affecte à peine.

Assemblage

Suivez la vidéo suivante pour un guide complet étape par étape de construction de cette machine CNC DIY 3D imprimée.

Aperçu électronique

J'ai décidé de scinder ce guide, et d'expliquer l'électronique, le câblage, le boîtier de contrôle, ainsi que la mise en service et les premières coupes, dans ma prochaine vidéo.

En bref, cette CNC est basée sur Arduino et GRBL. J'ai utilisé un Arduino UNO avec un shield CNC pour connecter facilement le tout, et pour piloter les moteurs pas à pas NEMA23, j'ai utilisé des pilotes DM542.

Le firmware de contrôle de mouvement est GRBL, et pour contrôler la machine et envoyer les G-codes, j'ai utilisé Universal G-code Sender, tous deux open-source.

Ce n'est pas obligé d'être Arduino/GRBL ; on pourrait utiliser tout autre contrôleur CNC comme LinuxCNC, grblHAL, Mach 3/4, etc. Le combo Arduino/GRBL est l'option la plus simple et économique, mais manque de fonctionnalités avancées comme le contrôle temps réel et meilleure configurabilité. Si vous n'êtes pas à l'aise pour faire le boîtier de contrôle, il existe des boîtiers de contrôle CNC prêts à l'emploi, même avec câbles pour moteurs pas à pas inclus.

Pour un guide détaillé sur la construction du boîtier de contrôle, la configuration GRBL et le contrôle de la machine, voir la prochaine vidéo. Il y aura aussi une vidéo séparée sur la fabrication de la table de sacrifice et du système d'aspiration, ainsi que les explications détaillées pour démarrer et faire vos premières coupes, et comment j'ai réalisé les projets de démo qu'on voit ici.

Avant de finir, je veux vous montrer encore quelques trucs : la rigidité et la précision de cette machine, et son coût de construction.

Rigidité et précision

Pour démontrer la rigidité, j'insère un arbre de 6 mm sur la fraise et, avec un comparateur à cadran, je mesure la déflexion sous force appliquée. J'utilise un dynamomètre et un comparateur digital.

Outils de mesure :
Dynamomètre : Amazon | AliExpress
Comparateur digital : Amazon | AliExpress

D'abord, test rigidité axe X. À 50 N, la fraise fléchit ~0,16 mm, ~0,24 mm à 70 N. Axe Y : ~0,22 mm à 50 N, ~0,32 mm à 70 N. Légèrement moins bon, attendu pour une CNC type portique qui a généralement moins de rigidité en Y qu'en X.

Axe Z : ~0,18 mm à 50 N, ~0,25 mm à 70 N.

Cette rigidité a permis une précision dans les 0,06 mm en usinage alu avec avances/vitesses appropriées.

J'ai fait cette pièce test en alu avec ces réglages : ébauche 4 mm passe, 1,2 mm largeur, 1200 mm/min avance, décalage 0,3 mm. Passe finition contour 2 mm, 500 mm/min. Mesuré au comparateur digital : toutes formes dans toutes directions dans les 0,06 mm.

Je le répète : c'est un résultat assez décent pour une fraiseuse CNC entièrement 3D imprimée, avec défonceuse de garniture et Arduino/GRBL.

Réalisations

Quelques projets réalisés avec cette machine CNC DIY :

• Relief 3D

Modèle Etsy – Tête de bélier

• Gravure V-bit et ébauche

Modèle Etsy – Boîte cœur

• Incrustation CNC

• Gravure aluminium

• Gravure laiton

Modèle Etsy – Tête de dragon

• Usinage hélice en aluminium

Restez branchés, plus de contenu CNC arrive. Je créerai aussi un Discord ou similaire pour partager expériences de construction, créer une communauté pour résoudre problèmes et améliorer la machine.