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Usinage CNC ou impression 3D pour votre projet ?
Il y a une dizaine d'années, l'impression 3D d'armes à feu faisait la une de la presse spécialisée, et elle reste un sujet d'actualité. Avec le développement des sciences et des technologies, cette technique a gagné en maturité et les pièces en plastique ou en métal ainsi produites sont utilisées dans de nombreux domaines. Cependant, elle n'a pas encore totalement remplacé les procédés de fabrication traditionnels, tels que l'usinage CNC, le moulage sous vide ou le moulage par injection. Cette situation peut engendrer des interrogations chez les concepteurs : comment choisir la technologie de fabrication la plus adaptée à un prototype ou à une petite série ? Cet article propose des conseils techniques sur l'usinage CNC et l' impression 3D afin de vous aider à comprendre leurs différences en termes de précision, de matériaux, de coût, de qualité, d'efficacité et de rapidité, et ainsi vous guider dans votre choix.
1，Fabrication soustractive et additive
La principale différence entre les deux est que l'usinage CNC est une fabrication soustractive, tandis que l'impression 3D est une fabrication additive.
Usinage CNC. Comme chacun sait, l'usinage CNC est un procédé de fabrication soustractif qui part d'une pièce brute (souvent appelée ébauche) et utilise un outil pour enlever la matière superflue et créer une pièce. C'est l'une des méthodes de fabrication les plus répandues pour les prototypes et les pièces produites en petites et grandes séries, grâce à sa répétabilité, sa haute précision dimensionnelle, son excellent état de surface et sa compatibilité avec de nombreux matériaux, dont le bois, le métal et le plastique.
L'impression 3D fonctionne à l'inverse et est un procédé de fabrication additive. Bien que les logiciels de CAO et de FAO soient également utilisés pour concevoir et créer des pièces sur mesure, elle ne commence pas par la découpe de matière, mais par l'ajout et la polymérisation de filaments plastiques (FDM), de résine (SLA/DLP), de poudres plastiques ou métalliques (SLS/DMLS/SLM), etc. La matière est ajoutée et polymérisée couche par couche jusqu'à l'obtention du produit final. L'impression 3D permet de créer des géométries complexes, avec une grande précision, des délais de production rapides et, dans certains cas, un coût de pièce réduit.
Hors sujet . Si l'on combine des machines CNC et des imprimantes 3D pour créer un appareil qui tire parti des deux technologies, est-ce une évidence ? Certains professionnels ont déjà exploré cette idée audacieuse, comme avec la ZMorph 2.0 SX, commercialisée à la fois comme fraiseuse CNC 3 axes et utilisable comme imprimante 3D. Par ailleurs, plusieurs entreprises ont récemment mené à bien des campagnes Kickstarter en utilisant ces machines combinées, à l'instar de l'imprimante 3D 3-en-1 de Mooz. Actuellement, ce type de machine compatible est encore au stade exploratoire.
2. Comparaison des matériaux utilisés.
L'usinage CNC et l'impression 3D sont compatibles avec une large gamme de matériaux, y compris les plastiques et les métaux. L'impression 3D est plus orientée vers la fabrication de pièces en plastique. Cela est en train de changer, avec des fabricants tels que 3D Systems, Arcam, Desktop Metal et Markforged développant des moyens meilleurs et moins chers d'imprimer des métaux en 3D.
Usinage CNC. Les plastiques les plus couramment utilisés en usinage CNC comprennent l'ABS, le nylon (PA66), le polycarbonate (PC), l'acrylique (PMMA), le polypropylène (PP), le POM et le PEEK, entre autres. L'aluminium est le matériau le plus répandu. Selon Martin, ingénieur chez DDPROTOTYPE, fabricant de prototypes de pointe en Chine, « 70 % de nos matériaux sont de l'aluminium, et les pièces que nous fabriquons sont utilisées dans de nombreux secteurs industriels. » L'aluminium est un matériau recyclable, aux propriétés intéressantes et facile à usiner. Parmi les autres métaux couramment utilisés, on trouve l'acier inoxydable, les alliages de magnésium, les alliages de zinc, les alliages de titane, le cuivre, etc.
Impression 3D. Les thermoplastiques couramment utilisés en impression 3D comprennent l'ABS, le PLA, le nylon, l'ULTEM et d'autres photopolymères. Les imprimantes 3D peuvent également imprimer des pièces en céramique et même des implants humains. Les métaux les plus fréquemment utilisés sont l'aluminium, l'acier inoxydable, le titane et l'Inconel. Il est important de noter que l'impression 3D nécessite des machines industrielles coûteuses (probablement plus de 100,000 3 $). Certains matériaux, comme les superalliages ou le TPU (matériaux flexibles), ne peuvent être usinés par commande numérique ; il est donc nécessaire d'utiliser des procédés de fabrication tels que l'impression 3D ou l'outillage rapide. L'impression 3D ne permet pas de travailler le bois, car aucun matériau ne peut imiter le bois véritable.
Comparaison des matériaux couramment utilisés.
Processus de fabrication | Plastique | Métal |
Usinage CNC | ABS, Nylon, Polycarbonate, PEEK、PC、PMMA、PP、POM PEEK, etc. | Aluminium, acier inoxydable, alliage de magnésium, alliage de zinc, alliage de titane, cuivre, etc. |
impression en 3D | ABS, PLA, Nylon, ULTEM, ASA, TPU (matériau souple), etc. | Aluminium, Inox, Titane, Inconel, etc. |
Source de données DDPROTOTYPE.
3. Précision et taille des pièces usinées
Selon l'équipe de DDPROTOTYPE, forte d'une expérience considérable, "pour les tolérances, l'usinage CNC est supérieur à tous les procédés d'impression 3D, même DMLS". Si vos pièces doivent avoir des tolérances serrées, l'impression 3D n'est peut-être pas le meilleur choix.
Usinage CNC. L'usinage CNC peut atteindre des tolérances très serrées et une meilleure finition de surface, comme 0.005 mm, et peut être usiné avec précision pour des pièces très grandes à très petites. En raison de la nature arrondie de l'outil, les coins intérieurs ont toujours un rayon, mais les surfaces extérieures peuvent avoir des arêtes très vives.
impression en 3D. Différentes imprimantes 3D offrent une précision dimensionnelle différente. L'épaisseur de paroi minimale est limitée par la taille de l'exécution finale (par exemple, le diamètre de la buse en FDM ou la taille du point laser en SLS). Étant donné que les pièces sont construites couche par couche, la pièce finale peut avoir des lignes de couche, en particulier sur les pièces courbes. Les machines de qualité industrielle peuvent fabriquer des pièces avec de très bonnes tolérances. Si des tolérances serrées sont requises, un usinage est nécessaire pendant le post-traitement. Cela ajoute une étape supplémentaire et est moins efficace que l'usinage CNC.
Le tableau ci-dessous répertorie les tolérances, les épaisseurs de paroi et les tailles maximales des pièces pour différentes technologies
Processus de fabrication | Tolérance | Min. Épaisseur de la couche | Max. construire le volume |
CNC | ± 0.005 – 0.125 mm | profondeur de coupe 0.01 mm | Jusqu'à 2000 x 800 x 1000 mm |
SLS | ± 0.3 mm | 0.1-1.5mm | Jusqu'à 340 x 340 x 605 mm |
FDM | ± 0.3 mm | 0.2-0.8mm | jusqu'à 914 x 610 x 914 mm |
Extension MJF | ± 0.3 mm | 0.08 mm | jusqu'à 380 x 284 x 380 mm |
Dmls | ± 0.1 mm | 0.4mm | Jusqu'à 230 x 150 x 150 mm |
Source de données DDPROTOTYPE.
Comme vous pouvez le voir sur l'icône, l'usinage CNC peut produire des pièces plus grandes et plus précises que les techniques d'impression 3D courantes, telles que FDM, SLS ou MJF, etc. Pour les pièces dans les équipements médicaux, l'aérospatiale et d'autres domaines nécessitant une haute précision, l'usinage CNC est un choix idéal.
4. La vitesse
Les techniques d'impression 3D telles que MJF et FDM sont reconnues pour leur rapidité de production, notamment pour les petites séries de pièces, en fonction de leur géométrie et de leurs dimensions. En effet, une fois le fichier 3D prêt (orientation, remplissage et supports choisis, puis impression lancée), aucune configuration supplémentaire n'est nécessaire et la pièce est généralement prête en quelques heures seulement. Le post-traitement dépend du procédé d'usinage et des spécifications du fichier 2D.
Usinage CNC. Comparé à l'impression 3D, l'usinage CNC est un procédé plus complexe, nécessitant davantage d'opérateurs et de réglages. Des machinistes qualifiés sélectionnent les matériaux, les machines, la programmation, les outils et leurs vitesses de rotation, les trajectoires de coupe, positionnent manuellement les dispositifs de fixation et peuvent même concevoir des dispositifs sur mesure. Cela allonge le temps de traitement. De plus, des techniques de post-traitement telles que l'anodisation ou l'électrophorèse peuvent être réalisées, ce qui peut également engendrer des délais supplémentaires.
Martin a déclaré : « Chez DDPROTOTYPE, si vous choisissez l'ABS pour usiner 50 pièces de pièces moyennement complexes, le délai d'exécution avec la technologie FDM est en moyenne de 1 jour ouvrable, tandis que pour l'usinage CNC, le délai d'exécution est de 3 jours. Si vous devez fabriquer plus de 500 pièces, l'efficacité de fabrication de l'usinage CNC entre en jeu, ce qui est beaucoup plus rapide que l'impression 3D en raison de la répétabilité de l'usinage CNC. Alors que certaines imprimantes sur le marché ont des vitesses d'impression impressionnantes, l'impression 3D en utilise généralement davantage pour le prototypage que pour la production. Pour certaines pièces à structure simple, elles peuvent être usinées en quelques minutes sur une CNC, mais peuvent prendre des heures sur une imprimante 3D.
5，Complexité du modèle
Impression 3D. L'impression 3D permet de fabriquer des pièces de formes variées avec très peu de contraintes géométriques. La plupart des technologies 3D, comme le dépôt de fil fondu (FDM) ou la fusion laser sélective (SLM/DMLS), nécessitent des supports qui peuvent être retirés lors de la post-fabrication. Toute pièce en plastique de forme libre peut être facilement fabriquée grâce à des procédés de fusion de poudre tels que le frittage sélectif par laser (SLS) ou la fusion multijet (MJF), sans aucun support. L'impression 3D permet de réaliser des géométries très complexes.
Usinage CNC. Bien entendu, le CNC permet également d'usiner des pièces relativement complexes. Souvent, pour réaliser des pièces complexes, il est nécessaire de les retourner et de fixer leur position pendant l'usinage, car même avec des machines CNC 5 axes, l'outil ne peut parfois pas atteindre toutes les surfaces de la pièce.
6. Coût
En discutant simplement du prix, la différence entre le fraisage CNC et l'impression 3D ne semble pas conduire à une conclusion précise. Cela varie en fonction de divers facteurs, tels que le matériau, la quantité, la difficulté de traitement, etc.
Qu'il s'agisse de fabriquer 1 pièce ou 100 pièces, le coût d'une seule pièce réalisée par impression 3D reste fondamentalement le même et est généralement inférieur à celui de l'usinage CNC. Pour de plus grandes quantités de pièces, telles que 100+, l'usinage CNC est plus économique. Selon Martin, l'une de nos idées fausses les plus courantes est que les services d'usinage CNC sont coûteux. En fait, le prototypage CNC peut commencer à environ 20 $ par pièce, les prix unitaires diminuant considérablement à mesure que de plus en plus de quantités sont fabriquées.
7. Protection environnementale
L'usinage CNC commence par une ébauche et utilise différents outils pour éliminer l'excédent de matière. En conséquence, de grandes quantités de poussière fine et de petits morceaux de matériaux ne peuvent pas être récupérés, nécessitant un nettoyage et une élimination. Dans le processus d'impression 3D, en revanche, les matières premières sont introduites dans l'imprimante pour construire la pièce couche par couche. Ce processus ne nécessite que l'utilisation de matières premières, pas de gâchis ni de déchets, il s'agit donc d'un processus de fabrication plus respectueux de l'environnement.
8. Études de cas
Nous étudions la différence entre l'usinage CNC et l'impression 3D à travers deux exemples, qui semblent plus intuitifs et compréhensibles. Ce sont 2 projets que DDPROTOTYPE a entrepris en 2021. Nous prenons le traitement des coques en plastique et le traitement des supports métalliques comme exemples.
Prototype de boîtier en plastique. La fabrication d'une coque en plastique pour l'électronique est une étape cruciale avant la production en série. Rapidité de fabrication, faible coût et réduction des délais de développement sont des exigences clients. Le boîtier électronique comporte des boutons-pression, des charnières intégrées, des joints à emboîtement et d'autres systèmes de fixation. Ces fonctions peuvent être réalisées par usinage CNC ou impression 3D (FDM ou SLS). Des prototypes en plastique de haute précision et esthétiques peuvent être fabriqués avec les deux procédés, mais l'impression FDM de bureau offre des temps de traitement plus courts et des coûts inférieurs. DDPROTOTYPE compare ces deux procédés dans le tableau ci-dessous.
Usinage CNC | FDM de bureau | SLS | |
Prix | $$ | $ | $$ |
Matériel couramment utilisé | ABS, nylon | PLA, ABS, Nylon | Nylon |
Livraison | 5 jours | 1.5 jours | 2Days |
La précision | ± 0.121mm | ± 0.485 mm | ± 0.287 mm |
Prototype de boîtier à faible coût réalisé avec l'impression 3D FDM
Prototype métallique d'une roue. Les roues métalliques peuvent fonctionner sous des charges et des températures élevées et doivent s'adapter à des arbres de précision. Le client exige une plus grande précision dimensionnelle et une meilleure qualité de matériau.
Usinage CNC | SLM/DMLS | Jet de liant | |
Prix | $$ | $ $ $ $ | $ $ $ |
Matériaux communs | Aluminium, acier inoxydable, laiton | Acier inoxydable, aluminium, titane, Inconel Cobalt Chrome | Acier Inoxydable, Inconel Cobalt Chrome, Tungstène, Carbure |
Exactitude | ± 0.022 mm | ± 0.108 mm | ± 0.214 mm |
Comportement mécanique | Très bien | Très bien | Bon |
9. Résumé rapide
Il n'y a pas de réponse claire, pas de technologie armée de tous les avantages, et l'usinage CNC et l'impression 3D ont leurs avantages et leurs inconvénients uniques, qui dépendront de facteurs tels que le matériau, le délai, la complexité géométrique, la précision, la quantité et le budget. . DDPROTOTYPE a soigneusement résumé un tableau de comparaison pour votre référence.
Usinage CNC | impression en 3D | |
Propriétés mécaniques | ⭐⭐⭐ | ⭐ |
Prototypage | ⭐ | ⭐⭐⭐ |
Prix | Moins cher pour les moyennes et grandes séries | Moins cher pour les petites séries |
Délai d'exécution | ⭐ | ⭐⭐⭐ |
Sélection de polymère | ⭐⭐ | ⭐⭐⭐ |
Complexité de conception | ⭐⭐ | ⭐⭐⭐ |
Précision dimensionnelle | ⭐⭐⭐ | ⭐ |
Détails et résolution | ⭐⭐⭐ | ⭐⭐ |
Grande taille de pièce | ⭐⭐⭐ | ⭐ |
Bien-⭐ Mieux-⭐⭐ Meilleur-⭐⭐⭐ | ||
10. Conseils pour choisir la bonne méthode de fabrication
Avant de choisir le bon processus de fabrication, veuillez vous référer aux conseils avant de prendre la décision finale.
Comment la quantité affecte-t-elle le choix de la méthode de fabrication ? Le choix de l'impression 3D est à considérer lorsque vous avez besoin de petits lots de pièces (moins de 50 pièces). Lorsque la quantité atteint 100 à 1000 pièces, l'usinage CNC serait préférable.
Les pièces fabriquées sont-elles complexes ? Pour les pièces personnalisées en petite quantité mais très complexes, l'impression 3D est souvent moins chère et plus rapide. L'usinage CNC nécessite plus d'opérateurs et de configuration, et coûte généralement plus cher que l'impression 3D.
Quels matériaux sont nécessaires? L'usinage CNC étant une technologie plus mature, il existe une plus large gamme de matériaux compatibles. Mais pour les matériaux en superalliage métallique très difficiles à traiter, comme le titane ou le TPU souple, il est plus judicieux de choisir l'impression 3D.
