Comment faire le bon choix entre l'impression 3D et l'usinage à commande numérique (CNC) pour la fabrication de pièces en plastique
Il n’y a pas si longtemps, il était beaucoup plus long et beaucoup plus coûteux de faire usiner des prototypes ou de petites quantités de pièces de production. Vous deviez envoyer un dessin sur papier à votre atelier d’usinage habituel, téléphoner au responsable ou au contremaître de l’atelier pour fixer la date de livraison et le prix, puis attendre. Si vous étiez pressé, vous pouviez éventuellement payer un tarif d’urgence pour obtenir vos pièces plus rapidement, mais dans tous les cas, le prototypage demeurait un exercice de patience. Vous pouviez obtenir des pièces « bonne matière », mais ces délais d'attente vous faisiez perdre de précieuses heures de production et de revenus.
Arrivèrent ensuite les centres de traitement et leurs imprimantes 3D. Il était alors possible de commander des prototypes en plastique plus rapidement et à un prix nettement plus abordable qu’auprès d’un atelier local devant paramétrer une machine-outil. Un seul problème subsistait : celui des matériaux. En effet, les systèmes de stéréolithographie (SL) de première génération se limitaient à un ou deux types de résine liquide photopolymérisables qui convenaient uniquement à la fabrication d’articles de démonstration ou de modèles de coulée et de moulage.
L'impression 3D additive faisait ses premiers pas et de nouvelles techniques firent rapidement leur apparition. Elles étaient désignées par des acronymes tous plus mystérieux les uns que les autres. L’une d’elles, le frittage sélectif par laser (SLS), utilise un lit de poudre à base de Nylon à la place de la résine liquide. Cette méthode permet d’éliminer les supports de fabrication qui sont nécessaires en SL, réduisant les étapes de post-traitement et économisant du temps et de l’argent.
Pendant ce temps, la stéréolithographie ne se reposait pas sur ses lauriers. Effectivement, aujourd’hui, les pièces produites par SL sont fabriquées à partir d’un choix de résines qui imitent certaines des propriétés des matières plastiques industrielles. Elles sont disponibles dans différentes couleurs, avec différents degrés de solidité et leurs utilisations vont bien au-delà de la simple démonstration commerciale.
L’usinage a, lui aussi, connu des progrès décisifs. Par exemple, le service d’usinage CNC de Protolabs est capable de livrer des pièces usinées, en métal ou en plastique, en moins de temps qu’il n’en faut aux autres ateliers d’usinage, plus traditionnels, pour fournir un simple devis. Il suffit de télécharger un fichier de CAD, de sélectionner le matériau, la quantité de pièces et d’indiquer la date de livraison souhaitée. Il est même probable que les pièces puissent être disponibles dès lendemain, pour un prix comparable à celui de l’impression 3D, voir inférieur pour certaines géométries.
Comme pour l’achat d’un smartphone, la question qui se pose aujourd’hui est donc celle du choix : comment un concepteur ou un ingénieur peut-il savoir quel procédé convient le mieux à la conception de sa pièce ? Puisque l’usinage existe depuis au moins un siècle de plus que l'impression 3D, commençons par lui.
Choix de matériaux
En règle générale, le plastique est très facile à couper. Il faut reconnaître que les matières chargées verre sont un peu dures pour les fraises et que les acryliques peuvent s’écailler. Quant au Teflon, il est plus glissant qu’une savonnette. Mais dans l’ensemble, l’usinage du plastique est aussi simple qu’il en a l’air.
Protolabs peut usiner plus d’une trentaine de matières thermoplastiques industrielles différentes. Certaines d’entre elles sont également proposées au service d'impression 3D de Protolabs, mais pour ce qui est du choix et de la qualité des matériaux, l’usinage l’emporte haut la main. Acrylique, acétal, ABS, Nylon, PC, PP, PEI et PEEK, ainsi que de nombreuses autres matières plastiques couvrent la quasi-totalité des besoins de conception possibles et imaginables. Les pièces en plastique usinées finies peuvent être utilisées pour des essais de forme et d’ajustement, et même comme pièces fonctionnelles dans de nombreux cas.
Du côté de l'impression 3D, le choix de matières plastiques est plus limité. Les pièces produites par stéréolithographie (SL) sont fabriquées à partir de résines photopolymères qui imitent certaines propriétés des matières plastiques comme l’ABS, le PC et le PP. Elles fournissent de bons prototypes pour les essais de forme et d’ajustement, mais ne conviennent pas comme pièces fonctionnelles, l’usinage étant alors la méthode de choix, si la conception le permet. Les choses sont différentes pour le frittage laser sélectif (SLS), qui utilise de véritables Nylons thermoplastiques pour fabriquer les pièces. Ce procédé a tendance à accroître la durabilité et la rigidité des pièces obtenues par impression 3D, mais les seules couleurs disponibles sont le blanc et le noir et l’état de surface est loin d’être aussi lisse que sur les pièces usinées.
Géométrie
S’il existe un point par lequel l’usinage pèche parfois, c’est la géométrie des pièces. Protolabs utilise des centres d’usinage CNC trois axes qui produisent des pièces essentiellement orthogonales : un support de moteur, le corps d’un appareil photo, la plaque de fixation d’un thermostat ou même le boîtier d’un thermostat constituent tous de bons candidats à l’usinage.
Les angles intérieurs aigus sur parois verticales sont difficiles à usiner, de même que les gorges et les cavités de plus de 5 cm de profondeur, mais presque toutes les autres formes sont envisageables. Protolabs a prévu de lancer, courant 2015, un service de tournage CNC de matières plastiques correspondant à l’actuel au service de tournage CNC de métaux. D’ici là, les pièces cylindriques (comme un arbre d’entraînement pour motoneige ou une boule d’attelage pour remorque de dernière génération) peuvent toujours être fabriquées par fraisage – ou par impression 3D.
Pour certaines conceptions, l’usinage se révèle impuissant. Et c’est là que l'impression 3D entre en scène. Ainsi, alors qu’il serait impossible de fabriquer une balle en plastique perforée par usinage, c’est un jeu d’enfant en SL et en SLS. De même, la formation des canaux de refroidissement internes d’un échangeur de chaleur constituerait un véritable défi en usinage, mais c’est tout à fait possible en impression 3D.
Les autres pièces se jouent à pile ou face : une bague fantaisie peut aussi bien être usinée qu’imprimée en 3D, mais recourir au fraisage pour évider un anneau représenterait un gaspillage de matériaux et une perte de temps. Il en va de même pour un cadre photo ou un jeu de porte-serviettes. Parce qu’elle permet d’imprimer le juste nécessaire, la impression 3D emporte cette manche.
Un autre aspect important à prendre en compte en matière de géométrie est la question de savoir si la pièce finira ou non par passer en phase de fabrication pour produire de plus grandes séries, par exemple par moulage par injection. Une pièce usinée ouvrira plus naturellement la voie au moulage qu’une pièce fabriquée par impression 3D. Cela s’explique pour deux raisons : d’une part, le matériau utilisé en usinage est plus facile à dupliquer lors du moulage et, d’autre part, il est très probable que les pièces imprimées qui présentent une géométrie très complexe nécessitent des modifications pour que le moulage soit efficace.
Tolérances et état de surface
Outre le choix de matériaux, il existe d’autres différences importantes entre l’usinage et l'impression 3D de matières plastiques. En matière de précision et d’état de surface, l’usinage a tendance à être plus précis et à offrir une meilleure stabilité dimensionnelle à long terme que la SL, l’état de surface étant plus ou moins équivalent entre les deux procédés. Quant aux pièces obtenues par SLS, elles présentent un état de surface plus rugueux que celles fabriquées par SL ou par usinage et leur stabilité dimensionnelle est meilleure que celle des pièces obtenues par SL et plus ou moins identique à celle des pièces en Nylon usinées.
Prototypage avec moulage par injection
Il existe un impondérable dans le débat entre impression 3D et usinage des matières plastiques : le moulage par injection rapide. En effet, bien que le service de moulage par injection de Protolabs soit souvent utilisé pour la fabrication de petites séries, la plupart des clients y ont également recours pour fabriquer de petites quantités de prototypes ou de pièces de production avec les mêmes délais qu’en impression 3D ou en usinage. Lorsque c’est le cas, plusieurs critères de conception entrent en jeu, dans des domaines tels que ceux développés plus haut comme le choix de matériaux, la géométrie ou les tolérances, mais ce sujet pourrait faire l’objet d’un prochain article.
De nombreux facteurs doivent être pris en compte dans la production de petites séries de pièces en plastique. Si votre conception est déjà prête, vous avez tout intérêt à la télécharger sur protolabs.com/fr-fr. Vous obtiendrez alors un devis interactif pour chaque procédé de fabrication et pourrez facilement identifier celui qui vous offre le meilleur prix, les meilleurs délais de livraison et le meilleur choix de matériaux. Si vous avez des questions, nous vous invitons à consulter notre menu sur les matériaux , ou, tout simplement, à contacter l’un de nos techniciens d’assistance au +33 (0) 4 56 64 80 50.