Comparaison entre l’usinage à commande numérique et l’impression 3D de pièces métalliques
Comment les procédés de fabrication additive et soustractive forment ensemble l’équation parfaite pour la fabrication de pièces métalliques
Vous concevez des pièces en métal ? L’association de l’usinage à commande numérique et de l’impression 3D dans vos processus de fabrication vous confère une plus grande flexibilité dans la conception des pièces. En outre, elle permet, plus que jamais, de réduire vos délais et vos frais de production. Pour exploiter pleinement ces avantages, vous devez comprendre les caractéristiques communes de ces deux procédés, mais également leurs différences. Cela vous permettra d’en tirer le meilleur profit.
Les deux visages de la fabrication de pièces métalliques
Cette métaphore trouve tout son sens dans la relation entre l’usinage CNC et le frittage laser direct de métal (DMLS), technologie de pointe pour l’impression 3D de pièces métalliques complexes. Cette dernière permet de produire presque toutes les formes imaginables au moyen d’un simple faisceau laser et d’un lit de poudre métallique. Ce processus peut toutefois être lent. En revanche, l’usinage ne permet pas de fabriquer certaines formes géométriques très complexes, mais sa rapidité de production est nettement supérieure. Le choix de la technique dépend donc tout d’abord des contraintes suivantes : A) mes pièces peuvent-elles être usinées ? et B) combien de pièces dois-je fabriquer ?
Dans bien des cas, les deux procédés peuvent être utilisés conjointement. Voici quelques exemples : souvent, la fabrication additive des métaux ne peut se dispenser de techniques d’enlèvement de matière pour achever la pièce. Des orifices doivent être forés ou alésés, des filetages taraudés ou fraisés, les surfaces les plus complexes fraisées, tournées ou meulées pour obtenir les cotes nominales. Les pièces imprimées en 3D nécessitent au minimum quelques opérations manuelles de nettoyage, de sablage et de retrait des supports. Le passage en atelier d’usinage s’impose donc presque toujours.
| UNE GESTION OPTIMALE DE LA FABRICATION DE PIÈCES MÉTALLIQUES |
|---|
|
L’association de l’impression 3D des métaux et de l’usinage est parfaitement adaptée :
|
Comme de nombreux fabricants vous cherchez sans doute la manière la plus efficace de produire des prototypes fonctionnels ou de petites séries de pièces métalliques finies. L’association de l’impression 3D et de l’usinage vous ouvre de nombreuses perspectives. En combinant ces deux procédés à différentes étapes d’un même cycle de production, vous pourrez en exploiter pleinement les avantages. Vos conceptions améliorées contribueront à éliminer les mauvaises surprises, tout en réduisant les coûts de production. Un certain nombre de considérations doivent cependant être prises en compte avant de vous lancer dans un projet de construction de pièces en métal.
Impression ou usinage de pièces en métal ?
Comme indiqué au début de cet article, il est important de très bien comprendre les divers procédés de fabrication. La plupart des ingénieurs sont probablement bien au fait de ces technologies, mais nous vous rappelons brièvement leurs principes dans les paragraphes suivants.
Des cinq procédés de fabrication additive utilisés chez Protolabs (qui représentent l’immense majorité des procédés d’impression 3D utilisés partout ailleurs), le seul qui permet d’imprimer des métaux est le frittage laser direct de métal. Comme tout procédé d’impression sur lit de poudre, il repose sur l’utilisation d’un ou plusieurs lasers qui fusionnent des particules de métal de la taille de grains de farine dans l’enceinte de la machine. En commençant par le bas, l’imprimante forme des couches de l’épaisseur d’une feuille de papier qui vont constituer la pièce, étape après étape. Une nouvelle couche de poudre est déposée sur le sommet de la pièce après chaque passe jusqu’à achèvement de la pièce.
En comparaison, l’usinage utilise des outils de coupe extrêmement durs pour enlever de la matière, soit en faisant tourner l’outil sur la pièce à façonner (fraisage), soit en déplaçant un outil fixe contre une pièce en mouvement (tournage). L’usinage nécessiterait des explications nettement plus poussées. Il convient toutefois de retenir que l’usinage vient compléter la fabrication là où s’arrête le frittage DMLS. En d’autres termes, le frittage laser direct de métal ajoute de la matière par couches successives. L’usinage, en revanche, retire du métal, parfois sous forme de gros morceaux, mais généralement par passes précises afin d’obtenir des finitions de surface très fines.
La précision des pièces métalliques
Le frittage laser direct de métal (DMLS) permet d’obtenir des formes extrêmement complexes qui seraient irréalisables par d’autres moyens. Cependant, il souffre de certaines limites. Tout d’abord, des écarts de température significatifs se produisent dans le métal au cours du façonnage de la pièce par le laser. Cela crée des contraintes internes qui doivent être éliminées en effectuant un traitement thermique après l’impression. Pour les concepteurs de la pièce, cela peut sembler insignifiant. Cependant, les opérations de réduction des contraintes impliquent des mouvements dans la pièce et donc une réduction de la précision des cotes. C’est l’une des raisons pour lesquelles même une pièce savamment conçue nécessite des opérations d’usinage après sa production par frittage pour traiter tout détail dont les tolérances doivent être inférieures à ± 0,1 mm.
Parachever le travail du frittage laser direct de métal
L’association du frittage et de l’usinage est également indispensable pour la finition. Sur une surface verticale ou horizontale, le frittage DMLS génère une rugosité à peu près égale à celle produite par le moulage au sable. Toutes les autres surfaces seront soumises en plus ou moins grande mesure à la formation de marches d’escalier, effet dépendant beaucoup de la façon dont la pièce est orientée dans l’imprimante. Si votre pièce exige une finition lisse, il sera nécessaire de la sabler, de la poncer ou très vraisemblablement de l’usiner. Cette dernière étape n’est pas très importante, à moins que la conception de votre pièce exige une surface d’une finition extrêmement soignée que la fraise, la perceuse ou l’outil du tour ne peuvent pas atteindre. Dans tous les cas, assurez-vous d’anticiper des aspects aussi essentiels sur votre modèle CAO lorsque vous l’envoyez à Protolabs, afin de bien cerner les éléments nécessitant un traitement secondaire comme l’usinage.
Retirer les supports après le frittage DMLS
Les structures de support doivent également être bien anticipées dès la conception de pièces métalliques pour une fabrication additive. Le frittage DMLS peut s’apparenter à la construction d’un château de sable en métal : sans quelques coquillages et brindilles pour renforcer la construction, les remparts et les architraves s’effondrent. Avec le frittage laser direct de métal, des supports semblables à des échafaudages sont nécessaires pour empêcher le métal semi-fondu de s’affaisser, de ployer ou de subir un quelconque mouvement indésirable. Ces étais peuvent souvent être retirés au moyen d’un simple outil électroportatif type Dremel. Cependant, l’usinage peut être préférable pour de plus grands volumes de pièces, ou lorsque le passage en atelier s’impose de toute façon pour l’une des opérations de forage, de fraisage, ou de tournage mentionnées plus haut.
Aménager des éléments sur des pièces imprimées
Contrairement au frittage DMLS, qui n’exige rien de plus qu’un simple plateau de construction pour tenir la pièce jusqu’à son achèvement, les pièces à usiner doivent être serrées dans un étau, boulonnées ou fixées par un quelconque moyen sur la machine pour empêcher tout mouvement induit par l’outil utilisé. Si votre pièce imprimée en 3D présente exclusivement des courbes et autres formes organiques (qui constituent l’un des points forts de ce procédé de fabrication), comment le machiniste pourra-t-il tenir la pièce pour le tournage ou le fraisage ? Demandez conseil à un ingénieur spécialisé Protolabs. Il est possible que vous soyez obligé de concevoir deux surfaces parallèles ou des orifices de fixation permettant de tenir fermement la pièce imprimée lors de l’usinage.
Bien envisager la compatibilité avec l’usinage
Enfin, il est important de réfléchir au métal employé. Quelles que soient la dureté et la robustesse du métal, les lasers utilisés pour le frittage feront leur office de la même manière. En revanche, les outils de coupe doivent être choisis en fonction du métal utilisé. Le procédé DMLS est connu pour sa capacité à imprimer en 3D des métaux utilisés pour les applications de haute technologie, comme l’aérospatiale et la médecine : notamment le titane ou l’Inconel. Les paramétrages des lasers et les vitesses d’exécution peuvent nécessiter des ajustements, mais le principe reste relativement similaire. L’usinage de ces mêmes métaux requiert en revanche des passes moins profondes, des vitesses et une avance inférieures (pour utiliser la terminologie appropriée) ; les outils s’useront plus vite et le temps de travail sera sensiblement accru. Pour comparer toutes les possibilités offertes par Protolabs en matière d’usinage et d’impression 3D des métaux, veuillez vous reporter au guide de comparaison des matériaux. Malgré la lecture de ce guide, vous pourriez avoir d’autres questions sur les matériaux. Par exemple, si Protolabs n’usine pas un certain métal, cela n’implique pas nécessairement que nous ne pouvons pas le post-usiner après une impression 3D. Pour ce genre de questions précises, n’hésitez pas à contacter l’un de nos ingénieurs d'application en appelant au +33(0)4 56 64 80 50 ou en écrivant à [email protected].
Associer des procédés complexes de production de pièces métalliques
Pour résumer, souvenez-vous : vous pouvez bénéficier des avantages combinés de l’impression 3D et de l’usinage pour vos pièces métalliques. Cependant, il est très important d’étudier attentivement les contraintes de conception évoquées dans cet article. L'usinage et l’impression 3D des métaux sont des technologies complexes. Pour en exploiter au mieux les avantages, il est indispensable de comprendre comment chaque procédé influe sur votre conception. N’hésitez pas à poser des questions, à étudier chacun des procédés et souvenez-vous qu’ils sont complémentaires pour la production.
Si vous avez conçu une pièce métallique susceptible d’être réalisée en associant les avantages de l’impression 3D et de l’usinage, vous pouvez l’indiquer lors de votre demande de devis. En téléchargeant votre fichier CAO, sélectionnez l’option finition personnalisée et décrivez les opérations de finition nécessaires et les éléments ou surfaces auxquels elles s’appliquent. Vous pouvez également joindre des documents, comme des schémas, pour préciser les tolérances, les finitions des surfaces et toute autre exigence de fabrication.