Le prototypage CNC est une partie importante du développement de nouveaux produits car il permet d'évaluer si une conception aura l'apparence et fonctionnera comme prévu. La technologie de prototypage CNC est développée depuis plus de 70 ans et constitue depuis longtemps le pilier de la production moderne et est indispensable dans chaque industrie. Le prototypage CNC permet de fabriquer des prototypes dans un délai relativement court et à faible coût.
Le prototypage CNC est le processus de création rapide de prototypes de haute qualité à l'aide de machines-outils CNC. Les concepteurs de produits et les ingénieurs créent souvent des prototypes pour les futures séries de production. Le processus d'usinage CNC permet de créer la pièce finale, conçue pour fournir une représentation visuelle et fonctionnelle du produit final. En d’autres termes, le prototypage CNC permet d’obtenir le résultat physique d’une conception numérique. Les concepteurs peuvent facilement détecter et éliminer les défauts de conception grâce au prototypage CNC avant de commencer la fabrication en grand volume. Bien entendu, la production devient plus rentable lorsque les défauts de conception sont éliminés lors de la phase de prototypage.
Pourquoi l'usinage CNC est-il adapté au prototypage ?
L'usinage CNC est un processus idéal pour le prototypage. Premièrement, le processus offre un haut niveau d’exactitude et de précision grâce à l’utilisation d’ordinateurs pour contrôler le mouvement de l’outil et détecter la pièce à usiner. Ces contrôles informatiques prennent en compte tous les angles de la conception, garantissant que les prototypes sont créés avec précision selon les spécifications finales des pièces et que des pièces identiques sont fabriquées à plusieurs reprises.
Une autre raison pour laquelle la CNC est idéale pour le prototypage est sa vitesse. Le prototypage CNC est très différent des processus tels que le moulage par injection, où les fabricants et les développeurs de produits doivent attendre des semaines, voire des mois, pour que les moules soient prêts.
Processus de prototypage CNC
À l'aide d'un système CNC, le prototypage commence par la création d'un modèle CAO 3D de la pièce finale et sa conversion en fichier CAM. Les fichiers CAM contiennent du G-code, comprenant de nombreuses instructions différentes, qui contrôlent le mouvement de la machine CNC lors de la création du prototype. La machine CNC coupera le matériau en suivant ces instructions. Grâce au système CNC, il y a très peu de supervision humaine tout au long du processus de prototypage. Il s’agit d’un avantage majeur par rapport à l’usinage traditionnel, qui prend du temps et nécessite une surveillance étroite.
Contrairement à l’impression 3D, le prototypage CNC est une méthode soustractive qui nécessite moins de matière. Les parties individuelles du bloc original sont découpées petit à petit jusqu'à ce que la forme souhaitée soit créée. Étant donné que la machine CNC est contrôlée par un ordinateur, le processus se caractérise par une grande précision. De plus, les conceptions et géométries complexes peuvent également être facilement usinées CNC pour un prototypage rapide.
Opérations de prototypage CNC
Les fabricants rapides peuvent utiliser différentes opérations de prototypage CNC en fonction de la conception de la pièce finale. Le choix d’une opération spécifique dépend généralement de plusieurs facteurs, notamment des spécifications de conception et des matériaux utilisés. AN-Prototype résume les opérations courantes de traitement de prototypes CNC suivantes, basées sur des années d'expérience en traitement CNC.
Le fraisage CNC, l'opération la plus courante de l'usinage CNC, fait référence à la création de prototypes à l'aide d'une fraiseuse CNC. Le processus de fraisage CNC est un processus soustractif car la machine enlève de la matière de la pièce pour créer des prototypes de différentes géométries. Les fraiseuses disposent d'outils de coupe multipoints, chacun effectuant des coupes nettes de différentes formes et longueurs sur une pièce en rotation. La profondeur de coupe et le profil de mouvement de l'outil ainsi que les axes utilisés par la machine dépendent de la complexité de la conception. Afin d'obtenir une précision de coupe plus élevée, les fraiseuses CNC sont également équipées d'axes supplémentaires pour améliorer leurs capacités de mouvement, comme les machines CNC à 4 axes et 5 axes.
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L'usinage CNC 5 axes permet à des pièces complexes comportant plusieurs caractéristiques latérales d'usiner jusqu'à cinq côtés en une seule configuration. Cela apporte d’énormes avantages en termes d’utilisation considérablement accrue des machines CNC, de réduction des temps de configuration et de cycle et d’amélioration de la qualité. L’usinage CNC 5 axes permet de produire des pièces de haute précision aux géométries extrêmement complexes.
L'usinage CNC Swiss est une technique de fabrication utilisant des outils de coupe spécialisés conçus pour usiner des ébauches de métal ou de plastique en composants complexes, minces ou délicats nécessitant des tolérances serrées. La technologie d'usinage CNC suisse est largement utilisée dans l'industrie médicale, l'aérospatiale, l'informatique, l'électronique, les systèmes d'énergie et de carburant, les montres de précision et la défense militaire.
Avantages du prototypage CNC
Le prototypage CNC présente des centaines d’avantages. Citons-en quelques-uns :
1. Haute précision et précision
L'usinage CNC facilite la fabrication de prototypes avec une précision, une tolérance et une exactitude élevées. Cette précision et cette précision sont dues au contrôle par ordinateur du mouvement de l'outil de coupe. En raison de l'exactitude et de la précision du processus d'usinage CNC, la plupart des erreurs ou défauts des prototypes fabriqués proviennent de la conception elle-même.
2. Rapport coût-efficacité
Le prototypage CNC peut faire économiser de l’argent aux concepteurs de produits à long terme. En effet, tous les défauts et erreurs peuvent être corrigés dans le prototype au lieu d'être exclus dans la masse des pièces finales produites pendant la phase de production.
De plus, les modifications futures ne nécessiteront que des modifications mineures du fichier CAO plutôt que de créer une nouvelle conception à partir de zéro.
3. Cohérence et répétabilité
Le prototypage CNC est hautement reproductible. Les pièces usinées des prototypes CNC sont cohérentes et imiteront avec précision l'original, quel que soit le nombre de copies produites. Ceci est très différent des autres processus de prototypage tels que le moulage par injection, où le moule se déprécie après de nombreuses répétitions, contrairement aux prototypes d'usinage CNC.
4. Polyvalence des matériaux
Comparé à d'autres processus de fabrication tels que l'impression 3D et le moulage par injection, le prototypage CNC peut utiliser davantage de matériaux, du plastique au bois, en passant par les métaux les plus résistants et même la céramique. Certaines options de matériaux adaptées aux services de prototypage CNC incluent :
5. L'usinage CNC est rapide
L'usinage CNC pour la production de masse a débuté dans les années 1970 et, à mesure que les machines et les logiciels ont évolué, il constitue désormais l'un des moyens les plus rapides et les plus fiables de créer des pièces de forme complexe à partir de métaux et de plastiques durs. Une fois programmé par CNC, une bonne fraiseuse ou un bon tour peut usiner l'acier ou l'aluminium à une vitesse étonnante, transformant une ébauche de métal en une pièce finie en quelques minutes.
Limites du prototypage par usinage CNC
Bien que l’usinage CNC soit l’une des meilleures stratégies pour fabriquer des prototypes, il présente néanmoins certaines limites. Ces restrictions incluent :
accumulation d'expérience sur une longue période
Avant de réaliser un prototypage en usinage CNC, il est conseillé d'avoir des connaissances techniques en conception CAD et comment générer des fichiers CAM à partir d'eux. L’installation et la programmation de machines-outils à commande numérique nécessitent une certaine expertise technique et une longue expérience en programmation. De plus, les procédures de test, les approches innovantes et la vision créative sont essentielles au prototypage CNC. Tous les fournisseurs de services d’usinage CNC ne peuvent pas effectuer parfaitement la programmation CNC.
Déchets de matériaux
Le prototypage CNC est un processus soustractif dans lequel le matériau est découpé à partir de barres ou de feuilles pendant le prototypage. En conséquence, plus de pièces sont fabriquées, plus de matériaux sont gaspillés, ce qui fait augmenter les coûts des matériaux. En outre, vous risquez d'engager des coûts supplémentaires et de gaspiller davantage de matériaux, sans savoir si le prototype CNC sera parfait du premier coup. De plus, même si un petit lot de prototypes répond à toutes les exigences techniques, les chances de les vendre sont relativement faibles. Ils augmentent donc la quantité de déchets matériels.
Contraintes géométriques
L’un des principaux obstacles du processus de prototypage CNC est l’incapacité d’usiner la géométrie à l’intérieur du prototype, comme les angles vifs à l’intérieur de la pièce. Les machines-outils CNC traitent principalement uniquement l’extérieur de la pièce. Par conséquent, développer un prototype avec des composants internes à l’aide du prototypage CNC peut s’avérer difficile. Cependant, vous pouvez choisir un processus de prototypage alternatif tel que l'impression 3D pour créer un prototype avec des composants internes. L'impression 3D est idéale pour fabriquer la géométrie interne d'un prototype car elle peut fonctionner de la zone intérieure de la pièce vers la zone extérieure.
Plus cher que l'impression 3D
En général, le prototypage CNC coûte plus cher que les processus d’impression 3D. C'est l'une des principales raisons pour lesquelles un ingénieur peut choisir le processus d'impression 3D pour fabriquer un prototype, même s'il a l'intention d'utiliser l'usinage CNC pour la pièce finale. Il est compréhensible que les entreprises doivent réduire leurs dépenses pendant la phase (précoce) de prototypage.
Applications du prototypage CNC
Le prototypage CNC est utilisé dans presque toutes les industries d’usinage de précision. Dans la plupart de ces industries, ils ont toujours besoin d’un prototype fonctionnel ou d’un fichier . Les prototypes usinés CNC sont les mieux adaptés. La plupart du temps, les outils d'usinage CNC sont généralement mieux adaptés à ces prototypes fonctionnels qui nécessitent une résistance, une stabilité mécanique ou d'autres caractéristiques que les processus additifs ne peuvent pas fournir, c'est pourquoi ils sont utilisés dans ces industries.
L’industrie aérospatiale est l’une des industries où le taux d’utilisation du prototypage CNC est élevé. Les machinistes du domaine aérospatial utilisent ce procédé pour développer des prototypes fonctionnels avec une grande précision et exactitude. De plus, les ingénieurs utilisent le prototypage CNC pour tester la fonctionnalité des composants usinés et d'autres innovations dans l'industrie aérospatiale. Cela permet de garantir la fiabilité de ces composants et d’éviter tout dysfonctionnement de l’avion en vol. Les composants typiques d'un avion fabriqués à l'aide de techniques de prototypage CNC sont les ailes, les bagues, les collecteurs, etc.
L’industrie médicale a une forte demande de pièces et de dispositifs médicaux avec des tolérances et une précision strictes. L'industrie médicale bénéficie du prototypage CNC car il est compatible avec une grande variété de matériaux usinés CNC. De plus, à mesure que la technologie médicale évolue, il existe une demande pour des composants médicaux présentant les tolérances les plus strictes, tels que des prothèses, des stents implantés, des ciseaux chirurgicaux, des tubes à biopsie, etc. Les machines CNC produisent des prototypes fonctionnels de haute qualité avec une précision et une exactitude exceptionnelles pour l'industrie médicale.
L’industrie automobile est l’une des industries qui utilisent le plus de prototypes usinés CNC, avec des tolérances plus strictes et une haute précision. Les engrenages, les roues, les freins et les composants de suspension sont des exemples typiques de prototypage CNC. De plus, ces composants automobiles nécessitent les tolérances les plus strictes pour garantir des performances et une sécurité optimales du véhicule. L'industrie automobile développe des prototypes et teste leur fonctionnalité en les installant dans des véhicules pour s'assurer qu'ils remplissent leur fonction. Cependant, créer un prototype automobile répondant à l’objectif et aux spécifications prévu peut s’avérer difficile sans prototypage CNC. L'usinage CNC est responsable du développement de prototypes automobiles selon des spécifications précises. Le prototypage CNC fabrique également des pièces pour d'autres véhicules tels que des bateaux, des camions de livraison, etc.
L'industrie pétrolière a une forte demande pour des pièces dotées d'une résistance supérieure qui peuvent être extraites profondément sous la surface de la Terre pour en extraire des ressources. Les ingénieurs utilisent souvent des prototypes de fraisage CNC ou d'autres processus d'usinage CNC personnalisés pour créer ces pièces afin de répondre aux exigences.
Industrie militaire
Les départements de recherche et développement bénéficient de l’utilisation des processus de prototypage CNC dans le domaine militaire. La R&D militaire utilise cette technique de fabrication pour développer des avions, des véhicules de combat et d’autres pièces usinées CNC. Les ingénieurs et les développeurs de produits de l'industrie de la défense s'appuient sur l'usinage de prototypes CNC car il permet un prototypage rapide et une fabrication de pièces quelle que soit la dureté du matériau. Les prototypes usinés CNC sont parfaits à cet effet. Des exemples d'équipements fabriqués pour cette industrie comprennent des pièces d'avions, des composants de transport, des composants de communication, des munitions, etc.
Conseils pour le prototypage CNC
Le prototypage CNC est une méthode fiable permettant aux fabricants de garantir que les pièces répondent aux exigences et à la précision avant la production en série. AN-Prototype résume quelques suggestions pour le traitement de prototypes CNC pour votre référence.
Réduire la complexité des prototypes
Même si une conception complexe semble être une bonne idée, ce n’est pas tout à fait le cas. Une chose à noter à propos du prototypage CNC est que plus la complexité est élevée, plus le coût de l'usinage CNC est élevé. En plus du coût, il faut beaucoup de temps pour configurer une machine pour une conception qui nécessite plusieurs angles et contre-dépouilles, ce qui s'ajoute au temps consacré à l'usinage CNC. Par conséquent, les conceptions complexes augmentent le temps de développement, augmentant ainsi les coûts de développement des produits et retardant la mise sur le marché.
Tolérance par défaut
Les tolérances par défaut constituent généralement la meilleure pratique pour le prototypage CNC. Atteindre des tolérances plus strictes peut nécessiter des outils de coupe spécialisés et des accessoires supplémentaires, ce qui affecte le coût de l'usinage CNC. Il est généralement préférable de laisser un ingénieur expérimenté travailler sur votre conception afin de déterminer quel niveau de tolérance convient le mieux à votre prototype de produit.
Concevoir en tenant compte de la géométrie des outils
Étant donné que le programme d'usinage fonctionne en rotation, tenez compte des caractéristiques axiales de l'outil de coupe ou de l'objet usiné lors de l'usinage CNC du prototype. La plupart des outils de coupe ont une longueur de coupe limitée et sont circulaires. La géométrie de l’outil aura donc un impact sur toutes les opérations de coupe.
Travaillez avec un fabricant de prototypes CNC expérimenté
De plus, vous devriez travailler avec un spécialiste expérimenté du prototypage CNC. Parce qu’ils peuvent se concentrer sur la rationalisation du processus pour créer des prototypes de haute qualité. Les experts prennent également en compte les contraintes géométriques du processus d'usinage nécessaire à la fabrication du prototype souhaité. Tirer parti des avantages du développement de prototypes à l’aide de l’usinage CNC peut être difficile sans un créateur de prototypes expérimenté.
Comparaison entre les prototypes d'usinage CNC et les prototypes moulés par injection
Bien que les 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 d’archétypes.
Tolérance des pièces
Les tolérances des pièces pour les prototypes moulés par injection vont de ±. 0.1 à 0.7 mm. La raison en est le rétrécissement après injection. D'autre part, le prototype de la machine CNC présente un niveau de tolérance extrêmement élevé de ±0.01 mm, prouvant la précision et l'exactitude du processus d'usinage.
Matériel prototype
Les prototypes moulés par injection sont généralement en plastique ou en élastomères. En effet, le processus de production nécessite que du matériau fondu soit placé dans des moules pour former des prototypes. En revanche, les prototypes usinés CNC peuvent être en bois, en plastique ou en métal, selon le matériau choisi par le concepteur.
Qualité de surface
Malgré la précision du processus de moulage par injection, les prototypes produits peuvent présenter des défauts mineurs tels que des déformations, des marques d'évier, des lignes d'écoulement, des lignes de soudure, etc. Ces défauts peuvent affecter négativement l'apparence des prototypes moulés par injection. D'autre part, les prototypes usinés CNC ont une meilleure finition de surface en raison de la large gamme d'outils utilisés dans le processus d'usinage CNC.
Comparaison entre le prototypage CNC et l'impression 3D
Bien que les deux soient des processus de prototypage, ils sont très différents dans les approches et les solutions qu’ils proposent. De plus, les deux processus ont leurs avantages et leurs inconvénients.
Consommation matérielle
Impression 3D génère beaucoup moins de déchets de matériaux que le prototypage CNC. En effet, l’impression 3D utilise uniquement les matériaux nécessaires au processus de fabrication. L'usinage CNC, quant à lui, élimine l'excès de matière du bloc pour obtenir la forme souhaitée.
Coût du prototypage
Le processus CNC est plus coûteux que l’impression 3D. La différence de prix est due au nombre d'accessoires nécessaires au fonctionnement optimal de la machine CNC. Ces accessoires vont des fixations et outils de coupe aux systèmes de distribution de fluide de coupe. De plus, le coût élevé d'achat des machines CNC affecte le coût des prototypes produits par le processus d'usinage, ce qui les rend plus chers.
Matériau de support
L'usinage CNC prend en charge une large gamme de matériaux, du bois et des plastiques aux métaux et alliages. L’impression 3D, quant à elle, privilégie généralement les thermoplastiques car ils sont faciles à chauffer et à façonner.
Tolérance et ténacité des pièces
Les machines CNC ont une tolérance de ±0.01 mm, tandis que les technologies d'impression 3D de nouvelle génération telles que le DMLS (Direct Metal Laser Sintering) ont une tolérance de ±0.1 mm. De plus, le prototypage CNC produit des pièces plus solides que celles produites par impression 3D.
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