Fraisage CNC : définition, processus et principes fondamentaux

Pour faire simple, le fraisage CNC est un procédé de fabrication qui utilise des machines contrôlées par ordinateur pour enlever de la matière d'une pièce afin de lui donner la forme souhaitée.

Son utilisation est cruciale dans de nombreuses industries modernes, et en lisant cet article, vous allez découvrir pourquoi.

I. Qu'est-ce que le fraisage CNC ?

• Définition

Le fraisage CNC (Computer Numerical Control) ou fraisage à commande numérique par ordinateur, est un procédé de fabrication faisant partie intégrante de l'usinage CNC. C’est un système de fabrication soustractif où des machines utilisent des fraises, des outils de coupe rotatifs, pour retirer des couches successives de matériau d'une pièce brute (souvent appelée ébauche) afin de créer une forme finale précise. 

Le processus commence par la création d'un modèle 3D de la pièce souhaitée à l'aide de logiciels de conception assistée par ordinateur (CAO) et de fabrication assistée par ordinateur (FAO). Ce modèle est ensuite converti en instructions (appelé G-code) que la machine CNC va utiliser pour exécuter des mouvements précis et répétés. Les outils de coupe, qui tournent à grande vitesse, retirent des couches successives de matériau de la pièce brute pour atteindre les dimensions et la forme spécifiées.

• Historique et évolution du fraisage

Le fraisage CNC est né des techniques d'usinage manuelles traditionnelles. Initialement, le fraisage traditionnel impliquait un contrôle manuel par un opérateur, avec une précision et des tolérances dépendant fortement de l'habileté de l'opérateur. Ce processus était adapté pour des opérations simples et de petits volumes, mais limitait la complexité des formes et la répétabilité des productions.

Dans les années 1940 et 1950, les premières machines à commande numérique (NC) ont été développées pour automatiser certaines tâches d'usinage. Ces machines ont amélioré la précision et la régularité des fabrications, mais restaient limitées par les technologies de contrôle disponibles à l'époque.

Avec l'avènement des ordinateurs dans les années 1960 et 1970, les machines NC ont évolué pour devenir les machines CNC (Commande Numérique par Ordinateur) modernes. Le fraisage CNC utilise des ordinateurs pour contrôler les mouvements des outils de coupe selon des programmes prédéfinis, permettant une haute précision et une répétabilité indépendamment de l'opérateur. Ce passage du contrôle manuel à la commande numérique a permis de réaliser des pièces complexes et de produire en grande série avec une automatisation accrue, incluant des changeurs d'outils automatiques et des systèmes de refroidissement automatisés.

Depuis lors, les technologies de fraisage CNC n'ont cessé de se perfectionner. Aujourd'hui, elles peuvent simuler des parcours d'outil, usiner des formes tridimensionnelles complexes et s'intégrer à d'autres technologies de fabrication numérique. Le fraisage CNC est devenu indispensable dans de nombreuses industries, telles que l'aéronautique, l'automobile, le médical et l'électronique, en raison de sa précision, de sa flexibilité et de son efficacité.

II. Comment fonctionne le fraisage ?

Les étapes du processus de fraisage CNC :

Etape 1 : Création d'un modèle CAO 

• La première étape du fraisage CNC consiste à créer un modèle numérique de la pièce à fabriquer. Cela se fait à l'aide d'un logiciel de conception assistée par ordinateur (CAO) comme AutoCAD, SolidWorks, Fusion 360 .… Ce modèle peut être en 2D ou 3D, selon la complexité de la pièce et inclut toutes les caractéristiques géométriques nécessaires à sa fabrication.

  Exemple : Pour fabriquer un composant de moteur en aluminium, l'ingénieur utilise un logiciel CAO pour dessiner le modèle 3D de la pièce, en incluant les dimensions exactes, les angles et les trous nécessaires.

Etape 2 : Exportation du modèle dans un format compatible CNC

• Une fois le modèle CAO terminé, il doit être exporté dans un format de fichier compatible avec la machine CNC. Les formats les plus courants sont STL (stéréolithographie) et STEP (Standard for the Exchange of Product model data). Ces fichiers contiennent les informations géométriques (G-code) nécessaires pour guider les mouvements de la machine CNC.

  Exemple concret : L'ingénieur enregistre le modèle CAO du composant de moteur en tant que fichier STL, qui sera ensuite utilisé pour programmer la machine CNC.

Etape 3 : Configuration et lancement de la machine CNC

• La machine CNC doit être configurée avant de commencer l'usinage. Il faut fixer la pièce brute sur la table de la machine, installer les outils de coupe appropriés dans la broche et charger le programme CNC créé à partir du fichier exporté. Le programme CNC va dicter les mouvements de la machine, y compris les trajectoires des outils de coupe, les vitesses de rotation et les vitesses d'avance.

  Exemple : L'opérateur de la machine fixe un bloc d'aluminium brut sur la table de la machine CNC et installe une fraise en bout dans la broche. Il charge ensuite le programme CNC généré à partir du fichier STL et vérifie que toutes les configurations sont correctes avant de lancer la machine.

Une fois ces étapes complétées, la machine CNC commence à usiner la pièce en suivant les instructions du programme. Les outils de coupe rotatifs enlèvent progressivement la matière, conformément au modèle CAO initial. Le résultat final est une pièce finie avec des dimensions exactes et une qualité de surface élevée, prête à être utilisée dans son application prévue.

III. Types d'opérations de fraisage CNC

Fraisage en bout (de face)

Le fraisage en bout, également appelé fraisage de face, utilise la périphérie de la fraise pour enlever la matière. Dans cette opération, l'axe de rotation de l'outil de coupe est parallèle à la surface de la pièce.

Ce type d'opération est utilisé pour l'usinage de surfaces planes, de rainures et de poches, permettant une grande précision dans la création de ces éléments. Le fraisage en bout est particulièrement efficace pour produire des finitions lisses et des contours nets, ce qui en fait une technique essentielle pour des pièces nécessitant une haute qualité de surface. De plus, cette opération est souvent employée pour ajuster les tolérances dimensionnelles et améliorer l'ajustement des pièces assemblées, garantissant ainsi une meilleure performance et durabilité des composants fabriqués.

Fraisage en plongée

Le fraisage en plongée consiste à faire pénétrer verticalement la fraise dans la pièce, l'axe de rotation étant perpendiculaire à la surface de la pièce.

Ce type d'opération est utilisé pour créer des trous, des poches et des cavités profondes, offrant une méthode efficace pour des usinages précis et profonds. Le fraisage en plongée est particulièrement utile pour les applications nécessitant une grande profondeur d'usinage, comme la création de logements pour les composants électroniques ou les emplacements de fixation pour les assemblages mécaniques. En outre, cette technique permet de minimiser les forces latérales sur la fraise, réduisant ainsi l'usure des outils et prolongeant leur durée de vie. Le fraisage en plongée est également employé pour commencer des opérations de fraisage plus complexes, en créant un point d'entrée initial pour d'autres opérations d'usinage.

Fraisage hélicoïdal

Le fraisage hélicoïdal combine le mouvement rotatif de la fraise et le mouvement hélicoïdal pour créer des trous et des poches, avec l'axe de rotation incliné par rapport à la surface de la pièce.

Ce type d'opération est utilisé pour l'usinage de trous profonds et de poches hélicoïdales, offrant une précision élevée et une efficacité accrue dans la création de ces formes complexes. Le fraisage hélicoïdal est particulièrement apprécié pour sa capacité à maintenir des tolérances strictes et à minimiser les déformations lors de l'usinage de matériaux difficiles. Cette technique est idéale pour les applications nécessitant des trajectoires de coupe continues et fluides, telles que la fabrication de vis ou de composants hélicoïdaux. En outre, le fraisage hélicoïdal permet de réaliser des opérations d'ébauche et de finition en un seul processus, optimisant ainsi le temps de production et la qualité des pièces usinées.

Fraisage de contour (de profil)

Le fraisage de contour, aussi connu sous le nom de fraisage de profil, suit le contour d'une pièce, l'axe de rotation de l'outil de coupe étant parallèle ou perpendiculaire à la surface de la pièce selon les besoins.

Ce type d'opération est utilisé pour la création de contours extérieurs ou intérieurs, et la découpe de pièces, permettant de réaliser des formes précises et définies. Le fraisage de contour est essentiel pour produire des pièces avec des profils détaillés, tels que les carters et les panneaux décoratifs, nécessitant des lignes claires et une finition soignée. Cette technique est également utilisée pour l'usinage de formes complexes avec des variations de hauteur et de profondeur, offrant une grande flexibilité dans la conception et la fabrication des pièces.

Fraisage à grande vitesse

Le fraisage à grande vitesse utilise des vitesses de coupe élevées, l'axe de rotation de l'outil de coupe étant aligné selon les besoins de l'usinage.

Ce type d'opération est utilisé pour l'usinage de matériaux durs, l'amélioration de la qualité de surface, et la réduction du temps de fabrication. Le fraisage à grande vitesse est particulièrement avantageux pour les industries nécessitant des cycles de production rapides et une finition de surface impeccable. Cette technique permet également de réduire les forces de coupe et l'accumulation de chaleur, préservant ainsi l'intégrité des outils et des matériaux usinés.

Fraisage en rainurage

Le fraisage en rainurage utilise une fraise pour créer des rainures ou des fentes dans la pièce, l'axe de rotation de l'outil de coupe étant parallèle à la surface.

Ce type d'opération est utilisé pour l'usinage de rainures, de fentes et de canaux, permettant de réaliser des éléments précis et fonctionnels. Le fraisage en rainurage est couramment utilisé pour créer des logements pour les joints et les éléments d'assemblage, assurant une fixation précise et sécurisée. Cette technique est également employée pour la réalisation de rainures de clé, de canaux pour câbles et de guides de mouvement, offrant une grande polyvalence dans la conception des pièces. En outre, le fraisage en rainurage permet de réaliser des opérations de découpe fine, garantissant des tolérances serrées et une finition de haute qualité.

Fraisage de surfaçage

Le fraisage de surfaçage utilise une grande fraise pour enlever une couche superficielle de la pièce, l'axe de rotation de l'outil de coupe étant perpendiculaire à la surface de la pièce.

Ce type d'opération est utilisé pour la préparation de surfaces planes et l'amélioration de la planéité, offrant une finition de haute qualité. Le fraisage de surfaçage est essentiel pour préparer les pièces pour d'autres opérations d'usinage ou pour obtenir une surface de référence plane et régulière. Cette technique est également utilisée pour enlever les défauts de surface, tels que les marques de moulage ou les irrégularités, améliorant ainsi l'esthétique et la fonctionnalité des pièces.

Fraisage de forme complexe (usinage 5 axes)

Le fraisage de forme complexe utilise des fraiseuses CNC 5 axes pour usiner des formes complexes, avec l'axe de rotation de l'outil de coupe orientable selon les besoins.

Ce type d'opération est utilisé pour des pièces aérospatiales, médicales et autres nécessitant des angles multiples et des formes tridimensionnelles, permettant de réaliser des géométries complexes avec précision. Le fraisage de forme complexe est indispensable pour la fabrication de pièces aux exigences de haute précision et aux tolérances strictes, comme les implants médicaux et les composants de moteurs d'avion. Cette technique permet également de réaliser des opérations d'usinage en une seule configuration, réduisant ainsi le temps de setup et les erreurs de repositionnement.

Ces différentes opérations de fraisage CNC permettent de fabriquer une grande variété de pièces avec des formes et des tailles diverses, répondant ainsi aux besoins spécifiques de nombreuses industries. Les types d'opérations courantes couvrent la plupart des besoins en fraisage CNC, mais il existe aussi des techniques spécialisées pour des demandes plus particulières.

IV. Quels matériaux utiliser pour le fraisage ?

Critères de sélection des matériaux

Le choix des matériaux pour le fraisage CNC dépend de plusieurs facteurs clés :

• Propriétés mécaniques : La résistance, la dureté, la ductilité et la durabilité.

• Tolérances dimensionnelles : Certains matériaux permettent des tolérances plus strictes, ce qui est crucial pour les pièces nécessitant une grande précision.

• Résistance thermique : La capacité du matériau à résister aux températures élevées générées pendant le processus de fraisage.

• Coût : Le budget du projet peut influencer le choix du matériau, en équilibrant le coût des matières premières et les exigences de performance.

• Compatibilité avec les finitions : Certains matériaux acceptent mieux les traitements de surface comme l'anodisation, le revêtement en poudre ou le polissage.

Matériaux couramment utilisés

Bois

Le bois est utilisé pour des applications où la rigidité et la légèreté sont importantes. Il est couramment utilisé pour fabriquer des prototypes, des modèles et des pièces décoratives.

• Exemple : Le bois, comme le pin, est utilisé pour fabriquer des maquettes de bâtiments.

Métaux

Les métaux sont parmi les matériaux les plus couramment utilisés en fraisage CNC en raison de leur robustesse et de leur capacité à être usinés avec précision.

• Aluminium : Léger, résistant à la corrosion et facile à usiner, l'aluminium est souvent utilisé pour les pièces aéronautiques, les composants automobiles et les équipements électroniques.

• Exemple : Des boîtiers électroniques en aluminium usinés par CNC pour leur robustesse et leur légèreté.

• Acier inoxydable : Résistant à la corrosion et très durable, idéal pour les applications médicales et alimentaires.

• Exemple : Fabrication de dispositifs médicaux, comme des implants chirurgicaux.

• Laiton : Facile à usiner et offrant une bonne résistance à la corrosion, souvent utilisé pour les composants de plomberie et les pièces décoratives.

• Exemple : Fabrication de raccords de plomberie et de pièces de quincaillerie décorative.

Plastiques

Les plastiques sont choisis pour leur légèreté, leur coût réduit et leur facilité de mise en forme.

• ABS (Acrylonitrile Butadiène Styrène) : Durable et facile à usiner, souvent utilisé pour les prototypes et les boîtiers d'équipements.

• Exemple : Boîtiers de produits électroniques de consommation.

• Polycarbonate : Très résistant aux impacts et transparent, utilisé dans les applications nécessitant une grande résistance mécanique.

• Exemple : Écrans de protection et fenêtres de sécurité.

• Nylon : Résistant à l'abrasion et à l'usure, utilisé pour les engrenages et les composants mécaniques.

• Exemple : Fabrication de roues dentées et de pièces mobiles.

Autres matériaux

En dehors des bois, métaux et plastiques, plusieurs autres matériaux sont utilisés en fraisage CNC pour des applications spécifiques.

• Composites : Combinaisons de matériaux (comme la fibre de carbone et la résine) offrant une haute résistance et une faible densité.

• Exemple : Fabrication de pièces structurelles légères pour l'industrie aérospatiale.

• Céramiques : Utilisées pour leur résistance à la chaleur et leur dureté, idéales pour les composants électroniques et les pièces exposées à des températures élevées.

• Exemple : Isolateurs et composants de capteurs fabriqués en céramique.

• Phénoliques : Matériaux composites à base de résine utilisés pour leur stabilité dimensionnelle et leur résistance à la chaleur.

• Exemple : Pièces de connecteurs électriques et composants isolants.

La sélection du matériau approprié pour le fraisage CNC dépend des exigences spécifiques de chaque projet, incluant les propriétés mécaniques nécessaires, les tolérances dimensionnelles, la résistance thermique, le coût et la compatibilité avec les traitements de surface.

V. Avantages et inconvénients du fraisage CNC

Avantages

• Précision et exactitude : Les machines CNC peuvent réaliser des pièces avec une tolérance très stricte, souvent de l'ordre du micron.

• Répétabilité : Une fois programmé, le fraisage CNC peut produire des pièces identiques en grande série avec une qualité constante.

• Efficacité : Le processus CNC est automatisé, permettant une production rapide et une réduction du temps de fabrication.

• Flexibilité : Les machines CNC peuvent usiner une large variété de matériaux.

• Complexité des formes : Capable de créer des formes géométriques complexes et des détails minutieux qui seraient difficiles à réaliser manuellement.

• Réduction des erreurs humaines : L'automatisation et la précision des machines CNC minimisent les erreurs liées à la manipulation humaine.

• Sécurité : Les opérateurs sont moins exposés aux risques, car la machine effectue la majorité des opérations de manière autonome.

Inconvénients

• Coût : L'achat et l'installation de machines CNC nécessitent un investissement initial important.

• Entretien : Les machines CNC nécessitent un entretien régulier pour fonctionner correctement, ce qui peut être coûteux et nécessiter des compétences spécialisées.

• Complexité de programmation : La création de programmes CNC pour des pièces complexes peut parfois être chronophage et nécessite une expertise technique.

• Gaspillage de matériaux : Le fraisage CNC étant un processus soustractif, il produit des déchets de matériau, ce qui peut être moins efficace que les procédés additifs comme l'impression 3D.

• Dépendance technologique : Les entreprises dépendent des logiciels et du matériel informatique pour le fonctionnement des machines CNC, ce qui peut poser des problèmes en cas de pannes ou de mises à jour.

• Compétences requises : Les opérateurs et les programmeurs doivent être formés et qualifiés pour utiliser et entretenir les machines CNC efficacement.

VI. Secteurs d’utilisation du fraisage CNC

Industrie aérospatiale

Le fraisage CNC est largement utilisé dans l'industrie aérospatiale pour la fabrication de composants critiques tels que les pièces de moteurs, les structures d'aéronefs et les composants de systèmes de contrôle. La précision et la répétabilité du fraisage CNC garantissent que les pièces respectent les normes de sécurité et de performance strictes de ce secteur.

Industrie automobile

Dans l'industrie automobile, le fraisage CNC est utilisé pour produire des composants variés comme les blocs moteurs, les arbres de transmission, les composants de suspension et les systèmes de freinage. La capacité à produire en série des pièces identiques avec une grande précision est essentielle pour répondre aux exigences de fiabilité et de sécurité.

Secteur médical

Le secteur médical utilise le fraisage CNC pour fabriquer des dispositifs médicaux précis tels que les implants orthopédiques, les instruments chirurgicaux et les prothèses dentaires. La possibilité de travailler avec des matériaux biocompatibles et de créer des pièces personnalisées est particulièrement avantageuse.

Industrie électronique

Le fraisage CNC est crucial pour la fabrication de composants électroniques tels que les boîtiers de circuits imprimés, les dissipateurs thermiques et les connecteurs. La précision du fraisage CNC permet de répondre aux tolérances strictes nécessaires pour les performances des dispositifs électroniques.

Industrie de la fabrication de moules

Le fraisage CNC joue un rôle clé dans la fabrication de moules utilisés pour le moulage par injection, la coulée et d'autres procédés de formage. La précision du fraisage CNC permet de créer des moules complexes avec des détails fins, assurant la qualité des produits finis.

Ces secteurs montrent l'étendue et la polyvalence du fraisage CNC, soulignant son importance dans la fabrication moderne et sa capacité à répondre aux exigences de diverses industries.

VII. Combien coûte le fraisage CNC ?

Le coût du fraisage CNC dépend de plusieurs facteurs clés : la complexité et la taille de la pièce, le type de matériau utilisé, le volume de production, le type de machine CNC (les machines multi-axes et modernes étant plus coûteuses), le temps de production, les finitions et traitements de surface nécessaires, la localisation et les coûts de main-d'œuvre, ainsi que les frais de logistique et d'expédition. 

Donc, plus votre pièce est complexe et difficile à produire, plus le coût sera élevé (variant de plusieurs dizaines à plusieurs centaines d’Euros).

VIII. Types de machine CNC pour le fraisage

Fraiseuses verticales : Elles ont une broche verticale, idéales pour le perçage, le rainurage et la création de poches. Leur conception permet une bonne visibilité de la pièce, utile pour les travaux nécessitant une surveillance précise.

Fraiseuses horizontales : Avec une broche horizontale, elles sont parfaites pour les opérations lourdes et permettent de travailler sur plusieurs faces sans repositionnement. Idéales pour l'enlèvement de grandes quantités de matière et la production en série.

Machines CNC multi-axes : Ces machines se déplacent et tournent sur plusieurs axes, réalisant des usinages très complexes avec une grande précision.

• Fraiseuses 2 axes : Se déplacent sur les axes X et Z, pour des opérations simples comme le perçage et le rainurage.

• Fraiseuses 3 axes : Ajoutent l'axe Y pour un mouvement tridimensionnel, capables de produire des formes plus complexes.

• Fraiseuses 4 axes : Incluent une rotation supplémentaire autour de l'axe X ou Y, pour usiner plusieurs faces sans repositionnement.

• Fraiseuses 5 axes : Ajoutent une rotation autour de l'axe Z, permettant une liberté de mouvement totale pour des formes très complexes, idéales pour l'aéronautique, les implants médicaux et les moules complexes.

Fraiseuses à portique : Pour des pièces très grandes, souvent utilisées dans l'aéronautique et la fabrication de grands moules.

Fraiseuses à broche mobile : La broche se déplace sur un axe fixe tandis que la table reste immobile, idéale pour les pièces lourdes.

Fraiseuses de précision : Pour des travaux nécessitant une tolérance extrêmement serrée et une finition impeccable, utilisées dans les industries médicales et électroniques.

Peu importe le type de machine CNC de fraisage, elles possèdent généralement tous les éléments suivants : un cadre, une broche, des axes, des colonnes, un panneau de commande CNC, un changeur d'outils automatique (ATC), un porte-outils, une table et un réservoir de liquide de refroidissement.

Le fraisage CNC est une technologie essentielle dans l'industrie moderne, offrant des solutions précises et efficaces pour la fabrication de pièces complexes. Grâce à sa capacité à travailler avec une large gamme de matériaux et à réaliser des usinages sophistiqués, il s'est imposé comme un outil indispensable dans divers secteurs, allant de l'aéronautique à l'électronique. En comprenant les différents types de machines CNC et leurs composants, ainsi que les facteurs influençant les coûts, les entreprises peuvent mieux exploiter cette technologie pour optimiser leurs processus de production. Le fraisage CNC continue d'évoluer, apportant de nouvelles possibilités et améliorations dans le domaine de la fabrication.