Matériaux pour l'usinage CNC : le guide de sélection ultime

Matériaux plastiques utilisés pour l'usinage CNC

Grâce à leur légèreté, leurs propriétés isolantes et leur résistance aux milieux chimiques corrosifs, les plastiques sont souvent un matériau de choix. Ils sont notamment utilisés dans les dispositifs médicaux et électroniques, aussi bien lors du prototypage que dans la production finale.

• ABS (Acrylonitrile Butadiène Styrène) : L'ABS est l'un des plastiques techniques les plus courants. Il est bon marché, facile à usiner et même résistant aux chocs ; c'est l'une des nombreuses raisons pour lesquelles le prototypage rapide est souvent utilisé dans le monde de l'ingénierie.
• Nylon (Polyamide) : Reconnu pour son extrême robustesse, sa durabilité et sa résistance à l'usure, le nylon est très prisé pour la fabrication de composants à faible friction. Cependant, sa forte capacité d'absorption le rend sensible à l'humidité ambiante, qui peut le déformer.
• Delrin (POM): Grâce à sa grande stabilité dimensionnelle et à son faible coefficient de frottement, le Delrin est parfaitement adapté aux applications d'usinage de précision. Il est également un matériau de substitution couramment utilisé en mécanique pour des pièces telles que les fixations et les bagues.
• PEEK (Polyétheréthercétone) : Pour les applications à très hautes performances qui doivent résister à des températures extrêmes, à des environnements chimiquement corrosifs et à des conditions très exigeantes (par exemple, les industries médicale et aérospatiale), on utilise un plastique haut de gamme appelé PEEK.
• Polycarbonate (PC) : Le polycarbonate est également un plastique technique très recherché. Transparent et reconnu pour sa grande résistance aux chocs, il est fréquemment utilisé dans de nombreuses applications optiques, ainsi que dans la fabrication de lunettes de sécurité et de systèmes de manipulation de fluides divers.

Propriétés des matériaux et leur impact sur l'usinage CNC

En usinage CNC, la connaissance des propriétés de base des matériaux permet de prédire leur comportement sous l'outil de coupe.

Dureté

La dureté indique la contrainte maximale qu'un matériau peut supporter sans se déformer.

• Impact : Si un matériau est trop dur (par exemple, les aciers trempés, le titane), les vitesses de coupe devront être considérablement réduites pour éviter la casse de l'outil, ce qui augmentera le temps et les coûts d'usinage.
• Conseil de sélection : Spécifiez un niveau de dureté plus élevé uniquement si le matériau doit être soumis à une usure ou une abrasion importante.

Usinabilité

L'usinabilité désigne la facilité avec laquelle un matériau donné peut être usiné. Il s'agit généralement d'une évaluation comparative, les aciers à usinage facile (1212) obtenant la note maximale de 100 %.

• Impact : Les matériaux à haute usinabilité (par exemple, l'aluminium 6061, le laiton) permettent d'effectuer le travail beaucoup plus rapidement, avec une usure des outils moindre, et seront moins coûteux à produire.
• Conseil de sélection : Si votre projet le permet, privilégiez toujours les matériaux ayant les meilleures performances afin de minimiser les coûts.

Stabilité thermique

La stabilité thermique d'un matériau est sa réaction à la chaleur.

• Impact : L’usinage génère de la chaleur par frottement. Si un plastique a une faible stabilité thermique, il peut fondre ou se déformer en cas d’usinage trop agressif. Les métaux à faible conductivité thermique, comme le titane, concentrent une grande quantité de chaleur vers l’outil de coupe, réduisant ainsi sa durée de vie.
• Conseil de sélection : Si l’usinage doit être effectué de manière intensive ou s’il s’agit d’une application à haute température, il convient de sélectionner des matériaux à haute stabilité thermique.

Résistance à la traction

La résistance à la traction désigne la contrainte maximale qu'un matériau peut supporter sous tension avant de se rompre.

• Impact : Si un matériau à haute résistance à la traction est choisi pour l'usinage, cela risque de rendre ce dernier plus difficile.
• Conseil de sélection : Assurez-vous que la résistance à la traction est suffisante pour la structure, mais évitez de spécifier une résistance excessive si le composant n’est pas porteur.

Conséquences financières des différents matériaux d'usinage

Le coût d'une pièce usinée par commande numérique (CNC) se limite rarement au prix du bloc de métal brut. Il comprend le coût des matières premières, le temps d'usinage et l'usure des outils.

Le coût des matières premières

C'est la considération la plus évidente.

• Faible coût : ABS, aluminium 6061, acier doux.
• Coût moyen : Acier inoxydable 304, Nylon, Polycarbonate.
• Coût élevé : Titane, PEEK, Acier inoxydable 316.

Le coût caché : l'usinabilité

C’est souvent là que les budgets explosent. Un bloc de titane peut coûter cinq fois plus cher qu’un bloc d’aluminium, mais le coût réel provient du temps d’usinage. Le titane devant être usiné lentement pour éviter d’endommager le matériel, la machine peut fonctionner pendant 10 heures pour une pièce qui ne prendrait qu’une heure en aluminium.

Si vous payez l'usinage à l'heure, cette multiplication par 10 du temps d'usinage éclipse le coût des matières premières.

Usure et remplacement des outils

Les matériaux abrasifs comme le nylon chargé de fibres de verre ou les métaux durs usent rapidement les fraises et les forets. Si un machiniste doit arrêter la machine pour remplacer un outil émoussé en plein travail, vous payez pour ce temps d'arrêt et le coût du nouvel outil.

Conseils pour optimiser le choix des matériaux pour l'usinage CNC

Vous pouvez réduire les coûts et les délais en suivant ces stratégies d'optimisation dès la phase de conception.

1.Ne pas surspécifier

Ce n'est pas parce que le titane de grade 5 est le « meilleur » matériau pour cette conception qu'il faut absolument l'utiliser. Les ingénieurs doivent privilégier les matériaux les plus économiques. Si la pièce est destinée à être posée sur un bureau et sert simplement à maintenir un capteur, une version coûteuse en acier de haute qualité n'est pas nécessaire.

2.Standardisez les dimensions de vos billettes

Lors de l'usinage de composants CNC, les machinistes utilisent des barres, des tiges et des plaques pour leurs matières premières. Si une pièce doit mesurer 51 mm de large, le machiniste doit se procurer une barre de 60 mm et en usiner 9 mm. En revanche, si la pièce mesure 49 mm de large, une barre de 50 mm suffit, évitant ainsi tout gaspillage de matière. Le temps d'usinage est alors considérablement réduit.

3.Pensez au post-traitement

Si une dureté superficielle spécifique est requise et que la pièce doit être facilement usinable, des traitements secondaires doivent être mis en œuvre. Les aciers plus tendres peuvent être utilisés pour la cémentation, de même que l'aluminium qui peut être anodisé pour obtenir une couche superficielle plus résistante à l'usure et à la corrosion.

4.Tenez compte de l'épaisseur de vos murs.

Bien que cela s'applique à tous les matériaux, c'est encore plus crucial pour les plastiques. L'usinage peut engendrer des finitions de surface irrégulières et, plus grave encore, provoquer des fissures dans la pièce si l'épaisseur de la paroi est insuffisante. Surdimensionnez l'épaisseur de vos parois et assurez-vous qu'elle soit suffisante pour résister à l'impact de l'outil de coupe.

Conclusion

Choisir le bon matériau pour l'usinage CNC est rarement une décision simple. C'est un compromis entre les exigences physiques du produit final et les contraintes économiques de fabrication. En comprenant les compromis entre usinabilité, coût et propriétés mécaniques, vous pouvez concevoir des pièces à la fois fonctionnelles et économiques à produire.

Que vous privilégiez la polyvalence de l'aluminium, la durabilité de l'acier ou la précision du Delrin, l'essentiel est d'impliquer votre partenaire de fabrication dès les premières étapes de la conception. Son expérience de terrain peut apporter des informations précieuses qui permettent de gagner du temps et de l'argent avant même le début de la production.