L'usinage CNC (Commande Numérique par Ordinateur) est un processus de fabrication fondamental qui transforme des conceptions numériques en produits physiques précis. Le succès de tout projet CNC dépend de manière significative de la sélection des matériaux, qui a un impact direct sur la fonctionnalité, la durabilité, le coût et la fabricabilité du produit final. Ce guide fournit un aperçu détaillé des matériaux disponibles, de leurs propriétés, de leurs applications et des principaux facteurs de sélection pour vous aider à prendre des décisions éclairées pour vos projets.
1 Facteurs clés dans la sélection des matériaux CNC
La sélection du matériau approprié nécessite une considération attentive de plusieurs facteurs qui influencent à la fois le processus d'usinage et les performances de la pièce finale.
1.1 Usinabilité
L'usinabilité fait référence à la facilité avec laquelle un matériau peut être coupé, façonné et fini sans usure excessive de l'outil ni dommage. Les matériaux à haute usinabilité (par exemple, l'aluminium, le laiton) permettent une productivité plus élevée, de meilleures finitions de surface et des coûts de fabrication réduits. Inversement, les matériaux à faible usinabilité nécessitent souvent des outils et des techniques spécialisés.
1.2 Propriétés mécaniques
Résistance : Cela comprend la résistance à la traction (résistance aux forces de traction), la résistance à la compression (résistance aux forces d'écrasement) et la ténacité (résistance à l'usure et aux chocs). Différentes applications exigent différentes caractéristiques de résistance.
Dureté : La capacité du matériau à résister à l'indentation ou à la déformation de surface. Bien que les matériaux durs soient résistants à l'usure, ils peuvent être plus difficiles à usiner et peuvent accélérer l'usure des outils.
Stabilité dimensionnelle : La capacité d'un matériau à conserver sa forme et ses dimensions dans diverses conditions, telles que la charge, les changements de température ou l'humidité. Ceci est essentiel pour les composants de précision.
1.3 Résistance thermique
La résistance thermique indique la capacité d'un matériau à résister aux fluctuations de température sans se dilater, se contracter ou se déformer. Les matériaux à dilatation thermique prévisible sont cruciaux pour les applications impliquant des variations de température.
1.4 Résistance à la corrosion
C'est la capacité du matériau à résister à la dégradation due à l'exposition aux produits chimiques, à l'humidité ou à d'autres facteurs environnementaux. Les aciers inoxydables et certains plastiques comme le PVC et le PP sont connus pour leur excellente résistance à la corrosion.
1.5 Considérations de coût
Le coût des matériaux est une préoccupation majeure. Bien que les métaux coûtent généralement plus cher que les plastiques, il est essentiel d'équilibrer les dépenses initiales avec des facteurs tels que l'usinabilité, l'usure des outils, le post-traitement requis et le coût total de possession de la pièce finale.
2 Matériaux métalliques pour l'usinage CNC
Les métaux sont largement utilisés dans l'usinage CNC pour leur résistance, leur durabilité et leur conductivité thermique.
| Type de matériau | Alliages/grades courants | Propriétés clés | Applications typiques | Classement d'usinabilité |
| Aluminium | 6061, 6082, 7075 | Léger, bon rapport résistance/poids, excellente résistance à la corrosion, bonne conductivité électrique et thermique. | Pièces automobiles, composants aérospatiaux, électronique grand public, cadres, boîtiers. | Excellent |
| Acier | C45 (1045), 42CrMo4, St52-3 | Haute résistance, durabilité et bonne résistance à l'usure. | Arbres, engrenages, outils, composants robustes, pièces automobiles. | Bon à Moyen |
| Acier inoxydable | 304, 316, 17-4PH | Excellente résistance à la corrosion, haute résistance, surface hygiénique. | Instruments médicaux, équipements de transformation des aliments, quincaillerie marine et conteneurs chimiques. | Moyen à Difficile |
| Cuivre | E-Cu57, Cu-ETP | Excellente conductivité électrique et thermique, antimicrobien. | Composants électriques, échangeurs de chaleur, barres omnibus. | Moyen (peut être gommeux) |
| Laiton | CuZn39Pb3 | Bonne usinabilité, résistant à la corrosion, aspect décoratif. | Raccords, vannes, engrenages, instruments de musique, quincaillerie décorative. | Excellent |
| Titane | Grade 2, Grade 5 (6Al-4V) | Très bon rapport résistance/poids, excellente biocompatibilité et résistance à la corrosion exceptionnelle. | Composants aérospatiaux, implants médicaux, pièces d'ingénierie haute performance. | Difficile |
| Magnésium | AZ31B, AZ91D | Extrêmement léger, bon rapport résistance/poids, bonne capacité d'amortissement. | Supports automobiles, composants aérospatiaux et boîtiers d'appareils électroniques. | Bon (Attention : copeaux inflammables) |
3 Matériaux plastiques et polymères pour l'usinage CNC
Les plastiques offrent des avantages tels que la légèreté, la résistance à la corrosion, l'isolation électrique et, souvent, un usinage plus simple.
| Type de matériau | Alliages/grades courants | Propriétés clés | Applications typiques | Classement d'usinabilité |
| Aluminium | 6061, 6082, 7075 | Léger, bon rapport résistance/poids, excellente résistance à la corrosion, bonne conductivité électrique et thermique. | Pièces automobiles, composants aérospatiaux, électronique grand public, cadres, boîtiers. | Excellent |
| Acier | C45 (1045), 42CrMo4, St52-3 | Haute résistance, durabilité, bonne résistance à l'usure. | Arbres, engrenages, outils, composants robustes, pièces automobiles. | Bon à Moyen |
| Acier inoxydable | 304, 316, 17-4PH | Excellente résistance à la corrosion, haute résistance, surface hygiénique. | Instruments médicaux, équipements de transformation des aliments, quincaillerie marine, conteneurs chimiques. | Moyen à Difficile |
| Cuivre | E-Cu57, Cu-ETP | Excellente conductivité électrique et thermique, antimicrobien. | Composants électriques, échangeurs de chaleur, barres omnibus. | Moyen (peut être gommeux) |
| Laiton | CuZn39Pb3 | Bonne usinabilité, résistant à la corrosion, aspect décoratif. | Raccords, vannes, engrenages, instruments de musique, quincaillerie décorative. | Excellent |
| Titane | Grade 2, Grade 5 (6Al-4V) | Très bon rapport résistance/poids, excellente biocompatibilité et résistance à la corrosion exceptionnelle. | Composants aérospatiaux, implants médicaux, pièces d'ingénierie haute performance. | Difficile |
| Magnésium | AZ31B, AZ91D | Extrêmement léger, bon rapport résistance/poids, bonne capacité d'amortissement. | Supports automobiles, composants aérospatiaux, boîtiers d'appareils électroniques. | Bon (Attention : copeaux inflammables) |
Remarque sur l'usinage du FR-4 : Le FR-4, un composite de résine époxy et de fibre de verre tissée, nécessite une attention particulière. Sa teneur en fibre de verre est très abrasive, ce qui entraîne une usure importante des outils58. L'utilisation d'outils en carbure ou de ceux spécialement conçus pour les composites est essentielle. L'usinage produit également des poussières fines qui nécessitent des systèmes d'extraction efficaces pour la sécurité de l'opérateur.
4 Matériaux avancés et composites
- Composites (par exemple, CFRP, GFRP) : Offrent des rapports résistance/poids et une rigidité très élevés. Ils sont difficiles à usiner en raison de leur nature abrasive et de leur tendance à se délaminer ou à s'effilocher.
- Superalliages (par exemple, Inconel, Hastelloy) : Conservent leur résistance à des températures extrêmement élevées et offrent une excellente résistance à la corrosion. Ceux-ci sont très difficiles à usiner, nécessitant des outils et des techniques spécialisés.
- Tungstène et molybdène : Très haute densité et point de fusion. Utilisés dans des applications spécialisées comme le blindage contre les radiations ou les fours à haute température. Fragiles et difficiles à usiner.
5 Méthodologie de sélection des matériaux
Le choix du bon matériau est un processus systématique :
- Définir les exigences de l'application : Fonction, conditions de charge (statique, dynamique, impact), environnement d'exploitation (température, produits chimiques, humidité) et durée de vie requise.
- Identifier les propriétés critiques : Donner la priorité aux propriétés indispensables (par exemple, résistance, conductivité, transparence, conformité FDA).
- Tenir compte des contraintes de fabrication : Évaluer l'usinabilité, les tolérances requises, les besoins de finition de surface et le budget disponible.
- Évaluer et présélectionner : Comparer les matériaux candidats en fonction des critères ci-dessus. Le prototypage est souvent précieux pour la validation finale.
