Quelles machines pour faire quoi ? - TRAKK

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entre 12 & 13 minutes

Certaines machines peuvent t'aider à challenger ton idée en la matérialisant de façon quasi professionnelle. Bien que le processus de prototypage demande pas mal de recherche, tu pourras alors tenir ton idée dans les mains pour vérifier tous les aspects qui t'intéressent ! Mais comment différencier ces machines et surtout que font-elles ? L'article qui suit couvre ces questions et plus encore !

Machines à commande numérique

Ce type de machines est en fait assez simple à comprendre. En les réduisant à leur principe essentiel, elles ne sont que l'évolution de leur version manuelle: par exemple, une CNC n'est qu'une défonceuse montée sur des axes. Idem pour une découpeuse laser qui pourrait être assimilée à un pyrograveur monté sur des axes. Ces axes pilotent la machine en elle même (la défonceuse ou le pyrograveur) grâce à l'ordinateur qui les commande en fonction d'un dessin informatisé. Ceci est évidement un peu simpliste mais ça te permet de comprendre l'idée générale derrière ces machines. Ça te permet aussi de comprendre que la machine ne travaille pas toute seule: elle ne fait que retirer l'aspect physiquement harassant et parfois répétitif. Tout le travail de conception reste bien présent et s'appuie souvent sur des connaissances et des savoir-faire tout à fait traditionnels (issus du maniement des machines dites classiques). Une autre chose qui en découle est que tu dois rester tout près des machines: au même titre que tu ne laisserais pas une défonceuse travailler sans attention, tu restes le maitre de toute machine que tu mets en route.

La plus grande différence entre les machines

Image de chargement : 3d-printer-printing-letters

Imprimantes 3D - manufacture additive

Une des plus grandes différences - du moins une des plus flagrantes - est que les seules machines qui déposent de la matière sont les imprimantes 3D. Elles impriment des couches successives de matériau qui se solidarise en fonction des différents procédés d'impression. Ainsi, bien qu'il y ait toujours une matière première (PLA, résine, ABS,...) ces machines "ajoutent de la matière" pour créer ton objet.

Usinage "classique" - manufacture soustractive

A contrario, les machines plus classiques quant à elles vont toujours retirer de la matière en partant d'un bloc du matériau que tu travailles. Cette différence fondamentale va changer ta façon de travailler, de concevoir tes fichiers et aussi les résultats obtenus.

Comparaison entre les machines

Dans ce tableau tu pourras voir les différences entre les machines d'un coup d'oeil. Nous nous attarderons sur des aspects qui sont importants pour ton travail: la finition, le temps de préparation, d'usinage, la facilité d'utilisation, les matériaux usinables et le cout. Le tout te permettra d'avoir un aperçu de ce que tu peux faire avec les différentes machines !

Critères	CNC	Laser	Imprimantes 3D	Découpeuse Vinyle
Type d'usinage	Usinage soustractif= poches, découpes, gravure	Usinage soustractif = gravure & découpe	Usinage additif	Usinage soustractif: découpe
Type de finition	Relativement lisse	Lisse	Couches de 0,06 à 0,4mm en général	Lisse
Temps de préparation	Élevé	Moyen	Élevé	Faible
Temps d'usinage	Élevé	Faible	Moyen	Faible
Facilité d'utilisation	Demande un certain temps pour maitriser tous les aspects.	Moyenne	Moyenne	Assez facile
Type de fichier	2D ou 3D	2D	3D	2D
Programme de dessin	Inkscape, Fusion 360, AutoCAD	Inkscape (ou tout type de dessin vectoriel)	Tout type de dessin 3D + Slicer	Inkscape (ou tout type de dessin vectoriel)
Matériaux	Matières plastiques, bois, certains métaux	Gravure: quasi tout Découpe: bois, carton, plexi, cuir... JAMAIS de PVC	Thermoplastiques (PLA - ABS - PTFE, ...)	Vinyle
Couts	+++	++	+	++

CNC

Principe d'usinage

Ces machines fonctionnent avec des outils de coupe (principalement des fraises ou des couteaux) ainsi que des outils de perçages comme les mèches des foreuses. En général, ces outils tournent à une certaine vitesse qui dépend, autre autres, du matériau à usiner mais aussi des caractéristiques propres à chaque outil. Les outils de coupe sont circulaires et disposent de "dents qui viennent rogner la matière" pour la creuser ou la découper selon la profondeur à laquelle ils descendent. La machine va alors faire suivre les contours de ton dessin par cet outil de coupe. La vitesse à laquelle la machine déplace l'outil le long de tes tracés est un des éléments essentiels à la réussite de de l'usinage. Quand nous travaillons avec une défonceuse manuelle, nous adaptons cette vitesse instinctivement. Les CNC nous offrent plus de contrôle à ce niveau là.

Les outils des CNC

Les possibilités de ces machines sont quasi infinies et sont principalement déterminées par le type d'outil employé. Ainsi, une des façon de mettre toutes les chance du côté de la réussite de l'usinage est bien sûr d'utiliser l'outil le plus adéquat. Il doit être choisi en fonction du matériau (densité, résistance à l'échauffement, épaisseur) mais également en fonction du type d'opération à effectuer. Ainsi, il te faudra avoir un aperçu global de ton projet à usiner avant d'acquérir tous les outils nécessaires. L'outil en lui-même et ses caractéristiques (nombre de dents, alliage, longueur) détermineront les différentes vitesses de la machine. Ces outils peuvent vite avoir un cout élevé mais la qualité de ton usinage et ta sécurité en dépendent.

Laser

Principe d'usinage

Pour les découpeuses / graveuses laser le principe est tout à fait différent: nous travaillons toujours avec le même outil, le laser lui même. Là où nous avions un outil de coupe à changer sur la CNC, nous avons ici toujours le même. Le laser retire la matière (usinage soustractif) en la brulant. Ça veut dire que nous réglons la puissance du rayon laser et sa vitesse de déplacement pour découper ou graver le matériau. La vitesse de déplacement est un paramètre de la plus haute importance - comme pour la CNC. Si la puissance correspond au pourcentage de l'intensité totale du rayon laser, la vitesse elle correspond au temps passé par cette intensité au même endroit sur le matériau. Et plus quelque chose reste longtemps sous ce rayon, plus il est brulé.

Imprimantes 3D

Principe d'usinage - dépôt de filament

Il existe plusieurs types d'impression 3D. Nous nous concentrerons ici sur les imprimantes à dépôt de filament. La tête d'impression contient une buse qui est chauffe à des températures élevées (jusqu'à 270° en général) pour faire fondre le matériau qui y est amené. Ce matériau est déposé en fines couches superposées qui fusionnent entre-elles selon les contours de l'objet que tu as dessiné. D'ailleurs, L'espace entre ces contours, ou parois (une intérieure et une extérieure) est rempli plus ou moins en fonction de la solidité que ton objet doit avoir.

Les 3 facteurs clé d'une impression 3D

Toutes les machines ont des paramètres qui s'autoinfluencent. Les imprimantes 3D sont régies par 3 facteurs dont l'influence sur répercute les uns sur les autres. Il s'agit du temps d'usinage, de la solidité souhaitée et de la qualité d'impression. En effet, plus la qualité d'impression est élevée - donc plus les couches de matière sont fines - plus le temps d'usinage augmente car la machine doit faire plus de passages sur la hauteur totale de ton objet pour arriver à le construire. Ensuite, la solidité souhaitée pour ton objet influence le temps d'usinage: plus l'espace entre les parois est rempli, plus la pièce imprimée sera solide et plus long sera le temps d'impression. Ça veut dire aussi que si tu veux une impression rapide, tu va devoir faire des compromis sur la qualité et / ou sur la solidité du modèle !

Découpeuse vinyle

Principe d'usinage

La découpeuse vinyle te permet de gagner beaucoup de temps ! Il s'agit en fait d'un cutter monté sur des axes. Ça te permet de découper du vinyle à partir d'un dessin vectoriel avec une précision et une rapidité appréciable. Attention, ce n'est pas une imprimante classique dans le sens où aucune encre ne sort de la tête. Il s'agit seulement ici d'une découpe. Tu ne pourras donc faire que des couches de monochrome.

Quelle machine choisir ?

Le choix d'une machine se base sur une multitude de critères. Les principaux dépendent de toi et des caractéristiques que ton produit doit avoir. Ainsi, le temps et le budget que tu as à disposition sont des facteurs clé à prendre en compte. Mais aussi des paramètres liés à la solidité, aux matériaux et la qualité de finition souhaités vont aussi influencer le choix de la machine.

Les facteurs qui te sont propres dépendent par exemple du temps que tu as à consacrer au développement de ton prototype, à ton budget, du niveau de connaissance que tu as dans certaines machines ou logiciels. Mais aussi de ta capacité d’apprentissage, de ton gout du risque…

Ces facteurs sont donc multiples et trop personnels pour être développés dans cet article.

(Mais il se peut nous développions un podcast qui y serait consacré – stay tuned !)

Passons donc aux machines !

Laser VS CNC

Ces deux machines ont plus ou moins le même principe de fonctionnement bien que leur technologie soit quant à elle totalement spécifique. Cette différence permet de faire des choses tout à fait différentes. Par exemple grâce à la laser, nous pouvons découper des choses très finement avec une valeur de coupe (l'épaisseur du trait de coupe) de l'ordre de 0,1mm. En revanche, nous sommes limités par le type de matériaux à usiner et leur épaisseur. Pour la CNC ce qui freine un peu c'est le cout de l'ensemble. Si pour la laser, tu dois juste prévoir le temps machine et tes matériaux dans ton budget, la CNC implique d'autres couts. Le travail avec ces machines sous entend l'achat d'outils de coupe et de martyrs qui peuvent très vite faire grimper le budget. En revanche, on peut découper des matériaux beaucoup plus variés, épais, et solides qu'avec la laser. Au niveau des finitions, tout ce qui est découpé par la laser est carbonisé sur les chants. Ça ne veut pas dire que c'est nécessairement une mauvais chose. Sur du plexi [PPMA], cette finition permet d'avoir des champs lisses et transparents ce qui est plus difficile (et plus couteux) à obtenir à la CNC. La précision de la gravure est quant à elle à prendre en compte: la laser permet de réaliser des choses très délicates alors que la CNC conservera toujours un niveau de détail proportionnel au diamètre de l'outil de coupe. Il faut ajouter à ça que plus son diamètre est fin, plus la qualité de la gravure s'en trouvera améliorée mais moins profonde elle sera ! Ainsi, le choix entre ces deux machines se fait principalement par la matière à usiner, sa taille et la finition que tu veux obtenir.

Laser

Avantages

rapide - précise (0,1mm de trait de coupe) - moins chère - moins de préparation de fichiers - finition carbonisée sur les chants - relativement facile

Inconvénients

ne découpe pas tous les matériaux - ne découpe pas les matériaux épais - finition carbonisée sur les chants - taille d'usinage limitée à 1000x600mm

CNC

Avantages

découpe beaucoup plus de matériaux - les résultats sont plus solides - très bonne finition - grande taille d'usinage: 2440x1220mm

Inconvénients

relativement complexe à prendre en main - temps de préparation important - couts parfois importants

2D, 2,5D, 3D quelle différence ?

La 2D est principalement caractérisée par son absence d'épaisseur ou du moins une épaisseur tellement faible qu'elle n'en n'est pas tangible (tu ne peux pas poigner dans quelque chose que tu as dessiné sur papier) . C'est typiquement un dessin sur papier, de la peinture... La 2,5D quant à elle, donne une épaisseur qui matérialise ces traits. Il s'agit principalement de découpes de panneaux par exemple (faites par une cnc 3 axes ou une découpeuse laser). En art classique on pourrait assimiler ça aux bas reliefs. La 3D correspond à un objet à part entière détaché de tout fond plat. On parle alors d'un volume, de tout objet physique. En art classique, cela correspond à la ronde-bosse ! Ces réalisations peuvent sortir d'imprimantes 3D ou de CNC 5 axes.

Imprimante 3D VS CNC

Ici, nous comparons des pommes et des poires: usinage additif et soustractif. Mais ces deux machines sont capables de faire de la 3D ou plus ou moins. Les CNC 3 axes sont de loin les plus répandues. Ça veut dire qu'elles ne sont capables d'usiner que dans 3 directions: sur la hauteur, la longueur et la largeur. Elles savent donc faire de la "fausse 3D" aussi appelée "2,5D" en travaillant à partir de panneaux, et donc à plat. C'est donc parfait si on voulait faire un usinage de coupe topographique ou d'objets relativement plats. Mais impossible de faire de la 3D pure et dure (pense à une sphère complète par exemple !). Nous allons comparer les machines sur ces points. La chose la plus évidente est les matériaux employés. L'imprimante doit fondre la matière première qu'elle dépose. Ainsi général, seul du plastique peut-être utilisé alors que pour la CNC on pourrait imaginer usiner n'importe quoi avec les bons outils. Ensuite, vient la taille maximum d'usinage. Elle est beaucoup plus réduite pour une imprimante 3D, de l'ordre de 200mm³ en général. Par contre les impressions peuvent tourner seules pendant toute la durée de travail de la machine alors que les CNC requièrent une attention soutenue en raison des risques plus élevés.

Même usinage avec les machines

Voici un même usinage réalisé avec les deux machines pour te permettre de vraiment les comparer. Il s'agit d'un rangement pour des stylos. L'usinage sur une imprimante 3D peut souvent précéder un usinage CNC pour vérifier que le modèle est viable au niveau des tailles par exemple.

Critères	CNC	IMPRESSION 3D
Cout	Matière première + fraises + martyr	grammage de PLA
Temps d'usinage	2,55 minutes	2,34 heures
Temps de préparation	10 minutes	2 minutes
Temps de finition	5 minutes (ponçage)	0
Matière	Bois (sapin)	PLA
Type de fichier	2D (dxf)	3D (stl)
Niveau d'attention	Soutenu - présence à la machine requise	faible

Imprimante 3D

Avantages

Facile - pas beaucoup de risques - peu chère - ne nécessite pas une attention constante

Inconvénients

Taille de travail réduite - matériaux usinables réduits

CNC

Avantages

Grande surface de travail - matériaux variés

Inconvénients

Nécessite une attention de tous les instants - chère - pas facile

Conclusion

Tu as maintenant un aperçu des différences entre les machines et des critères de comparaison pour mieux choisir celle qui conviendrait au mieux à ton usinage !

Il ne te reste plus qu’à te lancer dans le processus de prototypage de ton projet. Entoure-toi de professionnels qui peuvent te conseiller dans tes démarches notamment au niveau des différentes vitesses des machines. Tu peux trouver ce genre de personnes dans des fablabs ou des ateliers partagés.

La chose principale, qui doit absolument être constamment au centre de ton attention, est évidemment ta sécurité et celle des autres avec qui tu travailles !

Pour le reste, tu va pouvoir construire une connaissance et une expertise sur les capacités des machines que tu utiliseras. Plus tu les manipules et plus tu développeras cette expertise. Celle-ci te permettra de réaliser des choses de plus en plus complexes pour que tes prototypes ressemblent à la vision que tu as de ton produit final !