Pourquoi la commande numérique par ordinateur (CNC) est-elle le procédé idéal pour le prototypage rapide ?

Plus le développement de produits est compétitif, plus la rapidité est cruciale. Or, lorsqu'il s'agit de prototypage rapide, l'impression 3D vient immédiatement à l'esprit. Pourtant, une autre technologie permet de réaliser des prototypes aux performances, à la précision et aux propriétés des matériaux quasi identiques à celles des pièces finales : l'usinage CNC.

La définition du prototypage rapide a été interprétée par beaucoup comme la simple « fabrication rapide de maquettes » , sans tenir compte de son influence déterminante sur le lancement du produit.

Vous trouverez ci-dessous un article qui redéfinira votre compréhension du prototypage rapide , en révélant comment la technologie CNC, avec ses capacités inégalées dans le monde réel, devient le moteur le plus fiable et le plus puissant de tout le processus de prototypage rapide : de la preuve de concept aux tests fonctionnels.

Résumé des réponses clés

Pourquoi l'équipe JS Precision choisit-elle la commande numérique par CNC pour le prototypage ?

Precision, JS possède plus de 12 ans d'expérience pratique dans le domaine du prototypage rapide, au service de plus de 500 clients issus de 6 grands secteurs d'activité : l'aérospatiale, les dispositifs médicaux, l'électronique grand public, les pièces automobiles , l'automatisation industrielle et les semi-conducteurs.

Par exemple, JS Precision a fabriqué des prototypes d'instruments chirurgicaux de haute précision pour une entreprise d'équipement médical avec des tolérances de ±0,005 mm afin de garantir la précision lors des interventions chirurgicales, et a livré 20 prototypes de test de moteur à l'entreprise de pièces automobiles en 72 heures pour répondre à ses exigences de vérification urgentes.

Dans l'industrie aérospatiale, ils ont également produit des prototypes de supports de système de contrôle d'attitude pour une entreprise de composants de satellites en utilisant un alliage de titane TC4, un usinage CNC à cinq axes pour obtenir des angles spatiaux complexes et un contrôle des tolérances à ±0,003 mm pour aider le client à réaliser des tests en orbite.

Nous avons fabriqué 30 prototypes d'articulations de bras robotisés pour une entreprise d'automatisation industrielle fabriquant des équipements pour les lignes de production, ce qui leur a permis de respecter leur calendrier de mise en service en un temps record de seulement 48 heures.

L'équipe d'ingénierie de JS Precision possède en moyenne plus de 8 ans d'expérience dans l'usinage CNC et a réalisé plus de 1 000 projets de prototypage rapide.

Doté de plus de 40 machines CNC de haute précision, dont des machines à 3 et 5 axes, l'atelier fonctionne selon les systèmes de gestion de la qualité médicale ISO 9001 et ISO 13485 , comprenant parfaitement les besoins de prototypage dans différents domaines.

Ce guide est basé sur la synthèse de ces projets réels, et chaque suggestion a été vérifiée en pratique ; on peut donc lui faire entièrement confiance.

Si vous recherchez un service de prototypage rapide CNC de haute qualité, JS Precision, forte de son expérience dans le secteur, saura répondre à vos besoins. Fournissez-nous vos fichiers CAO et nous vous établirons rapidement un devis, lancerons la fabrication et vous garantirons un prototype de qualité et performant dans les meilleurs délais.

Redéfinir la vitesse : qu'est-ce que le prototypage rapide à l'ère moderne ?

Tout d'abord, comprenons ce qu'est devenue JS Precision – quelle est la définition moderne du prototypage rapide – car on ne peut l'expliquer correctement qu'en décrivant ce qu'est le prototypage rapide afin de comprendre pourquoi la commande numérique par ordinateur (CNC) est la solution idéale.

Le prototypage rapide moderne ne consiste pas à « fabriquer un modèle plus rapidement », mais plutôt à un processus intégré dans lequel « preuve de concept – tests fonctionnels – retour d’information du marché – production pilote en petits lots » est itératif.

Tout au long du processus, chaque étape nécessite des données précises issues du prototype. Par exemple, la validation du concept exige que le prototype réponde aux exigences de conception, les tests fonctionnels exigent qu'il supporte des charges réelles, et les retours du marché exigent que sa qualité soit très proche de celle du produit de série.

Un résultat réussi du prototypage rapide doit présenter une « ressemblance formelle », une « ressemblance spirituelle » et une « authenticité fonctionnelle ».

En d'autres termes, la « ressemblance formelle » signifie que l'apparence est conforme au produit final, la « ressemblance spirituelle » signifie que les propriétés des matériaux sont proches des normes de production de masse, et l'« authenticité fonctionnelle » signifie qu'elle peut simuler les performances dans des scénarios d'utilisation réels.

Ainsi, les trois exigences ci-dessus imposent des exigences élevées en matière de précision et de résistance des matériaux pour le prototype, ouvrant la voie à l'usinage CNC.

JS Precision comprend parfaitement les besoins fondamentaux du processus moderne de prototypage rapide et peut fournir à ses clients des prototypes qui offrent une « ressemblance formelle, une ressemblance spirituelle et une authenticité fonctionnelle » afin de les aider à itérer rapidement et à accélérer le lancement de leurs produits.

Au-delà des imprimantes 3D : dévoiler tout l’éventail des outils de prototypage rapide

Maintenant que la définition et les critères stricts du prototypage rapide ont été établis, j'aimerais comparer un certain nombre d'outils de prototypage rapide courants et trouver le choix optimal pour les scénarios à forte demande.

Le tableau suivant montrera que l'usinage CNC est en effet le premier choix incontesté lorsque les prototypes doivent supporter des charges réelles, fonctionner dans des conditions extrêmes ou subir une vérification d'assemblage précise, par exemple les bras de drones, les pièces d'équipements à haute température, les dispositifs médicaux.

Par exemple, certaines pièces d'implants médicaux doivent répondre à des exigences très élevées en matière de biocompatibilité et de précision dimensionnelle . Dans certains cas, l'usinage CNC d'alliages de titane véritables peut permettre de satisfaire aux exigences des essais cliniques.

En général, les pièces métalliques produites par impression 3D souffrent de porosité interne et ne peuvent atteindre une telle stabilité. C'est ce qui confère à l'usinage CNC sa position haut de gamme parmi les outils de prototypage rapide .

Figure 1 : Les machines CNC automatisent la découpe, le façonnage et la finition des matériaux, ce qui permet d'obtenir des prototypes de haute précision.

L'avantage CNC : une analyse approfondie du processus de prototypage rapide

Étant donné que la plupart des prototypes rapides demandés dépendent de l'utilisation de la commande numérique par ordinateur (CNC), nous allons maintenant expliquer le processus de prototypage rapide basé sur la CNC afin que vous compreniez comment il permet d'atteindre une efficacité et une qualité élevées.

Réception du modèle CAO :

Le client fournit le fichier de conception 3D au format STEP ou IGES. L'étude de faisabilité est réalisée par les ingénieurs de JS Precision, qui prennent en compte les cavités profondes et les parois minces susceptibles de poser des problèmes d'usinage, et formulent des suggestions d'optimisation.

Lors de la conception pour le client, si des parois fines se déforment facilement, nous recommandons d'ajouter des nervures de renforcement. Par exemple, un prototype de boîtier de capteur présentait une paroi de 1 mm d'épaisseur très sensible à la déformation lors de l'usinage. Après avoir porté l'épaisseur à 1,2 mm grâce à l'ajout de nervures, le taux de rendement au premier passage est passé de 70 % à 98 %.

Programmation FAO et pré-simulation numérique :

Lors de l'utilisation d'un logiciel de FAO professionnel pour générer les trajectoires d'usinage, nous activons simultanément la fonction de « pré-simulation numérique » afin de simuler l'intégralité du processus d'usinage et d'éviter proactivement les problèmes tels que les collisions d'outils et les erreurs de trajectoire. Il s'agit d'une des technologies clés du flux de travail de JS Precision.

Usinage avec changeur d'outils automatique :

On utilise une machine-outil CNC à 3 ou 5 axes , selon la complexité de la pièce. La technologie « un bridage par usinage multiface » permet, pour l’usinage de pièces complexes et multifaces, de réduire le nombre d’opérations de bridage et de limiter les erreurs à ±0,01 mm.

Inspection en ligne :

Les dimensions essentielles sont mesurées à l'aide de palpeurs placés sur l'outil pendant l'usinage. Tout écart est immédiatement corrigé afin de respecter la précision requise du prototype.

Post-traitement :

Le post-traitement comprend l'ébavurage, le microbillage ou l'anodisation après usinage, préparant ainsi ces prototypes pour une utilisation immédiate par les clients sans ajustement supplémentaire. Par conséquent, la réussite du prototypage CNC dès la première tentative a permis de réduire le temps d'itération dans le prototypage rapide.

Figure 2 : Les logiciels de conception assistée par ordinateur (CAO) permettent aux ingénieurs et aux concepteurs de créer des modèles 3D détaillés de produits et de spécifier chaque détail et dimension.

La vérité sur les coûts : comment le prototypage et la fabrication CNC vous permettent de réaliser des économies.

Beaucoup pensent que la technologie d'usinage CNC est coûteuse ; cependant, du point de vue du prototypage rapide et de la fabrication , elle peut en réalité permettre de réaliser d'importantes économies, principalement sur trois points.

1. Le prototype CNC permet d'éviter les coûts liés aux modifications coûteuses des moules.

La réalisation d'un prototype par commande numérique avant la fabrication du moule permet de détecter les défauts de conception bien en amont. Un fabricant de pièces automobiles, par exemple, a constaté un écart de 2 mm dans la position d'un trou grâce à un prototype usiné par commande numérique, a modifié la conception et a ainsi évité des coûts de reprise du moule s'élevant à 100 000 $.

2. La commande numérique par ordinateur (CNC) accélère la mise sur le marché.

Les prototypes CNC peuvent être utilisés directement pour les tests ultérieurs, sans post-traitement fastidieux. Par exemple, un client du secteur de l'électronique a réalisé des tests fonctionnels en deux semaines grâce à un prototype CNC, gagnant ainsi une semaine par rapport à l'impression 3D (une semaine qui comprend 3 jours d'impression et 2 jours de durcissement). Ce gain de temps a permis de commercialiser le produit un mois plus tôt, offrant à l'entreprise un avantage concurrentiel significatif.

3. Elle permet une transition en douceur vers la production de masse.

La plupart des procédés utilisés en prototypage CNC sont très proches de la production en série. Par exemple, les paramètres de coupe et le choix des outils pour les prototypes de pièces en alliage d'aluminium peuvent être directement utilisés en production de masse, réduisant ainsi les risques et les coûts de conversion et de réajustement.

Dans une optique de prototypage et de fabrication rapides, les services d'usinage CNC de JS Precision vous permettent d'éviter les modifications de moules, d'accélérer la mise sur le marché et de réaliser des économies. Contactez-nous pour en savoir plus sur nos solutions personnalisées.

Figure 3 : L'une des manifestations de la valeur des machines-outils CNC est que le coût de production en série de prototypes a été considérablement réduit.

Guide pour choisir le bon équipement de prototypage rapide

Le choix d'un équipement de prototypage rapide adapté est essentiel à la réussite. Chaque besoin requiert un équipement spécifique. Vous pouvez évaluer cet équipement selon les quatre dimensions suivantes :

1. Besoins en matériel :

• Si le prototype doit être fabriqué en métal, comme un alliage d'aluminium ou un alliage de titane, l'usinage CNC est préférable.
• Si le prototype doit résister à des températures élevées, comme pour les pièces périphériques du moteur, l'acier inoxydable usiné CNC ou l'alliage de titane peuvent assurer une résistance aux hautes températures supérieures à 300 °C, tandis que les prototypes en plastique imprimés en 3D ramollissent facilement au-dessus de 150 °C.
• Choisissez l'impression 3D SLA s'il s'agit de plastique et qu'une vérification visuelle suffit.
• La méthode de moulage sous vide peut être choisie pour les petits lots de pièces en plastique.

2. Précision dimensionnelle :

Si la tolérance requise est de ±0,01 mm ou plus, par exemple pour les dispositifs médicaux , l'usinage CNC est recommandé. Si la tolérance est plus faible, inférieure à ±0,1 mm, comme pour les coques de jouets, les technologies SLA ou FDM sont acceptables.

3. Complexité structurelle :

Pour les pièces aux surfaces complexes et multifacettes, ou comportant des cavités profondes, comme les connecteurs de bras de drone, il convient d'opter pour une machine CNC 5 axes. En revanche, pour les surfaces simples, lisses et courbes, telles que les coques de tasses, l'impression 3D est une solution envisageable.

4. Budget et délai d'exécution :

Dans le cas de budgets limités (50 à 200 $) avec des délais d'exécution extrêmement courts (moins d'un jour), le FDM est une option pour les pièces simples, les budgets importants (200 à 1000 $) avec des exigences de haute qualité nécessitent le CNC, avec un délai de production de 1 à 3 jours.

JS Precision dispose d'une gamme complète d' équipements de prototypage rapide , de 3 à 5 axes, adaptés à vos exigences en matière de matériaux et de précision. Faites-nous part de vos besoins et nous vous recommanderons la solution optimale.

Étude de cas : De la conception assistée par ordinateur à un bras de drone prêt au vol en 72 heures

Contexte et défis du client

Le connecteur de bras en composite de fibre de carbone d'une start-up de drones industriels nécessite une mise à niveau de sa conception pour les essais en vol préalables à une démonstration d'investissement.

Les échantillons imprimés en 3D FDM réalisés précédemment s'étaient cassés lors d'un test de vibration de vol simulé à une fréquence de 1000 Hz pendant 2 heures, car la résistance à la traction du matériau imprimé n'était que de 20 MPa, insuffisante pour les charges réelles.

Le client a besoin d'un prototype fonctionnel sous 72 heures, faute de quoi il ratera la démonstration d'investissement et risque de perdre 5 millions de dollars d'investissement.

La solution de JS Precision

1. Adéquation des matériaux et des procédés :

Les ingénieurs de JS Precision ont analysé les matériaux et ont constaté que l'adhérence insuffisante entre les couches des pièces imprimées en 3D était la principale cause de rupture. Ils ont recommandé l'utilisation d'un alliage d'aluminium 7075 de qualité aérospatiale, dont la résistance à la traction est jusqu'à cinq fois supérieure à celle des matériaux FDM.

Nous avons préalablement effectué des essais de traction pour vérifier l'adéquation du matériau. La limite d'élasticité a atteint 505 MPa, dépassant largement l'exigence du client (450 MPa). Les données des essais en temps réel ont été communiquées au client.

2. Réponse rapide et ingénierie simultanée :

Dans les 2 heures suivant la réception du modèle CAO (format STEP), le travail de programmation de la FAO et la planification du processus étaient terminés, et les matières premières de secours avaient été préparées à l'avance (feuilles pré-stockées d'alliage d'aluminium 7075).

L'usinage de toutes les surfaces courbes complexes a été réalisé en une seule opération sur une machine-outil à cinq axes, avec des tolérances de surface d'assemblage clés contrôlées à ±0,008 mm.

3. Post-traitement efficace :

Les tolérances de surface des principaux assemblages sont de l'ordre de ±0,005 mm, grâce à l'usinage de six surfaces en une seule opération sur une machine-outil CNC cinq axes DMG MORI. Un ébavurage par ultrasons et un microbillage ont été effectués immédiatement après l'usinage afin d'améliorer la rugosité de surface à Ra 1,6 µm.

Dans le même temps, les trous de connexion critiques ont été réinspectés à l'aide d'une machine à mesurer tridimensionnelle afin de garantir que les tolérances de diamètre des trous répondent aux exigences des assemblages et d'éviter les jeux dans les assemblages ultérieurs.

Résultats et valeur

De la commande client à la livraison, seulement 70 heures ont été nécessaires, soit 2 heures d'avance sur le planning. Le connecteur usiné CNC n'a présenté aucune déformation ni rupture lors des tests de résistance ultérieurs (2 heures de vibration à 1 200 Hz et test d'impact de 100 kg), permettant ainsi au client de valider son investissement et d'obtenir un financement de 3 millions de dollars.

Témoignage client : « Le prototype CNC de JS Precision a non seulement répondu à un besoin urgent, mais nous a également permis de préserver une opportunité d'investissement cruciale. »

Figure 4 : Connecteur de tube en carbone pour bras de drone pliable

Ingénierie pour la rapidité : stratégies éprouvées pour optimiser votre processus de prototypage rapide

Lors du prototypage rapide , l'optimisation des processus est essentielle pour maximiser l'efficacité des machines CNC. JS Precision présente ici quelques méthodes éprouvées pour améliorer votre efficacité et réduire vos coûts.

1. Simplification des conceptions :

Évitez les surfaces complexes inutiles qui n'apportent aucune valeur ajoutée à la fonctionnalité. Par exemple, si une pièce mécanique comporte 6 surfaces irrégulières, la simplifier à 3 permet de réduire le temps d'usinage de 8 à 4 heures et de diminuer les coûts de 40 %.

2. Paramétrage de tolérance raisonnable :

Évitez les tolérances trop élevées. Par exemple, élargir la tolérance des dimensions non critiques de ±0,005 mm à ±0,02 mm réduit la difficulté d'usinage, diminue les coûts de 30 % et n'affecte pas la fonction de la pièce.

3. Utilisation intelligente des matériaux :

Utilisez des matériaux faciles à usiner lors de la phase initiale des essais fonctionnels. Par exemple, l'utilisation de l'alliage 6061, facile à usiner et peu coûteux, au lieu de l'alliage d'aluminium 7075, difficile à usiner et onéreux, lors des premières phases d'essai, puis le passage au matériau cible après la réussite des essais, permet de réduire les coûts initiaux jusqu'à 25 %.

4. Standardisation et modularisation :

Le pré-usinage réalisé par JS Precision permet de réserver les pièces structurelles standard couramment utilisées, telles que les trous de vis et les goupilles de positionnement. Des inserts filetés pré-usinés sont également disponibles pour les trous de vis M3 et M4 les plus courants. Ils peuvent être directement intégrés dans l'assemblage prototype du client, évitant ainsi le perçage et le taraudage sur site et réduisant le temps de traitement de 1 à 2 jours.

Ces méthodes exploitent pleinement les avantages du prototypage rapide CNC pour vous aider à développer des prototypes plus rapidement et à moindre coût.

JS Precision peut également formuler des suggestions pour l'optimisation des processus afin de maximiser les avantages de la fabrication de prototypes rapides CNC grâce à la simplification de la conception et à des paramètres de tolérance raisonnables, aidant ainsi les clients à améliorer leur efficacité et à réduire leurs coûts.

FAQ

Q1 : La vitesse du prototypage CNC est-elle vraiment comparable à celle de l'impression 3D ?

L'impression 3D géométrique simple peut prendre quelques heures , mais pour les prototypes fonctionnels haute résistance, l'usinage CNC est beaucoup plus rapide, car il élimine le temps nécessaire au post-traitement pour renforcer la pièce. Par exemple, une pièce de la taille d'un poing peut être livrée en 1 jour par CNC, alors que l'impression 3D et le post-traitement prennent 3 jours.

Q2 : Quels matériaux peuvent être usinés par CNC ?

Presque tous les matériaux techniques peuvent être usinés par commande numérique (CNC), notamment les alliages d'aluminium, l'acier inoxydable, les alliages de titane, le laiton et les plastiques techniques comme le POM, le nylon et le PEEK. C'est l'un des principaux avantages du prototypage rapide.

Q3 : Quelles sont les dimensions minimales/maximales réalisables pour les prototypes usinés CNC ?

L'équipement de JS Precision permet d'usiner des pièces de quelques millimètres jusqu'à des prototypes de plus de 800 mm. Nous devrons déterminer les dimensions exactes requises à partir de vos plans. Nous vous ferons part de notre réponse dès réception de ces plans.

Q4 : Comment les machines CNC gèrent-elles les prototypes avec des canaux d'écoulement internes complexes ?

Selon JS Precision, ces structures complexes de cavités internes et de canaux d'écoulement ont été parfaitement réalisées par le procédé de « désassemblage par usinage puis collage » ou « utilisation de matériaux de support solubles ».

Q5 : Quel est le temps généralement nécessaire pour l'usinage CNC de prototypes en alliage d'aluminium ?

JS Precision expédie généralement les commandes de pièces standard en alliage d'aluminium de la taille d'un poing sous 1 à 3 jours ouvrables . Grâce à sa ligne de prototypage rapide, l'entreprise assure un traitement efficace des commandes.

Q6 : Notre conception est très complexe, une machine CNC peut-elle la gérer ?

Bien sûr. JS Precision est capable d'usiner des surfaces de forme libre extrêmement complexes et des structures à cavités internes grâce à des machines CNC à cinq axes. Il vous suffit de nous fournir le plan, et nous pourrons très probablement réaliser l'usinage.

Q7 : Comment puis-je demander un devis pour le prototypage rapide CNC ?

Il vous suffit de fournir à JS Precision des fichiers CAO 3D, aux formats STEP ou IGES par exemple. Le système effectuera ensuite l'analyse et générera un devis instantané. Pour les projets complexes, des ingénieurs vous contacteront afin de vous proposer des solutions d'optimisation.

Q8 : Comment puis-je garantir la confidentialité et la sécurité de la conception de mon prototype ?

JS Precision respecte scrupuleusement l' accord de confidentialité . Tous vos fichiers de conception et vos données seront protégés avec la plus grande rigueur. Nous accordons une importance capitale à la propriété intellectuelle de nos clients ; soyez donc assurés de sa confidentialité.

10. Résumé

Lorsqu'on souhaite un prototype capable de résister à des tests en conditions réelles, d'accélérer les itérations de R&D et de réduire les coûts globaux, l'intérêt de l'usinage CNC s'impose. Il permet de transformer les prototypes, de l'apparence au fonctionnement, et de la validation ponctuelle à la production en série.

Faites en sorte que votre prototype ne soit jamais le maillon faible de votre chaîne de production. Choisissez le service de prototypage rapide CNC de JS Precision et bénéficiez d'une prise en charge complète : définition du prototypage rapide , sélection des équipements, optimisation des processus et personnalisation des boîtiers.

Il vous suffit ensuite de télécharger vos fichiers de conception sur notre site web et de constater par vous-même à quel point nos services de prototypage rapide, professionnels et fiables vous mèneront vers le succès.