Guide comparatif des procédés d'usinage mécaniques, chimiques et électrochimiques

À mesure que l'ingénierie moderne évolue, la demande en procédés d'usinage de pointe ne cesse de croître. Cela a conduit les fabricants à se tourner de plus en plus vers de nouvelles méthodes afin de répondre à des exigences de production élevées.

L'usinage mécanique, chimique et électrochimique repose sur trois mécanismes fondamentalement différents d'enlèvement de matière. Le choix entre ces différentes méthodes ne se résume pas à déterminer laquelle est la meilleure ou la plus appropriée. Les principaux critères à prendre en compte sont la géométrie de la pièce, la dureté du matériau, la tolérance aux contraintes résiduelles ou l'épaisseur de paroi.

Ce guide analyse ces trois familles de procédés sous l'angle de la finition de surface, des tolérances, de la compatibilité des matériaux et des coûts d'ingénierie, afin de permettre aux équipes d'approvisionnement de présélectionner le procédé le plus adapté avant de demander des devis.

Qu'est-ce qui distingue ces trois familles d'usinage ?

L'usinage mécanique utilise un procédé de fabrication soustractif visant à retirer de la matière d'une pièce brute. Ce procédé implique un contact direct avec un outil de coupe, tel qu'un foret ou une fraise en bout rotative, afin de créer la forme souhaitée, en s'appuyant sur le cisaillement mécanique et la déformation plastique localisée pour former des copeaux. ^[1]. La qualité de surface et les paramètres dimensionnels du produit fini dépendent de facteurs tels que la matière première, l'outil de coupe et les paramètres de la machine. L'usinage de type suisse (tournage de type suisse) et le fraisage CNC entrent dans cette catégorie.

L'usinage chimique consiste à enlever de la matière en dissolvant certaines parties de la surface métallique dans des solutions chimiques corrosives. On utilise un masque ou un photorésist pour protéger les zones qui doivent être conservées. La photogravure (photochimique), le fraisage chimique et le découpage appliquent le même principe d'enlèvement de matière. Le choix de la technique dépend de l'épaisseur et de la géométrie du matériau.

L'usinage électrochimique (ECM) permet d'enlever de la matière uniquement par dissolution anodique, sans contact mécanique ni thermique. De son côté, l'usinage par décharge électrique (EDM et WEDM) utilise l'érosion par étincelles. Comme ces procédés non traditionnels n'impliquent aucune force de coupe physique, ils sont particulièrement adaptés à l'usinage d'aciers à outils trempés et de contours complexes qui casseraient une fraise conventionnelle.

En quoi la finition de surface et la tolérance diffèrent-elles l'une de l'autre ?

Nous sommes conscients que les capacités d'usinage varient considérablement ; c'est pourquoi des chiffres précis ont davantage de valeur que des affirmations générales. Il est essentiel de bien comprendre cette relation, car les tolérances et les spécifications relatives à l'état de surface déterminent généralement les décisions d'achat.

Les les principes fondamentaux de la physique Cela a également une incidence sur la manière dont le processus d'usinage enlève la matière et sur son comportement.

Dans le fraisage chimique, les ingénieurs doivent tenir compte des variations dimensionnelles liées au fraisage en prévoyant des marges de gravure pour la pièce initiale. Cela implique d'ajouter une quantité de matière égale à la profondeur de gravure prévue, majorée d'un facteur de tolérance de 10 à 20%.

En effet, dans le domaine de la photogravure, la compensation de la contre-dépouille est un aspect crucial en raison de la nature isotrope de la gravure chimique. Celle-ci enlève de la matière sous le masque de photorésine à mesure qu’elle progresse sur toute l’épaisseur verticale. Le facteur de gravure varie entre 1:1 et 3:1 selon le procédé et le matériau.

En usinage par électroérosion (EDM), le Ra (rugosité de surface) et la tolérance sont étroitement liés. Les finitions lisses avec un contrôle plus strict du Ra < 1,5 μm doivent s'accompagner d'une tolérance de ± 0,010 mm. Si l'on cherche à obtenir une finition miroir sans assouplir la tolérance dimensionnelle, la durée du cycle augmentera considérablement.

Quels matériaux chaque procédé permet-il réellement de traiter ?

Le fraisage CNC / l'usinage suisse permet de traiter une large gamme d'alliages, de métaux et de plastiques techniques. Parmi les alliages, on peut citer les aciers inoxydables, le laiton et les alliages d'aluminium (Al7075, 6061), le titane, ainsi que des plastiques tels que le PEEK et le Delrin. L'usinage multiaxial permet de réaliser des géométries 3D complexes et des contre-dépouilles que l'usinage suisse ne peut pas réaliser en raison de la finesse de ses pièces rotatives.

Le fraisage chimique est couramment utilisé pour l'aluminium et ses alliages. D'autres métaux, tels que le magnésium, le titane, le cuivre et certains métaux réfractaires (tantale, molybdène), se prêtent également à ce procédé. Le fraisage chimique résout un problème métallurgique particulier que les méthodes mécaniques ne peuvent pas résoudre. Il permet d'éliminer la couche superficielle alpha, fragile, des pièces forgées en titane ; or, si cette opération est effectuée mécaniquement, le meulage introduit des contraintes résiduelles et présente un risque de formation de fissures dans les matériaux. Cette capacité contribue à réduire le poids sur des surfaces courbes complexes, telles que les panneaux de revêtement des équipementiers aérospatiaux.

La photogravure/découpe chimique s'applique à des métaux tels que l'acier inoxydable, les alliages de nickel, le laiton, le cuivre, le Kovar, l'Invar et les aciers à ressort. Elle convient aux feuilles et aux tôles d'une épaisseur comprise entre 0,01 mm et 2 mm.

L'électroérosion par étincelage (EDM / WEDM) est idéale pour tous les matériaux conducteurs d'électricité. Parmi les matériaux couramment utilisés, on trouve l'acier trempé, le laiton, le carbure et les alliages de titane. Le principal avantage de l'électroérosion par étincelage réside dans sa capacité à usiner avec précision des métaux durs et conducteurs qui sont difficiles, voire impossibles, à usiner à l'aide d'autres procédés.

Facteurs de coût et délais d'exécution pour chaque processus.

Les coûts et les délais de fabrication liés au fraisage CNC et à l'usinage suisse s'expliquent principalement par :

• Le choix du matériau a une incidence sur le coût, tant au niveau du prix de la matière première que de l'usinabilité. Par exemple, un bloc de titane coûte cher par rapport à l'aluminium ; cependant, son usinage prend trois fois plus de temps.
• La géométrie des pièces, notamment les parois minces, les cavités profondes et les contre-dépouilles, nécessite un outillage spécifique et des opérations impliquant plusieurs réglages.
• La complexité de la mise en place, comme les tolérances serrées (par exemple ± 0,005″), entraîne des coûts supplémentaires, car elle nécessite une vitesse de coupe plus faible, une fréquence d'inspection accrue et des opérations de finition supplémentaires pour respecter les paramètres exacts.

Les facteurs influant sur le coût et les délais d'exécution de l'usinage chimique sont les suivants :

• L'épaisseur du matériau : plus celui-ci est épais (> 1,5 mm), plus le temps de gravure, la consommation d'énergie et la consommation de produits chimiques augmentent.
• Quantité par lot pour laquelle les pièces sont facturées à la feuille plutôt qu'à la découpe, ce qui réduit le coût unitaire.
• Les opérations secondaires telles que le revêtement, le traitement thermique ou les contrôles qualité spécifiques entraînent des coûts supplémentaires.

Les coûts de l'électroérosion par enduction (EDM) et de l'électroérosion par fil (WEDM) dépendent fortement des tarifs horaires des machines, de l'épaisseur des pièces et des frais de mise en place.

• Les tarifs horaires des machines pour les travaux standard et les coûts des machines sous-traitées se situent entre $75 et $120/h, tandis que les spécialistes de la haute précision facturent entre $100 et $150/h. Par ailleurs, les délais d'exécution pour les pièces sur mesure sont de 3 à 10 jours, tant pour le prototypage que pour la production.
• Le type de matériau et sa dureté créent un écart : ainsi, des matériaux tels que les aciers à outils trempés permettent une coupe plus rapide que l'acier laminé à froid recuit. L'acier laminé à froid contient des impuretés qui interrompent la décharge. Les vitesses de coupe diminuent à mesure que l'épaisseur du matériau augmente.
• La qualité de surface est améliorée grâce à des passes de finition supplémentaires. L'électroérosion à fil, qui est un procédé à passes multiples, permet d'obtenir une rugosité Ra comprise entre 2,5 et 3,2 µm. Une seule passe de finition permet d'atteindre une rugosité Ra de 0,4 µm, tandis que deux à trois passes permettent d'obtenir une rugosité Ra de 0,25 µm ou moins. Chaque passe augmente la durée d'usinage et engendre des coûts d'outillage supplémentaires.

Comparaison des procédés d'usinage : CNC/suisse, usinage chimique et électroérosion.

Le fraisage CNC et l'usinage de type « suisse » sont les mieux adaptés aux formes 3D complexes, aux carters monoblocs et aux pièces cylindriques de haute précision. Ces procédés constituent la solution idéale pour la fabrication de composants exigeant une grande précision dimensionnelle, une résistance mécanique élevée et un état de surface optimal.

Lors de la fabrication de pièces telles que des boîtiers en aluminium et des enceintes en ABS de qualité médicale, le fraisage permet de contrôler l'épaisseur des parois, la précision du filetage et la géométrie des bossages en un seul serrage. Cette approche minimise les erreurs liées aux changements de serrage et garantit des tolérances serrées sur l'ensemble de la pièce. Le fraisage suisse est idéal pour les composants de petit diamètre, longs et rotatifs, tels que les arbres et les goupilles.

Le fraisage chimique est la solution idéale pour les composants de grande taille à parois minces, présentant des formes complexes et nécessitant des finitions lisses. Il préserve la structure granulaire interne du métal, évitant ainsi toute contrainte mécanique. Le matériau dissous chimiquement lors de la photogravure et du découpage chimique ne forme pas les bavures générées par l'usinage classique. En n'enlevant de la matière que là où cela est nécessaire, ce procédé réduit le gaspillage de matière et les coûts de finition supplémentaires. Le fraisage chimique excelle dans l'industrie aérospatiale pour la réduction de poids sur une large surface.

L'usinage électrochimique (ECM) est très apprécié pour sa capacité à usiner des formes complexes sans exercer de contraintes thermiques ou mécaniques sur les pièces. À l'inverse, l'électroérosion par étincelage (EDM) et l'électroérosion par fil (WEDM) sont idéales pour façonner des métaux durs et conducteurs afin de créer des détails complexes, tels que des angles internes aigus et des trous fins, sans exercer de forces de coupe physiques. Si l'électroérosion par fil (WEDM) élimine le besoin d'un pré-usinage plus doux dans la fabrication de matrices et de moules, elle génère toutefois une couche de refusion et une zone affectée thermiquement (HAZ) dues à l'érosion par étincelles, ce qui peut nécessiter un post-traitement pour les applications sensibles, car l'énergie thermique localisée élevée fait fondre et refroidit rapidement la microstructure de surface. ^[2].

Conclusion

Parmi les procédés d'usinage évoqués, aucune méthode n'est universelle ni supérieure aux autres. Pour obtenir de meilleurs résultats, il est essentiel de combiner leurs atouts ou de choisir la méthode la plus adaptée à vos besoins.

Chez First Mold, nous sommes convaincus que de meilleures décisions en matière de fabrication conduisent à de meilleurs résultats techniques. C’est pourquoi nous nous engageons à fournir des conseils concrets et éprouvés sur le terrain, auxquels les ingénieurs et les fabricants peuvent se fier en toute confiance. Si vous cherchez à explorer différentes techniques de production, à créer ou à optimiser des conceptions, il est essentiel de choisir le bon procédé. Grâce à une équipe expérimentée qui vous apporte les conseils adaptés à votre application, l'excellence est garantie.

Référence

[1] Davies, M. A., et al. (2007). De la mesure de la température dans l'usinage. Annales du CIRP – Technologies de fabrication, 56(2), 781-804. https://doi.org/10.1016/j.cirp.2007.10.009

[2] Ho, K. H., & Newman, S. T. (2003). État de l'art de l'usinage par électroérosion (EDM). Revue internationale des machines-outils et de la fabrication, 43(13), 1287-1300. https://doi.org/10.1016/S0890-6955(03)00162-7