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Critères de sélection des matériaux pour l’usinage CNC

Cet article résume les principaux facteurs à prendre en compte afin de sélectionner le ou les bons matériaux pour votre projet d’usinage CNC, depuis le domaine d’application de la pièce réalisée jusqu’aux caractéristiques du matériau lui-même.

L’usinage CNC (Computer Numerically Controlled, parfois francisé en Commande Numérique par Calculateur) est une méthode de fabrication industrielle rapide, efficace, précise et versatile, qui plus est compatible avec un large éventail de matériaux d’ingénierie courants et de dureté variable, y compris les métaux, les plastiques, les semi-conducteurs ou les élastomères. Utilisé à la fois en prototypage et pour la production en série de produits entièrement fonctionnels directement utilisables dans leur application finale, le succès d’un projet d’usinage CNC, de même que les capacités opérationnelles de la pièce produite, dépendent cependant de façon significative du matériau utilisé. D’où l’importance essentielle du choix du matériau, qui est encore aujourd’hui une étape cruciale dans la fabrication par usinage CNC.

Un certain nombre d’exigences et de facteurs distincts permettent de déterminer quel matériau est le plus adapté à un projet d’usinage CNC. Par exemple : avez-vous besoin d’un matériau avec d’excellentes propriétés mécaniques ? ou, à l’inverse, accordez-vous plus d’importance à la vitesse de fabrication ? Bien souvent, il s’agit de mettre en balance toute une série de critères afin d’avoir l’idée la plus juste du matériau nécessaire. Les critères présentés par la suite ne constituent pas une liste exhaustive, mais permettent néanmoins d’établir une base de réflexion saine quant au choix du matériau le plus approprié pour l’usinage CNC.

Processus de sélection des matériaux

Afin de choisir correctement le meilleur matériau possible pour l’usinage CNC, on pourra s’en remettre aux étapes suivantes :

  • Étape 1 : Déterminer les exigences relatives au matériau. Il faudra considérer ses différentes propriétés, telles que sa fonctionnalité, ses propriétés électriques, sa résistance et sa dureté, et déterminer lesquelles d’entre elles le matériau doit posséder afin d’être le candidat idéal pour votre projet. Il faudra aussi tenir compte de l’environnement opérationnel de la pièce, et des conditions auxquelles elle sera exposée.
  • Étape 2 : Identifier les options potentielles en termes de matériaux. Il s’agit de trier les candidats possibles selon les exigences du projet, y compris les spécifications relatives à la conception.
  • Étape 3 : Choisir le matériau idéal. Ce sera celui capable de satisfaire au plus grand nombre de vos exigences. Il peut arriver que certains compromis soient nécessaires : par exemple, on pourra préférer un matériau avec une meilleure usinabilité, par rapport à une alternative moins coûteuse, afin d’assurer la qualité de l’ouvrage.
Propriétés physiques matériaux usinage CNC

Guide de sélection des matériaux pour l’usinage CNC

Voici les facteurs les plus importants à prendre en compte lors de la sélection de matériaux les plus appropriés à vos projets d’usinage CNC.

Le domaine d’application de la pièce

C’est là probablement le critère le plus important à prendre en ligne de compte dans le choix du matériau de fabrication. En effet, tel matériau ne sera pas forcément adapté pour telle application : l’aérospatiale demande des pièces légères, ce qui n’est pas forcément le cas des pièces destinées à la construction des bâtiments. À titre d’exemple, l’aluminium 3.3211 est communément utilisé dans l’industrie aérospatiale pour son bon rapport résistance sur poids.

Le domaine d’application déterminera en grande partie les propriétés physiques nécessaires du matériau, telles que : sa résistance à la traction et à la fissuration, son rapport résistance sur poids, sa rigidité et sa flexibilité. En règle générale, plus un matériau est lourd, plus il est capable d’endurer de fortes contraintes. Cependant, dans les applications où le poids est un facteur critique, il faudra s’orienter vers des matériaux plus légers, avec un bon rapport résistance sur poids. Les aciers 1.0503 et 1.0038 sont des matériaux relativement pesants, comparés aux alliages d’aluminium plus légers, comme l’aluminium 3.3206.

CNC aluminium part
Pièce en aluminium, usinée en CNC et destinée à l’industrie automobile

L’environnement opérationnel

L’environnement dans lequel la pièce sera utilisée est aussi un critère très important quand il faut choisir un matériau de fabrication. Les conditions d’opération incluent la température, l’exposition aux UV, aux attaques chimiques, voire, éventuellement, aux flammes, et le contact prolongé avec l’eau. Le matériau choisi se doit d’avoir un point de fusion nettement supérieur à la température d’opération maximale, sans quoi la pièce pourrait subir des variations structurelles en cours d’opération, en raison des températures trop élevées.

En plus de cela, la pièce doit être capable de supporter la chaleur dégagée durant les opérations d’usinage. L’acier 1.4404 bénéficie d’une excellente endurance à la chaleur, jusqu’à 861°C. Il est relativement aisé de prédire, avec un certain degré d’exactitude, les conditions de température et d’humidité auxquelles un matériau sera exposé lors d’un usage en intérieur, ce qui facilite le choix à faire.

Dans le cas des applications en extérieur, cependant, il est préférable de s’orienter vers des matériaux capables de supporter la rouille et un haut degré d’humidité, tout en maintenant et leur aspect physique et leur intégrité structurelle, comme l’acier inoxydable. De plus, les variations climatiques sont naturellement plus prononcées en extérieur, ce qui peut, chez certains matériaux, entraîner des déformations.

Tolérances et stabilité dimensionnelle

Les industries comme l’aéronautique et l’aérospatiale demandent des composants à la fois extrêmement précis et stables, ce qui exige des matériaux avec une bonne stabilité dimensionnelle (comprendre, un facteur de déformation peu élevé). Les matériaux réagissant différemment aux forces exercées par les outils de découpe, il est toutefois nécessaire que la pièce obtenue puisse satisfaire aux tolérances prédéfinies. Plus l’usinabilité d’un matériau sera élevée, plus il sera facile de se conformer à des degrés de tolérance plus stricts.

À titre d’exemple, la grande usinabilité de l’aluminium permet de l’utiliser pour fabriquer des pièces avec des tolérances particulièrement serrées. Il faut toutefois noter que plus les exigences sur les tolérances sont sévères, plus les coûts de fabrication seront élevés. Par voie de conséquence, il est recommandé de relâcher les tolérances aux endroits où ces dernières ne sont pas d’une importance vitale, ceci afin de réduire le temps et les dépenses engagés dans l’usinage de la pièce.

Conductivité électrique

Certains matériaux, comme le cuivre ou l’argent, sont d’excellents conducteurs. À l’inverse, le polytétrafluoroéthylène (PTFE) est un bon isolant. Dans le cas des pièces destinées aux applications électriques, le choix du matériau dépend largement des propriétés électriques désirées pour la pièce à réaliser. La conductivité électrique du matériau choisi prend donc toute son importance. Les métaux sont généralement de bons conducteurs d’électricité, tandis que les plastiques font de bons isolants.

Usinabilité

Si une pièce doit être produite en grande quantité ou en lots de taille substantielle, il est préférable de choisir un matériau facilement usinable afin d’économiser sur les coûts et de gagner du temps. Des matériaux comme l’aluminium ou le laiton sont beaucoup plus usinables que l’acier à outils, même si ce dernier est intéressant en raison de sa plus grande résistance. En raison du fait qu’ils demandent plus de ressources, de temps et d’efforts à usiner, les matériaux peu usinables ne devraient être choisis que pour les ouvrages à produire en faibles quantités et dont les temps de roulement sont suffisamment flexibles. 

À noter que l’usinabilité ne fait pas partie des considérations premières lorsqu’il s’agit de choisir son matériau de fabrication. Elle ne devrait jamais avoir la priorité sur d’autres critères essentiels, comme le domaine d’application de la pièce à fabriquer.

Aspect extérieur

Les considérations esthétiques ne sont habituellement pas parmi les premières à prendre en compte quand on sélectionne un matériau de fabrication, mais elles peuvent, dans certains cas, revêtir une importance considérable. En effet, pour certains produits, l’apparence extérieure conditionne le degré d’acceptation par le client, et les produits destinés au marché de masse peuvent nécessiter quelques caractéristiques physiques particulières, comme une coloration spécifique ou une surface lisse.

Les métaux bénéficient typiquement d’un bon état de surface après usinage, et demandent donc moins d’efforts à polir. Les plastiques sont généralement disponibles en différentes teintes, tandis que les métaux exigent d’être teintés au cours d’une opération de post-usinage.

CNC metal part anodized in red
Pièce métallique usinée en CNC et anodisée en rouge

Coûts des matériaux et alternatives

Ramené au budget établi, il peut arriver que le matériau le mieux adapté à la fabrication d’une pièce donnée soit trop onéreux, ce qui peut nous forcer à considérer d’autres matériaux d’un prix plus raisonnable. Il n’en demeure pas moins qu’il faut être particulièrement attentif à tout ce qui à trait à l’aspect fonctionnel, la résistance (qu’elle soit mécanique ou aux agressions chimiques), la dureté, les propriétés électriques ou autres afin de s’assurer que de tels matériaux puissent constituer des alternatives bon marché viables. Par exemple, l’acier 1.4571 est doté d’une excellente résistance à la corrosion et à l’usure, et bénéficie également d’une bonne usinabilité.

Il est, en revanche, deux fois plus cher que l’acier 1.7131, qui possède également une bonne résistance à l’usure. Pour les applications où cette dernière est un critère essentiel, l’acier 1.7131 est une très bonne alternative à l’acier 1.4571.

Disponibilité

Quand il faut choisir un matériau pour l’usinage CNC, sa disponibilité est aussi un important facteur à prendre en compte. Il peut arriver que le matériau le mieux adapté ne soit pas disponible dans les quantités suffisantes pour assurer la production, ou tout simplement que son approvisionnement soit trop problématique. Il est toujours plus avisé de choisir un matériau qui, non seulement, remplit toutes les exigences fonctionnelles mais qui, en plus, est immédiatement disponible. Et c’est encore plus vrai si les pièces doivent être produites en grande quantité. Des matériaux facilement disponibles permettent d’assurer que la production se déroulera efficacement et dans l’intervalle de temps le plus court possible. 

Conclusion

Le choix du matériau a une influence sur toutes les étapes du cycle de production, depuis le prototypage jusqu’ aux performances de la pièce en fonctionnement, en passant bien sûr par sa production en série. Choisir le bon matériau est souvent la clé pour obtenir une pièce totalement optimisée. 

C’est la raison pour laquelle le choix du matériau de fabrication est une étape cruciale qui doit être considérée avec le plus grand soin avant même de commencer toute opération d’usinage CNC. Les critères présentés ci-dessus vous permettront de vous faire une idée plus précise du matériau qu’il vous faut pour réaliser votre projet, et vous aideront à faire un choix avisé.

Publié dans Usinage CNC