Comparaison des procédés additifs et soustractifs en fabrication industrielle
Les procédés additifs fabriquent des objets en déposant du matériau couche par couche, alors que les procédés soustractifs retirent de la matière pour fabriquer des pièces. Bien que ces méthodes soient fondamentalement différentes, ces deux procédés sont souvent utilisés en complément l'un de l'autre parce que leurs applications se rejoignent.
Il peut sembler difficile au premier abord de comprendre comment tirer profit de chacun des procédés pour optimiser le développement et la fabrication des produits. Pour les deux procédés, il existe des cas où l'un sera plus pertinent que l'autre. Il peut alors être plus utile pour un certain volume de production ou à une étape particulière du développement de produits.
Dans ce guide, nous allons examiner de plus près les diverses techniques de fabrication additive et soustractive et leurs applications afin de décider comment les exploiter dans vos processus.
Fabrication soustractive industrielle
La fabrication soustractive industrielle est un terme qui recouvre des procédés d'usinage commandés et de soustraction de matière à des blocs, des barres ou des tiges solides, de métal ou de plastique, auxquels on enlève de la matière pour les mettre en forme, par découpe, alésage, forage et ponçage.
Ces procédés sont réalisés soit manuellement, soit, plus souvent, par commande numérique par ordinateur (CNC).
En CNC, un modèle virtuel conçu dans un logiciel CAO sert d'entrée pour les outils de fabrication. La simulation logicielle est combinée à l'entrée utilisateur pour générer des trajectoires d'outils qui guideront l'outil de coupe selon la géométrie de la pièce. Ces instructions sont données à la machine pour qu'elle réalise les coupes, les canaux, les trous et tout autre caractéristique qui requiert de retirer de la matière, en prenant en compte la vitesse de l'outil de coupe et la vitesse d'alimentation en matériau. Les outillages CNC réalisent les pièces à partir des données de fabrication assistée par ordinateur (FAO), avec peu d'interaction ou d'assistance humaine, voire aucune.
Les procédés soustractifs sont généralement utilisés pour fabriquer des pièces en plastique ou en métal pour le prototypage et l'outillage de fabrication, et des pièces directement utilisables. Ils conviennent parfaitement pour des applications requérant des tolérances serrées et présentant des formes difficiles à mouler, à couler ou à produire avec des méthodes de fabrication traditionnelles.
La fabrication soustractive permet d'utiliser différents matériaux et diverses méthodes de traitement. Les matériaux plus mous sont plus faciles à usiner pour obtenir la forme souhaitée, mais ils s'usent plus rapidement.
Fabrication soustractive industrielle
| Procédé de fabrication | Matériaux |
|---|---|
| Usinage CNC (tournage, perçage, fraisage, alésage) | Thermoplastiques durs, plastiques thermodurcissables, métaux mous, métaux durs (machines industrielles) |
| Électroérosion par enfonçage (EDM) | Métaux durs |
| Découpe laser | Thermoplastiques, bois, acrylique, tissus, métaux (machines industrielles) |
| Découpe par jet d'eau | Plastiques, métaux durs et mous, pierre, verre, composites |
Fabrication additive
Contrairement au procédé soustractif, qui retire de la matière d'une pièce plus grande, les procédés de fabrication additive ou d'impression 3D fabriquent des objets en ajoutant du matériau, chaque couche se liant à la précédente jusqu'à réalisation complète de la pièce.
Exactement comme les outils CNC soustractifs, les technologies de fabrication additive fabriquent des pièces à partir de modèles CAO. La préparation des modèles pour l'impression 3D est généralement automatisée à l'aide de logiciels de préparation ou de découpe en couches, ce qui facilite et accélère grandement la configuration des tâches par rapport aux outils CNC. Selon le procédé, l'imprimante 3D réalise un dépôt de matériau, fait fondre sélectivement un matériau solide ou en poudre, ou encore polymérise des matériaux photopolymères liquides pour fabriquer des pièces à partir de données CAO. Les pièces après impression 3D nécessitent un nettoyage et une finition d'un certain type pour atteindre leurs propriétés finales et l'aspect requis, avant de pouvoir être utilisées.
La fabrication additive convient parfaitement pour toute une gamme d'applications en ingénierie et en production industrielle, notamment pour le prototypage, l'outillage de fabrication et des modèles pour la fonderie, ainsi que pour la production rapide et de complément, et la fabrication sur mesure de pièces directement utilisables. Les imprimantes 3D permettent une grande liberté de conception et peuvent réaliser des pièces complexes qui seraient impossibles à fabriquer par d'autres procédés de fabrication ou beaucoup trop coûteuses.
Les matériaux les plus couramment utilisés en fabrication additive sont les plastiques et les métaux. Les imprimantes 3D de bureau et d'atelier offrent une solution abordable de réalisation de pièces en plastique, alors que les métaux sont généralement réservés aux systèmes industriels.
Procédés de fabrication additive
| Procédé de fabrication | Matériaux | |
|---|---|---|
| Stéréolithographie (SLA) | Gamme de résines (plastiques thermodurcissables) : elles peuvent être très solides, rigides, flexibles, élastiques, thermorésistantes, ou semblables à la cire utilisée en fonte à la cire perdue. | |
| Frittage sélectif par laser (SLS, de l'anglais "Selective Laser Sintering") | Thermoplastiques techniques, comme le nylon | |
| Dépôt de fil fondu (FDM, de l'anglais "Fused Deposition Modeling") | Thermoplastiques standards, tels que l'ABS (acrylonitrile butadiène styrène), le PLA (acide polylactique) et leurs variantes. | |
| Projection de matériau | Variantes de résines (plastiques thermodurcissables) | |
| Projection de liant | Gypse (couleur pure), métaux | |
| La fusion sélective par laser (SLM,de l'anglais Selective Laser Melting) ou le frittage direct par laser du métal (DMLS, de l'anglais "Direct Metal Laser Sintering") | Métaux durs et mous | |
| Fusion par faisceau d'électrons (EBM) | Métaux durs et mous |
Quand utiliser la fabrication additive et la fabrication soustractive ?
Bien que ces procédés de fabrication présentent des différences essentielles, ils ne s'excluent pas mutuellement. En fait, ils sont souvent utilisés en parallèle et à différentes étapes du développement et de la fabrication de produits.
Le processus de prototypage par exemple repose souvent sur des outils additifs et soustractifs. Les modèles initiaux de concepts et de prototypes sont produits généralement plus économiquement et rapidement avec des procédés de fabrication additive, comme la stéréolithographie (SLA) ou le frittage sélectif par laser (SLS). L'impression 3D offre une grande diversité de matériaux pour le prototypage fonctionnel de pièces en plastiques. Les technologies additives sont généralement mieux adaptées aux pièces de petite taille et aux objets très complexes et délicats.
Lorsqu'il est nécessaire de produire un lot plus grand en fin de processus de développement, les procédés soustractifs deviennent compétitifs. Les objets les plus grands et les moins complexes se prêtent aussi à la fabrication soustractive. La fabrication soustractive est souvent choisie pour produire les pièces finies, en raison de la multitude de choix en finition de surface et de la rapidité du procédés. Le coût des pièces imprimées en 3D en métal peut être prohibitif et les procédés soustractifs sont le meilleur choix pour des toutes les pièces métalliques sauf celles de conception complexe.
En production industrielle, les procédés additifs et soustractifs se complètent souvent pour la production d'outillage, de gabarits, de porte-pièces, de supports, de moules et de modèles. Les fabricants utilisent souvent des pièces imprimées en 3D pour réaliser des pièces rapides, sur mesure, en petite série ou de rechange et optent pour des procédés soustractifs de métal pour des volumes plus importants ou des pièces qui sont soumises à des contraintes et des déformations mécaniques extrêmes.
Utiliser à la fois des procédés de fabrication additifs et soustractifs résulte en des processus hybrides. Cela permet aux concepteurs et fabricants d'associer la polyvalence et la réduction des délais de production de la fabrication additive à la solidité des pièces produite par des procédés soustractifs.
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Comparaison des systèmes additifs et soustractifs
Les technologies additives et soustractives se présentent sous de nombreuses formes, avec toute une palette de coûts et de capacités, depuis des appareils de bureau jusqu'à de grands équipements industriels. Au final, il vous faudra choisir le procédé qui est le plus pertinent pour votre activité et vos applications.
| Fabrication additive | Fabrication soustractive | |
|---|---|---|
| Coût des équipements | Le premier prix des imprimantes de bureau professionnelles est de 3500 € pour les plastiques. Celui des machines industrielles de grande taille commence vers environ 400 000 € | Le premier prix des petites machines CNC pour les ateliers coûtent environ 2000 €. Les prix d'outils d'atelier perfectionnés le dépassent de beaucoup, en fonction du nombre d'axes, des fonctions, de la taille des pièces et de l'outillage d'usinage nécessaire à certains matériaux. |
| Formation | Les imprimantes de bureau sont pratiquement toutes plug and play, ne requièrent qu'une formation minimale sur la configuration de l'impression, la maintenance, le fonctionnement de l'appareil et la finition. Les systèmes industriels de fabrication additive exigent du personnel dédié et une formation approfondie. | Les petites machines CNC demandent une formation modérée sur la configuration des tâches, le fonctionnement de l'appareil et la finition, la maintenance. Les systèmes industriels de fabrication additive exigent du personnel spécialisé et une formation approfondie. |
| Environnement de travail requis | Les appareils de bureau conviennent dans les bureaux et à l'atelier et requièrent peu d'espace. Les imprimantes 3D industrielles requièrent souvent un espace dédié ou des locaux avec climatisation et ventilation. | Les petites machines CNC peuvent fonctionner dans les ateliers. Les systèmes industriels requièrent un espace dédié, de plus grande taille. |
| Équipements auxiliaires | Des outils et des systèmes (certains automatisés) pour le nettoyage, le lavage, la post-polymérisation et la finition, selon le procédé. | Outillages variés. Des systèmes plus élaborés ont automatisé certains processus comme le changement d'outils, le nettoyage et la manipulation des circuits et la gestion du refroidissement. |
Ce guide se penche sur les outils de fabrication additive et soustractive les plus courants, convenant aux espaces de travail professionnels, aux ateliers d'usinage et autres ateliers.
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Les prix ont beaucoup baissé ces dernières années et les espaces de travail et les ateliers d'usinage disposent désormais d'outils de fabrication additive et soustractive de bureau, faciles à utiliser.
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