Le moulage sous pression excelle dans les grands volumes et les formes complexes, mais sa précision est moindre. L'usinage CNC est précis et polyvalent pour les prototypes et les petits volumes. Le moulage sous pression utilise du métal en fusion dans des moules, tandis que la CNC soustrait de la matière à des blocs solides.  Choisissez le moulage sous pression pour la production de masse, la CNC pour la précision et la flexibilité.

En comparant les deux procédures et leurs paramètres fondamentaux, vous pouvez trouver la meilleure option. C'est pourquoi cet article fournit des informations détaillées sur le moulage sous pression et l'usinage CNC.

Moulage sous pression : Vue d'ensemble et avantages

Les fabricants fondent les métaux sélectionnés en fonction de leur température de fusion. Par exemple, ils fondent le zinc à 385°C et l'aluminium à 660°C. L'étape suivante, le moulage sous pression, a lieu.

Cette méthode consiste à introduire du métal en fusion dans un moule permanent sous une pression de 10 à 175 MPa. Le métal s'écoule dans les canaux et les colonnes montantes recueillent les résidus.

Le métal en fusion se solidifie en 5 à 30 secondes et peut être éjecté à une température de 200 à 300 °C. Vous devez savoir que chaque cycle est terminé en 15 à 60 secondes.

Si l'on considère sa capacité de production rapide, le moulage sous pression permet de réaliser des lots importants jusqu'à 10 à 100 fois plus rapidement que l'usinage CNC.

Applications du moulage sous pression

Le moulage sous pression permet de produire des pièces complexes. Par exemple, elle permet de fabriquer des blocs moteurs en aluminium avec des parois de 1,5 mm. Cette méthode offre également une durabilité et une résistance à la chaleur.

Les pièces électroniques coulent du zinc pour rendre leur boîtier à parois minces beaucoup plus léger. En outre, les applications aérospatiales utilisent le magnésium pour réduire le poids autour de 30% et augmenter l'efficacité du carburant.

Procédés de moulage sous pression

1. Le moulage sous haute pression (HPDC) :

En général, la HPDC fonctionne sous une pression de 10 à 175 MPa. Elle injecte le métal à une vitesse de 10 à 50 m/s. Ce procédé permet de produire des pièces en aluminium pour l'électronique ou l'automobile. Il permet d'ajouter des parois fines (1,5-5 mm).

2. Moulage sous pression (LPDC) :

Les fabricants utilisent une pression de 0,3 à 1,5 MPa lors du fonctionnement du LPDC. Dans ce procédé, le remplissage du moule est très lent pour éviter les défauts. Il fonctionne mieux pour les pièces d'une profondeur de 5 à 15 mm (moyeux de roue). Ils offrent également une certaine résistance et durabilité.

3. Moulage sous pression par gravité :

La méthode utilise la gravité pour remplir le moule, qui est préchauffé à 150-300°C. Elle permet de produire des pièces d'aluminium très simples avec des surfaces fines à des prix abordables.

Types d'alliages et propriétés

Processus d'outillage pour le moulage sous pression

Les fabricants créent des matrices 10 fois plus solides en utilisant de l'acier (qualité H13) pour résister à l'effet de 50 000 à 1 000 000 de cycles. Elles peuvent coûter de 10 000 à 200 000 euros en fonction de la conception, de l'alliage ou d'autres facteurs. En outre, leurs principaux aspects sont les suivants :

• Ils utilisent une force de serrage d'environ 100 à 5 000 tonnes (en fonction de la taille de la pièce).
• Chaque cycle dure de 15 à 60 secondes (en fonction du refroidissement de la pièce).
• Leur force d'éjection peut atteindre environ 5-20% de la force de serrage.

Limites du moulage sous pression

• Une inspection aux rayons X est nécessaire pour vérifier la porosité, car des poches d'air peuvent se former jusqu'à une profondeur de 1 à 2 mm.
• Utilisez des angles de dépouille de 1 à 3° pour l'enlèvement des pièces.
• La taille maximale des pièces peut atteindre 600 mm en raison du coût des matrices.

L'usinage CNC : Vue d'ensemble et avantages

L'usinage CNC (Computer Numerical Control) utilise techniques assistées par ordinateur. Cette technologie s'appuie sur des ordinateurs pour découper des formes et convertir le métal brut en pièces bien définies.

Dans le cas du moulage sous pression, le métal chaud est introduit dans la pièce et une forme solide en ressort. À l'inverse, l'usinage CNC utilise des outils de coupe pour enlever de la matière (métaux, plastiques et composites) couche par couche.

Toutefois, cette procédure convient pour un nombre réduit de pièces personnalisées, de prototypes et de commandes de faible à moyen volume (1 à 1 000 unités).

Processus de programmation de la CNC

L'usinage CNC utilise un outil maintenu par une broche. Cet outil coupe la matière première sur la table de travail. Le moteur d'entraînement reçoit les signaux du MCU et déplace la broche en conséquence. Pendant ce temps, le dispositif de retour d'information confirme l'exactitude de l'opération.

Opérations d'usinage CNC

Les machines à commande numérique effectuent trois tâches communes :

• Fraisage
• Tournage
• Forage

Fraisage

Les fabricants utilisent des outils rotatifs (500-15 000 tours/minute) pour le fraisage. Ils découpent des formes plates et courbes. Par exemple, ils utilisent une fraise en carbure de 10 mm. Elle permet de découper des alliages d'aluminium à 2 000 tours/minute pour fabriquer des supports de moteur.

Tournage

Une broche rotative fixe la pièce à usiner à l'endroit où elle tourne (jusqu'à 3 000 tours/minute). Pendant ce temps, des outils de coupe ou stationnaires tournent le long de l'axe de la broche et donnent une forme cylindrique (vis ou tuyau) au matériau.

Forage

Le processus de perçage consiste à percer des trous dans des pièces. Habituellement, les fabricants utilisent mèches (1-25 mm de diamètre) à des vitesses comprises entre 500 et 1 500 tours/minute. Par exemple, ils réalisent des trous dans des boîtiers en plastique à l'aide d'embouts de 5 mm.

Exemples de pièces usinées par CNC

L'usinage CNC prend 3 heures pour produire un prototype d'articulation de robot en aluminium de 100 mm. Cette pièce peut offrir une précision de 0,02 mm.

Dans les implants médicaux, les fabricants polissent les prothèses de genou en cobalt-chrome jusqu'à un Ra de 0,4 µm. Cela leur permet de se déplacer en douceur.

Les pales de turbine en titane pour l'aérospatiale résistent à 800°C. Ces pièces sont fabriquées à l'aide de fraises CNC à 5 axes avec une précision de 0,01 mm.

Types de machines CNC et capacités

Fraises CNC à 3 axes

Il contient trois axes primaires (X, Y, Z). Il se déplace de gauche à droite, d'avant en arrière et de haut en bas. Malgré ses capacités de mouvement limitées, il peut gérer des pièces d'environ 600 mm de long. Les 3 axes permettent de créer des formes 3D pour des pièces telles que des boîtes de vitesses avec une précision de ±0,05 mm.

Fraises CNC à 5 axes

Cette machine fait basculer et tourner des outils. Ces outils peuvent découper des formes très difficiles (p. ex. des pales de turbine) en une seule opération. Vous pouvez obtenir des pièces de ±0,02 mm.

Tours CNC

Ce type de machine CNC est spécialisé dans les pièces rondes. Elle peut saisir des matériaux d'une largeur maximale de 300 mm. Elle permet de découper des filets d'un pas de 0,5 mm.

L'outillage dans l'usinage CNC

Les fabricants produisent des outils de coupe CNC, généralement en carbure (durée de vie de 200 à 400 minutes). L'autre outil peut être en acier rapide (HSS, 100-200 minutes) ou en céramique (pour les hautes températures).

De plus, vous pouvez augmenter la durée de vie de ces outils en utilisant plusieurs revêtements tels que nitrure de titane (TiN). Les couches de revêtement rendent l'outil 50% plus rapide et ne le laissent pas s'user. Par exemple, les forets revêtus sont capables de faire 500 trous dans l'acier inoxydable à une vitesse de 0,2 mm par rotation.

Les porte-outils utilisent la force hydraulique (jusqu'à 200 bars). Cette force permet de serrer fermement les outils, ce qui minimise les vibrations pendant la coupe.

Matériaux pour l'usinage CNC

Limites de l'usinage CNC :

• L'usinage CNC enlève la matière lentement.
• Ses vitesses d'avance varient généralement de 0,1 à 0,5 mm par dent, ce qui est donc inefficace pour les commandes importantes.
• La coupe de matériaux à grande vitesse provoque l'usure de l'outil.
• Il peut être difficile pour la CNC d'obtenir des géométries complexes avec des caractéristiques profondes (par exemple, des rapports profondeur/largeur >5:1).

Comparaison entre le moulage sous pression et l'usinage CNC

1. Comparaison des propriétés des matériaux

Comme nous l'avons découvert, la technique du moulage sous pression et la technique CNC utilisent toutes deux des matériaux différents. Cela signifie qu'ils ont des propriétés uniques. Par exemple, un alliage couramment utilisé pour le moulage sous pression est l'aluminium A380. Cet alliage a une résistance à la traction d'environ 310 MPa et une limite d'élasticité de 159 MPa.

De même, les machines CNC utilisent l'aluminium 6061. Celui-ci offre une résistance à la traction de 310 MPa et une limite d'élasticité de 276 MPa.

2. Comparaison des tolérances

Le moulage sous pression permet d'obtenir des tolérances de l'ordre de 0,004 pouce (0,1 mm) pour les petites pièces. Toutefois, le retrait du matériau et les effets du refroidissement augmentent les tolérances en fonction de la taille de la pièce.

À l'inverse, l'usinage CNC offre des tolérances très étroites, souvent inférieures à 0,001 pouce (0,025 mm). Cela signifie qu'il peut donner de bons résultats lorsqu'il s'agit de se conformer strictement à un modèle.

Cependant, l'obtention de résultats précis exige des coûts plus élevés. Si vous souhaitez obtenir une tolérance de 0,003 pouce (0,075 mm), cela peut coûter 100 unités. En revanche, une tolérance de 0,0005 pouce (0,012 mm) pourrait tripler ce coût. Cela s'explique par l'augmentation du temps d'usinage, de l'usure des outils et des mesures de contrôle de la qualité.

3. Analyse des coûts

Le moulage sous pression comprend les réglages initiaux et l'outillage. C'est pourquoi elle coûte environ $5,000-$50,000. Toutefois, elle permet de réduire le coût unitaire ($1-$5 par pièce) pour une commande importante.

L'usinage CNC ne réclame pas de coûts d'outillage. Son coût de production dépend de la sélection des matériaux et du niveau de complexité de la conception.

4. Comparaison des délais

La mise en place de l'outillage pour le moulage sous pression prend de 4 à 8 semaines avant de lancer le processus. Cependant, une fois que ces outils sont prêts, ils peuvent produire rapidement des lots importants.

Il n'y a pas de délai d'outillage dans l'usinage CNC. Ce processus permet de fabriquer des prototypes en 1 à 3 jours. En outre, la production par lots prend de 5 à 10 jours en fonction de la complexité de la conception.

5. Complexité des pièces

Le moulage sous pression peut prendre en charge des conceptions de complexité simple à modérée. Il prend en charge les parois minces et les caractéristiques intégrées telles que les nervures. Ce procédé a du mal à réaliser des coupes profondes, des angles internes aigus et des pièces longues.

Les machines à commande numérique peuvent travailler sur des dessins plus profonds et des géométries complexes. Ce processus est plus lent, c'est pourquoi il augmente le coût des grands lots.

6. Comparaison des incidences sur l'environnement

Il y a moins de déchets de matériaux lors des opérations de coulage, mais les matériaux restants ne sont pas toujours 100% recyclables. Cela est dû à l'oxydation et aux impuretés. En outre, la fabrication des moules consomme beaucoup d'énergie.

Le processus d'usinage CNC produit plus de déchets. Vous pouvez notamment réutiliser les copeaux métalliques. Cependant, l'agent de refroidissement a un impact sur l'environnement. Cet impact peut être réduit jusqu'à 50% à l'aide de systèmes de filtration modernes.

Matrice de décision pour choisir le bon processus

Considérations de conception pour le moulage sous pression et l'usinage CNC

Règles de conception pour le moulage sous pression

Le moulage sous pression nécessite des angles de dépouille. Ces angles rendent le processus d'éjection plus fluide. Vous pouvez calculer l'angle de dépouille à l'aide de formules.

Les formules intègrent des constantes spécifiques à l'alliage, généralement de 1° à 3° par côté. Son calcul est également influencé par la complexité du matériau et de la pièce.

En outre, l'épaisseur de la paroi peut également varier. Par exemple, l'aluminium peut être utilisé de 1 à 1,5 mm, et le zinc de 0,5 à 1 mm. L'épaisseur confirme le bon écoulement et repousse les défauts.

En outre, la principale fonction des congés et des rayons est de réduire la concentration des contraintes et d'augmenter la durée de vie des moules.

Considérations relatives à la conception de l'usinage CNC

En général, les conceptions d'usinage CNC n'ont pas besoin d'angles de dépouille. Ils permettent de réaliser des angles internes aigus et des parois verticales. Leurs options de conception peuvent inclure des rainures en T, des queues d'aronde et des poches profondes. Elles présentent des rapports profondeur/largeur plus élevés.

Tenez compte de l'accès à l'outil, car les cavités profondes nécessitent des outils plus longs. Cela peut également augmenter les vibrations et nuire à la précision des résultats. En outre, la fixation favorise la stabilité pendant l'usinage.

Utilisation de logiciels de simulation

Vous pouvez utiliser des outils de simulation pour améliorer encore les performances de la conception. Ces outils rendent le flux des moules de coulée sous pression et les trajectoires des outils CNC aussi fonctionnels que possible. Ils permettent également d'identifier des défauts tels que la porosité dans le moulage sous pression et le broutage dans l'usinage.

Collaboration entre concepteurs et ingénieurs

Essayez de communiquer avec les concepteurs à un stade précoce. Confirmez vos exigences afin de produire des pièces rentables et fabricables. Cette étape permet également d'éviter plusieurs modifications et problèmes de production.

Conclusion :

L'option du moulage sous pression est intéressante pour les grandes productions. Elle permet de produire des pièces plus rapidement à un faible taux, mais n'est pas efficace pour obtenir des résultats précis. À l'inverse, l'usinage CNC utilise plusieurs matériaux et offre une grande précision. Toutefois, cette technique est lente et coûteuse.

Les deux procédés présentent des avantages et des inconvénients différents. Le choix dépend totalement des types de matériaux ou de produits que vous produisez.