Usinage de précision: plusieurs chemins mènent à Rome

L'usinage de précision n'est plus le domaine exclusif de l'industrie des semi-conducteurs. Le secteur médical et l'industrie aérospatiale exigent eux aussi aujourd'hui des précisions qui, il y a quelques décennies, étaient l'affaire de spécialistes. La grande différence entre hier et aujourd'hui, c'est que les techniques disponibles sont plus nombreuses.

Beaucoup plus de possibilités avec le fraisage et le tournage

Lorsqu'il s'agit de précision, on pense rapidement à la rectification ou à l'électro-érosion (par enfonçage et à fil) dans l'industrie métallurgique. Ces techniques sont utilisées depuis toujours lorsque la précision dimensionnelle au micromètre près est essentielle.

Cependant, la nouvelle génération de machines et d'outils CNC permet d'atteindre de telles précisions sans devoir forcément recourir à ces techniques d'usinage spécialisées. Les fabricants de machines CNC ont réussi à rendre leurs machines de précision plus stables à tous égards et à repousser les limites de la précision grâce aux systèmes de contrôle et à la technologie des capteurs les plus récents.

Moins d'imperfections dans la phase de construction d'une machine

Lors de la phase de construction d'une machine CNC, l'ascension des techniques de simulation (telles que la FEM, la méthode des éléments finis) joue un rôle. Ces techniques permettent aux constructeurs de tester virtuellement leurs machines sous charge afin de résoudre les imperfections de conception et d'optimiser le comportement thermodynamique.

Plus de possibilités de compensation dans la pratique

Dans la pratique, c'est notamment l'amélioration de la technologie des capteurs (par exemple, les mesures de température) combinée aux possibilités de compensation via le système de contrôle qui permet d'accroître la précision. Aujourd'hui, la machine va même jusqu'à compenser toute augmentation de température dans le hall de l'usine. Pour ce faire, un système de refroidissement optimal de la gestion de la machine et des modèles mathématiques permettent de déplacer la machine CNC avec une précision de positionnement de 1 µm sur chaque axe.

Des commandes plus rapides

Le troisième facteur contribuant à la plus grande précision des centres d'usinage CNC est la rapidité des commandes. Elle permet d'intervenir beaucoup plus tôt si la position mesurée s'écarte de la position programmée. Plus la commande est rapide et plus la trajectoire de fraisage est ajustée fréquemment, plus le mouvement est régulier et plus la précision du fraisage est élevée. Certaines commandes mesurent la position de la pointe de l'outil toutes les 0,03 ms et l'ajustent en conséquence, ce qui nécessite évidemment des entraînements linéaires.

L'avantage de ces machines CNC ultra-précises est qu'elles peuvent parfois remplacer des opérations d'usinage spéciales. Pour obtenir des rugosités de surface de 8 nm, il fallait auparavant des opérations telles que le rodage ou la rectification. Les précisions d'arrondi de 2 µm dans le verre ou la céramique relevaient également de techniques d'usinage spéciales; aujourd'hui, les fraiseuses CNC peuvent usiner avec cette précision.

La nouvelle génération de machines et d'outils CNC permet d'atteindre des précisions strictes sans avoir à recourir à des techniques d'usinage spécialisées telles que la rectification ou l'électro-érosion

RECALCUL DES TRAJECTOIRES D'OUTILS

Les logiciels jouent un rôle décisif dans l'usinage de haute précision. Une option consiste à mesurer la pièce sur la machine après le pré-fraisage et à ajuster le programme en fonction de la sur-épaisseur mesurée. Jusqu'à présent, cela se fait en ajustant l'offset de l'outil, soit en longueur, soit en diamètre. Une option encore assez rarement utilisée consiste à ajuster réellement les mouvements.

La particularité de l'un des constructeurs de machines qui font ça est que l'outil est mesuré dans la machine pendant que la broche tourne à la vitesse qui a été programmée. Cela permet de mesurer l'effet des forces centrifuges sur l'outil. Cela remplace la compensation à l'aide de tableaux, qui est essentiellement une hypothèse par rapport à la mesure réelle de l'outil.

Tournage dur...

Le tournage dur est un exemple de nouvelle technologie de précision. Autrefois, l'acier d'une dureté de 55 à 65 HRC pour les pièces de précision était toujours usiné sur un banc de rectification. Aujourd'hui, cette opération est de plus en plus souvent réalisée sur un tour CNC conçu pour le tournage dur, éventuellement avec des paliers hydrostatiques pour une précision encore plus élevée.

Les outils CBN (Cubic Boron Nitride) optimisés jouent un rôle majeur dans le tournage dur. Les outils CBN équipés d'un wiper augmentent considérablement la productivité du tournage dur par rapport à une plaquette standard. Cela fait du tournage dur une véritable technique de production: sa productivité est supérieure à celle de la rectification.

Ces dernières années, les travaux de précision avec des tolérances de 3 µm et une production en lots ont évolué vers le tournage dur dans de nombreuses entreprises. Les précisions dimensionnelles inférieures à 2 µm sont obtenues sur des rectifieuses.

... et rectification

On constate que les rectifieuses deviennent de plus en plus polyvalentes. On peut les convertir plus rapidement à un autre type de produit ou à une autre technologie de rectification. Les broches de rectification multiples qui alternent automatiquement ainsi que la mesure dans la machine proprement dite rendent le processus de rectification robuste et sans personnel.

La principale innovation en matière de technologie de rectification réside dans le logiciel des machines. Les fabricants s'efforcent d'intégrer autant de connaissances technologiques que possible dans le logiciel, de sorte que l'opérateur ait moins besoin d'expertise spécifique. Il peut s'agir d'un fonctionnement intuitif, mais aussi de cycles technologiques spéciaux, tels que la rectification des engrenages. En introduisant plusieurs dimensions, le contrôleur peut déjà générer un programme de rectification avancé pour les engrenages.

L'utilisation de moteurs synchrones dans les broches de rectification est une autre nouveauté (dans le domaine du hardware) qui a été présentée récemment lors du salon de la rectification GrindingHub à Stuttgart. Cela permet d'atteindre 120.000 tr/min et une puissance de 32 kW. Le couple d'un tel moteur synchrone étant plus élevé que celui d'un moteur asynchrone, on peut se contenter d'un tiers de puissance installée en moins pour atteindre la même productivité.

Laser

Les techniques traditionnelles d'usinage de précision, telles que la rectification CNC, ont évolué vers des précisions encore plus élevées. Toutefois, elles sont également concurrencées par des techniques plus récentes telles que l'usinage au laser. Grâce aux lasers femto- et picoseconde, qui ont des durées d'impulsion extrêmement courtes (10 à 15 pour un laser femtoseconde), il est possible non seulement d'appliquer des structures de surface, mais aussi de retirer de la matière d'une pièce.

Le grand avantage est qu'il s'agit d'une opération sans contact, ce qui évite de créer des tensions dans le matériau. En effet, la durée de l'impulsion - le moment où une énergie extrêmement élevée est injectée - est trop courte pour cela. Bien qu'il s'agisse d'un usinage de haute précision, cela ne signifie pas que l'usinage au laser se limite aux micro-composants. Des pièces plus grandes peuvent également être usinées avec l'énergie d'un laser. Cette application est de plus en plus fréquente dans la fabrication de moules.

L'IA (Intelligence Artificielle) devrait marquer de son empreinte cette technologie laser. Et ce, non seulement dans la surveillance du processus, mais aussi dans la programmation de l'usinage au laser, ce qui pourrait permettre la production first time right de pièces très complexes.

Le laser et le micro-usinage continueront à coexister, se complétant et se renforçant mutuellement. La consommation d'énergie pourrait toutefois entrer en ligne de compte sous l'effet des réglementations en matière de durabilité. L'usinage mécanique coûte plus d'énergie par cm cube de matière enlevée que les procédés sans contact, tels que l'électro-érosion et l'usinage au laser.

Le laser et le micro-usinage continueront à coexister, se complétant et se renforçant mutuellement. La consommation d'énergie pourrait toutefois entrer en ligne de compte sous l'effet des réglementations en matière de durabilité

PECM: sans contact pour la production en série

L'usinage électrochimique de précision (PECM) est une technologie relativement nouvelle pour l'usinage de précision en série dans le Benelux. Cette technologie permet le pré-usinage, l'usinage intermédiaire et l'usinage de finition.

Le PECM est une évolution de l'usinage électrochimique. Les deux techniques utilisent une anode (la pièce) et une cathode (l'outil) pour usiner sans contact le matériau contenu dans un milieu conducteur.

Avec l'ECM, cette électrode est déplacée jusqu'à 80 à 800 µm de la pièce à usiner. L'impulsion de courant enlève la matière de la pièce dans la forme de l'outil (la cathode). Dans le cas du PECM, l'écart entre la pièce et l'outil est réduit à 10 µm. Contrairement à l'électro-érosion, il n'y a pas d'étincelle car l'écart est augmenté à chaque fois immédiatement après l'impulsion de courant et de l'électrolyte frais passe entre l'anode et la cathode. Ce processus se répète à une fréquence de 100 Hz.

Avantages

Cette technologie présente deux avantages principaux. Le premier est que les propriétés du matériau de la pièce ne sont pas affectées car il n'y a pas d'apport de chaleur. Il n'y a donc pas de formation de bord blanc, une fine couche qui, pendant des années, a empêché l'acceptation de l'électro-érosion dans l'industrie aérospatiale.

Le deuxième avantage est que l'outil ne s'use absolument pas, contrairement à l'électrode nécessaire pour l'électro-érosion. Cette dernière doit être remplacée régulièrement, alors que l'outil PECM peut en principe être utilisé pour un nombre infini de produits.

C'est notamment pour cette raison que cette technologie se prête à la production en série de pièces de très haute précision. Des rugosités de surface de Ra 0,05 µm peuvent être atteintes, de même qu'une grande précision dimensionnelle. Le temps d'usinage est également relativement court. Et il reste le même pour la première et la dernière pièce. En outre, les pièces sont absolument exemptes de bavures. Dans l'industrie de précision néerlandaise, certaines entreprises disposent aujourd'hui de plusieurs machines de ce type en interne, en complément de l'électro-érosion (à fil).

L'électro-érosion à fil en 2024

Une évolution intéressante dans le domaine de l'électro-érosion à fil - une technologie de précision encore largement utilisée - est l'arrivée d'un nouveau type de fil pour l'usinage de pièces qui doivent répondre aux exigences les plus élevées en matière de propreté. Lors de l'usinage de ces pièces avec un fil contenant du cuivre, des particules du fil se déposent sur la surface, ce qui est difficile, voire impossible, à nettoyer. Jusqu'à présent, l'alternative consistait à utiliser du fil de tungstène, qui est beaucoup plus cher. Aux Pays-Bas, des chercheurs ont mis au point un nouveau type de fil revêtu qui ne laisse pas de salissure. 

Une autre solution consiste à utiliser l'IA afin d'apprendre rapidement le moment idéal pour interrompre l'impulsion d'étincelle, avant que le fil ne se rompe. Cela facilite l'électro-érosion avec un fil sans cuivre, qui nécessite beaucoup d'essais.
Une troisième innovation dans le domaine de l'électro-érosion est l'étincelage à l'aide d'un fil rotatif. Le fil tourne légèrement autour de son axe. Cette rotation permet de toujours couper avec un fil neuf. Cela garantit une plus grande précision de forme, une rugosité de surface plus faible et, en même temps, une consommation de fil réduite de 30%.