Le guide ultime des matériaux d'usinage CNC

1. Introduction

Dans le paysage manufacturier actuel, CNC (Commande numérique par ordinateur) l'usinage constitue une technologie charnière qui permet la production de composants très précis et complexes.

Cependant, le succès de tout projet CNC dépend fortement de la sélection du bon matériau.

Le choix approprié peut avoir un impact significatif sur les performances, durabilité, coût, et l'efficacité globale du produit final.

Cet article de blog vise à fournir un guide détaillé sur les matériaux d'usinage CNC, explorer leurs propriétés et comment ils influencent le processus d'usinage.

2. Comprendre les propriétés des matériaux

Avant d'explorer des matériaux spécifiques, il est crucial de comprendre l'impact des propriétés des matériaux sur l'usinage CNC.

Différents matériaux se comportent différemment dans les conditions d'usinage, et choisir le bon matériau est essentiel pour obtenir des résultats optimaux.

Voici les principales propriétés des matériaux qui influencent l'usinage CNC:

Dureté

La dureté est la capacité d'un matériau à résister à l'indentation, scratch, et porter.

Les matériaux plus durs offrent généralement une plus grande résistance à l'usure, ce qui les rend idéaux pour les pièces qui subiront une abrasion ou une contrainte au fil du temps.

Cependant, les matériaux plus durs peuvent être plus difficiles à usiner en raison de leur résistance aux outils de coupe.

• Considérations clés: Des matériaux comme l'acier trempé, titane, et les aciers à outils sont connus pour leur dureté élevée, ce qui les rend idéaux pour les applications lourdes.
  D'un autre côté, les matériaux plus mous comme l'aluminium ou les plastiques sont plus faciles à usiner, mais ils peuvent s'user plus rapidement lorsqu'ils sont utilisés dans des environnements très stressants.
• Exemple: Pour l'usinage CNC, des matériaux comme Acier à outils H13 (dureté autour 45-50 CRH) sont souvent utilisés pour le moulage ou l'outillage robuste,
  alors que 6061 aluminium (avec une dureté Brinell d'environ 95) est plus doux et plus usinable.

Dureté

La ténacité fait référence à la capacité d'un matériau à absorber de l'énergie et à se déformer sans se fracturer..
C'est une combinaison de résistance et de ductilité, ce qui en fait une propriété cruciale pour les pièces exposées à des charges d'impact ou de choc élevées.
Les matériaux résistants fonctionnent mieux dans des conditions impliquant des forces soudaines ou des chocs mécaniques, tels que les composants automobiles ou aérospatiaux.

• Considérations clés: Les matériaux à la fois solides et résistants peuvent résister aux chocs, vibrations, et conditions de stress élevé.
  Des métaux comme titane et acier au carbone sont connus pour leur robustesse et sont utilisés dans les industries nécessitant des pièces fiables et durables, comme l'aérospatiale ou la machinerie lourde.
• Exemple: Alliages de titane (tel que Ti-6Al-4V) sont très durs, offrant d'excellents rapports résistance/poids tout en résistant à la fissuration sous contrainte.

Ductilité

La ductilité est la capacité d'un matériau à subir une déformation plastique importante avant de se briser., généralement par étirement ou flexion.

Une ductilité élevée est importante pour les pièces qui doivent être façonnées, plié ou étiré pendant le processus de fabrication ou en cours d'utilisation.

C’est particulièrement critique lorsque le matériau doit absorber les contraintes sans rupture..

• Considérations clés: Les matériaux ductiles peuvent être facilement formés et manipulés sans se fissurer.
  Pour l'usinage CNC, les matériaux ductiles sont préférés pour les applications qui nécessitent des formes complexes ou des pièces qui doivent se plier ou s'étirer sans se casser.
• Exemple: Cuivre et aluminium sont tous deux très ductiles et peuvent être facilement façonnés en composants complexes tels que des connecteurs électriques ou des pièces à paroi mince.

Force

La résistance est la capacité du matériau à résister à une force appliquée sans se briser ni échouer..

Plus la résistance du matériau est grande, plus il peut supporter de poids ou de pression sans déformation.

Pour l'usinage CNC, comprendre la résistance est essentiel pour sélectionner le bon matériau pour les pièces structurelles ou porteuses.

• Considérations clés: Matériaux avec une résistance à la traction plus élevée (la résistance à l’étirement ou à l’écartement) sont idéales pour les pièces qui subiront des contraintes mécaniques importantes.
  Par exemple, titane et acier au carbone sont utilisés pour leur résistance exceptionnelle dans les applications aérospatiales et automobiles.
• Exemple: 7075 aluminium, connu pour sa haute résistance à la traction 83,000 psi, est couramment utilisé dans l'aérospatiale, alors que acier inoxydable offre une excellente solidité et résistance à la fatigue.

Résistance à la corrosion

La résistance à la corrosion est la capacité d'un matériau à résister à la dégradation chimique provoquée par des facteurs environnementaux comme l'humidité., sel, ou des produits chimiques.

Les matériaux présentant une excellente résistance à la corrosion sont nécessaires pour les applications exposées à des environnements difficiles, comme la marine, chimique, ou applications extérieures.

• Considérations clés: Le choix de matériaux à haute résistance à la corrosion garantit la longévité et la durabilité du produit final.
  Acier inoxydable (en particulier 316), titane, et aluminium sont généralement choisis pour leurs excellentes propriétés de résistance à la corrosion.
• Exemple: 316 acier inoxydable est très résistant à la corrosion causée par les chlorures et autres produits chimiques, ce qui en fait un choix idéal pour les environnements marins et les implants médicaux.

3. Facteurs à prendre en compte lors du choix des matériaux d'usinage CNC

Choisir le bon matériau pour l’usinage CNC est un exercice d’équilibre, en tenant compte de plusieurs facteurs qui affecteront à la fois les performances et les coûts. Voici les facteurs les plus critiques à prendre en compte:

Durabilité

La durabilité est la capacité du matériau à résister à l’usure, corrosion, et la fatigue avec le temps.

Dans les applications où les composants sont exposés à des conditions environnementales difficiles, la durabilité est une préoccupation majeure.

Les pièces très durables nécessitent des remplacements moins fréquents, réduisant le coût total de possession et garantissant une fonctionnalité à long terme.

• Considérations clés: Recherchez des matériaux qui combinent à la fois solidité et résistance aux facteurs environnementaux comme l’humidité., produits chimiques, et températures extrêmes.
  Acier inoxydable et titane sont très durables et résistants à la corrosion, ce qui les rend idéaux pour les dispositifs médicaux, milieux marins, et applications aérospatiales.
• Exemple: Alliages de titane sont couramment utilisés dans les industries aérospatiale et médicale pour leur capacité à résister aux environnements difficiles sans se dégrader au fil du temps.
  Acier inoxydable des alliages comme 316 sont également très durables et résistants à la corrosion, ce qui les rend idéaux pour les équipements exposés à l'eau salée ou aux produits chimiques.

Usinabilité

L'usinabilité fait référence à la facilité avec laquelle un matériau peut être coupé, en forme, ou fini pendant le processus d'usinage CNC.
Les matériaux à haute usinabilité nécessitent moins d'énergie pour être traités, ce qui peut entraîner des temps de production plus rapides, durée de vie de l'outil plus longue, et des coûts d'usinage globaux réduits.

• Considérations clés: Les matériaux trop durs ou abrasifs peuvent user rapidement les outils de coupe., augmentant le coût global et le temps d'usinage.
  D'autre part, les matériaux plus tendres ont tendance à s'usiner plus facilement mais peuvent s'user plus rapidement en service.
  Aluminium et laiton sont connus pour leur excellente usinabilité, ce qui les rend rentables et efficaces pour la production de masse.
  Inversement, des matériaux plus durs comme titane ou Inconel nécessitent des outils spécialisés et des vitesses d’usinage plus lentes.
• Exemple: 6061 aluminium est largement utilisé dans l'usinage CNC pour sa facilité d'usinage et sa capacité à produire rapidement des pièces précises,
  alors que titane exige plus d'attention en raison de sa nature plus résistante et de ses coûts d'outillage plus élevés.

Propriétés thermiques

Les propriétés thermiques sont cruciales lors de la sélection de matériaux pour des applications exposées à des températures élevées ou à des fluctuations de température importantes.
Ces propriétés incluent la conductivité thermique, résistance à la chaleur, et dilatation thermique. Les matériaux ayant de mauvaises propriétés thermiques peuvent se déformer, affaiblir, ou échoue sous les changements de température.

• Considérations clés: Si votre application nécessite des composants qui seront exposés à la chaleur, vous aurez besoin d’un matériau à haute résistance thermique et à faible dilatation thermique.
  Titane et Inconel sont idéaux pour les environnements à haute température, telles que les applications aérospatiales ou de turbines, où le maintien de l’intégrité des matériaux sous une chaleur extrême est essentiel.
  Des matériaux comme aluminium sont bons pour la dissipation thermique en raison de leur conductivité thermique élevée.
• Exemple: Inconel est souvent choisi pour sa capacité à résister à des températures extrêmement élevées (jusqu'à 2 000°F) sans perdre ses propriétés mécaniques.
  Aluminium (comme 6061) est souvent utilisé pour les dissipateurs thermiques et les composants de gestion thermique en raison de son excellente conductivité thermique.

Coût

Le coût est souvent l'un des facteurs les plus critiques lors de la sélection des matériaux d'usinage CNC, spécialement pour les séries de production à grande échelle.
Des matériaux comme aluminium et laiton sont plus rentables que les matériaux spécialisés comme titane ou Inconel.
Cependant, la sélection d'un matériau moins cher peut entraîner des compromis en termes de performances ou de longévité, il est donc important d’équilibrer les coûts avec les normes de performance requises.

• Considérations clés: Ne considérez pas seulement le coût initial du matériel, mais aussi des facteurs comme le temps d'usinage, usure des outils, et les coûts potentiels de maintenance ou de remplacement sur le long terme.
  Pour un petit prix, demandes à grand volume, aluminium et plastiques tel que acrylique et nylon sont souvent utilisés.
  Pour des pièces performantes, le coût supplémentaire des matériaux comme titane peut être justifié.
• Exemple: Aluminium 6061 est souvent choisi pour son excellent équilibre entre coût et performances, en particulier pour les pièces structurelles et légères dans des industries comme l'automobile et l'aérospatiale.
  Titane, bien que plus cher, est sélectionné pour ses propriétés uniques dans des applications exigeantes telles que les implants aérospatiaux et médicaux.

Exigences de finition

Les exigences de finition d’une pièce peuvent influencer significativement le choix du matériau.

Les matériaux qui offrent de meilleures finitions de surface avec un minimum de post-traitement supplémentaire sont préférés pour les applications où l'esthétique

ou propriétés de surface fonctionnelles (comme la douceur, résistance à la corrosion, ou conductivité) sont critiques.

• Considérations clés: Pour les pièces nécessitant une finition de haute qualité, des matériaux comme acier inoxydable ou aluminium sont plus faciles à polir et à anodiser, fournir un nettoyage, résultat visuellement attrayant.
  Autres matériaux, tel que aciers à outils et Inconel, peut nécessiter des étapes de traitement supplémentaires comme le meulage ou le polissage pour obtenir la finition souhaitée.
• Exemple: Aluminium 6061 est populaire pour sa capacité à obtenir une finition de haute qualité, que ce soit l'anodisation, revêtement en poudre, ou simple polissage.
  Acier inoxydable, particulièrement 304 ou 316, est souvent utilisé dans les applications où un brillant,
  une finition esthétique est requise, tels que des appareils de cuisine ou des composants architecturaux.

Application industrielle

Différents matériaux sont adaptés à des industries spécifiques, en fonction des exigences de performance et des conditions environnementales.

Comprendre les besoins spécifiques de l'industrie est essentiel lors de la sélection des matériaux d'usinage CNC.

• Considérations clés: Chaque industrie peut donner la priorité à différentes propriétés des matériaux. Par exemple, aérospatial nécessite des matériaux présentant un rapport résistance/poids et une résistance à la chaleur élevés,
  applications médicales exigent la biocompatibilité et la résistance à la corrosion, et pièces automobiles bénéficier d'un rapport coût-efficacité, matériaux durables.
• Exemple: Dans le aérospatial industrie, des matériaux comme titane et Inconel sont appréciés pour leur rapport résistance/poids élevé et leur résistance aux températures élevées,
  alors que implants médicaux compte souvent sur acier inoxydable ou titane en raison de leur résistance à la corrosion et de leur biocompatibilité.

4. Matériaux d'usinage CNC courants

Décomposons certains des matériaux les plus couramment utilisés dans l'usinage CNC, classés par type:

Métaux:

• Aluminium (par ex., 6061, 7075): L'aluminium est léger, résistant à la corrosion, et facile à usiner, ce qui en fait l'un des choix les plus populaires.
  Par exemple, 6061 l'aluminium a une bonne résistance, et bonne résistance à la corrosion, et est souvent utilisé dans les industries aérospatiale et automobile.
  D'autre part, 7075 aluminium, avec son rapport résistance/poids plus élevé, est préféré pour les applications hautes performances comme les pièces d’avion.

• • Propriétés: Force: 30-50 ksi (pour 6061), Usinabilité: Excellent
  • Applications: Aérospatial, automobile, produits de consommation.

• Acier inoxydable (par ex., 304, 316): L'acier inoxydable est solide, durable, et résistant à la corrosion, ce qui le rend parfait pour les environnements exigeants comme la transformation des aliments, équipement médical, et applications marines.
  Par exemple, 304 L'acier inoxydable est l'une des nuances les plus utilisées en raison de son excellente résistance à la corrosion et de son coût relativement inférieur..

• • Propriétés: Force: 70-100 ksi, Résistance à la corrosion: Excellent
  • Applications: Médical, transformation des aliments, marin.

• Titane: Les alliages de titane sont connus pour leur rapport résistance/poids élevé et leur résistance à la corrosion..
  Le titane est couramment utilisé dans l'aérospatiale, médical, et applications militaires où les performances et la fiabilité sont essentielles.

• • Propriétés: Force: 130-160 ksi, Usinabilité: Difficile
  • Applications: Aérospatial, implants médicaux, militaire.

• Cuivre & Laiton: Le cuivre est excellent pour la conductivité électrique, tandis que le laiton est connu pour sa résistance à la corrosion.
  Ces matériaux sont couramment utilisés pour les composants électriques et de plomberie.

• • Propriétés: Conductivité: 58% SIGC (Cuivre), Force: 50-70 ksi (Laiton)
  • Applications: Connecteurs électriques, appareils de plomberie.

• Acier au carbone: L'acier au carbone est solide, rentable, et polyvalent. Il est couramment utilisé pour les composants structurels et les pièces qui ne nécessitent pas une résistance extrême à la corrosion..

• • Propriétés: Force: 50-70 ksi, Coût: Faible
  • Applications: Automobile, construction, fabrication générale.

Plastiques:

• Acrylique (PMMA): L'acrylique est léger, transparent, et facile à usiner, ce qui en fait un choix idéal pour des applications telles que la signalisation, luminaires, et affiche.

• • Propriétés: Usinabilité: Excellent, Résistance aux chocs: Modéré
  • Applications: Affichages, signalisation, lentilles optiques.

• Nylon: Le nylon est un matériau résistant, plastique résistant à l'usure souvent utilisé pour les engrenages, bagues, et pièces mobiles dans les machines.

• • Propriétés: Force: 10-15 ksi, Résistance à l'usure: Excellent
  • Applications: Engrenages, roulements, automobile.

• Delrin (Acétal): Le Delrin est un plastique à haute résistance connu pour sa rigidité et sa précision. Il est souvent utilisé pour les pièces nécessitant des tolérances serrées, tels que les engrenages et les roulements.

• • Propriétés: Force: 20-25 ksi, Stabilité dimensionnelle: Excellent
  • Applications: Pièces de précision, engrenages, roulements.

• Polycarbonate: Le polycarbonate est connu pour sa résistance aux chocs et est utilisé dans les applications nécessitant de la ténacité, comme des housses de protection.

• • Propriétés: Résistance aux chocs: Très élevé, Transparence: Excellent
  • Applications: Housses de protection, lentilles optiques.

Composites:

• Fibre de carbone: La fibre de carbone est incroyablement légère et solide, ce qui le rend idéal pour les applications hautes performances dans des secteurs tels que l'aérospatiale et les équipements sportifs.

• • Propriétés: Force: 150-300 ksi, Poids: 30-50% plus léger que l'aluminium
  • Applications: Aérospatial, automobile, équipement sportif.

• Fibre de verre: La fibre de verre offre solidité et résistance à la corrosion, couramment utilisé pour les applications structurelles et les pièces exposées à des environnements difficiles.

• • Propriétés: Force: 40-80 ksi, Durabilité: Haut
  • Applications: Bateaux, composants structurels.

5. Matériaux d'usinage CNC spécialisés

Inconel

Ils sont conçus pour résister aux hautes températures, les rendant indispensables dans les secteurs de l’aérospatiale et de la production d’électricité.
Inconel 718 peut résister à des températures allant jusqu'à 700°C, assurer la stabilité dans des conditions extrêmes.

Hastelloy

Il est très résistant à la corrosion, en particulier dans les environnements chimiques agressifs, et est fréquemment utilisé dans les industries de transformation marine et chimique.
L'Hastelloy C-276 présente une excellente résistance aux piqûres, corrosion caverneuse, et fissuration par corrosion sous contrainte.

Céramique

Les matériaux céramiques sont exceptionnellement durs et résistants à l'usure, adapté aux applications telles que les outils de coupe, roulements, et fabrication de semi-conducteurs.

Céramiques de nitrure de silicium, Par exemple, avoir une dureté de 15 GPa, offrant une durabilité et une longévité exceptionnelles.

Aciers à outils

Les aciers à outils sont spécialement conçus pour les moules et les matrices, offrant une dureté et une ténacité exceptionnelles pour les applications à fortes contraintes.

Acier à outils A2, avec une dureté Rockwell de HRC 60-62, garantit des performances fiables dans les processus de fabrication exigeants.

6. Facteurs supplémentaires à considérer

Tolérances requises

Les tolérances serrées nécessitent l'utilisation de matériaux dont l'usinage est prévisible et qui conservent les dimensions avec précision..

L'ingénierie de précision nécessite souvent des tolérances de ±0,001 mm, ce qui peut être réalisé de manière fiable avec des matériaux comme le titane et l'acier inoxydable.

Processus de post-usinage

Certains matériaux bénéficient ou nécessitent des processus de post-usinage tels que le traitement thermique, revêtement, ou polissage.

Ces processus peuvent améliorer les propriétés des matériaux ou l'esthétique. Par exemple, l'aluminium anodisé améliore non seulement sa résistance à la corrosion, mais ajoute également une finition attrayante.

Conditions environnementales

L'environnement d'exploitation du composant doit être pris en compte, y compris l'exposition à des produits chimiques, humidité, Rayonnement UV, et les fluctuations de température.

Polycarbonate, par exemple, offre une excellente résistance aux UV, ce qui le rend adapté aux applications extérieures.

7. Comment la sélection des matériaux affecte l'usinage CNC

Temps d'usinage

Les matériaux plus durs prennent généralement plus de temps à usiner, augmentation potentielle des coûts de production et des délais de livraison.

Par exemple, l'usinage du titane peut prolonger le temps d'usinage jusqu'à 30% par rapport à l'aluminium, ayant un impact sur l’efficacité globale.

Usure des outils

Des matériaux plus abrasifs peuvent accélérer l’usure des outils, entraînant des coûts de maintenance plus élevés et un remplacement fréquent des outils.

L'utilisation d'outils diamantés peut prolonger la durée de vie de l'outil jusqu'à 40%, réduisant les temps d'arrêt et les coûts.

Finition de surface

Certains matériaux produisent intrinsèquement de meilleures finitions de surface, réduisant le besoin d'étapes de finition supplémentaires et améliorant l'efficacité globale.

Delrin, par exemple, peut atteindre des valeurs de rugosité de surface aussi basses que Ra 0.8 µm, minimiser les exigences de post-traitement.

Rentabilité

Il est crucial d’équilibrer le coût des matériaux et l’efficacité de la production.

Les matériaux coûteux peuvent justifier leur coût par des performances améliorées ou des temps d'usinage réduits., tandis que des alternatives moins chères pourraient entraîner des dépenses à long terme plus élevées si elles nécessitent un traitement plus approfondi..

Par exemple, Choisir l'aluminium plutôt que le titane peut réduire les coûts initiaux, mais peut entraîner des coûts de maintenance et de remplacement plus élevés au fil du temps..

8. Conclusion

La sélection du matériau approprié pour l'usinage CNC est une décision critique qui a un impact sur tous les aspects du projet, de la conception initiale à la performance finale..

En comprenant les propriétés et les considérations impliquées, les fabricants peuvent choisir les matériaux qui répondent le mieux aux exigences de leur application tout en équilibrant coût et efficacité.

Choisir le bon matériau améliore non seulement la qualité et la durabilité du produit final, mais optimise également l'ensemble du processus de fabrication..

Profitez de la précision et du potentiel de Usinage CNC en faisant des choix de matériaux éclairés, et élevez vos projets vers de nouveaux sommets.

DEZE est une usine de traitement CNC professionnelle. Si vous avez des besoins en matière de traitement CNC pour n'importe quel matériau, n'hésitez pas à Contactez-nous.