Conception pour la fabrication : Un guide pratique de DFM pour l'usinage CNC

La conception pour la fabrication (DFM) est une pratique d'ingénierie qui consiste à optimiser la conception d'un produit pour le rendre plus facile, plus rapide et plus rentable à produire. Lorsqu'elle est appliquée à l'usinage à commande numérique (CNC), la DFM se concentre sur l'ajustement de la géométrie des pièces, la sélection des matériaux et les tolérances afin de tirer parti des capacités des fraiseuses, des tours et d'autres équipements CNC tout en minimisant le temps machine, l'usure des outils et les rebuts. La mise en œuvre d'une solide stratégie de DFM pour l'usinage CNC est essentielle pour combler le fossé entre l'intention de la conception et la réalité de la fabrication, garantissant ainsi un produit final de haute qualité et économique.

L'objectif principal de la DFM pour l'usinage CNC est de réduire le coût et le temps de fabrication globaux sans compromettre les performances ou les exigences esthétiques du produit. Cela implique une relation de collaboration entre l'ingénieur concepteur et l'ingénieur de fabrication de l'atelier d'usinage. Une collaboration précoce est essentielle, car les décisions prises dans les phases de conception initiales - lorsque le coût des modifications est le plus faible - ont l'impact le plus important sur les coûts de production finaux.

L'une des considérations DFM les plus immédiates et les plus percutantes est de minimiser le temps d'installation et les opérations. Chaque fois qu'une pièce doit être retirée, réorientée et resserrée dans la machine (un processus connu sous le nom d'opération ou d'installation), du temps est perdu et le risque d'erreur de positionnement augmente. Les ingénieurs doivent s'efforcer de concevoir des pièces qui peuvent être usinées avec le moins d'installations possible, idéalement en une ou deux. Cela peut être réalisé en concentrant les caractéristiques sur une ou deux faces principales et en assurant un dégagement suffisant pour que les outils standard puissent accéder à toutes les caractéristiques à partir de ces orientations. Si une pièce nécessite un usinage sur cinq faces, le coût sera exponentiellement plus élevé qu'une pièce similaire ne nécessitant que deux installations.

Ensuite, il faut prêter attention à la géométrie des caractéristiques et à l'accessibilité des outils. Les outils CNC standard sont cylindriques, ce qui signifie qu'ils produisent des rayons dans les coins des caractéristiques internes comme les poches ou les fentes. La conception de coins internes avec le plus grand rayon acceptable est un principe DFM simple mais puissant. Les petits rayons internes vifs nécessitent des outils de petit diamètre et fragiles, qui doivent fonctionner à des vitesses plus lentes, ce qui entraîne des temps de cycle plus longs et un risque élevé de casse des outils. Une bonne règle de base est de spécifier un rayon interne qui est au moins un tiers de la profondeur de la poche. De plus, les caractéristiques telles que les fentes profondes et étroites ou les trous borgnes doivent être évitées. Les poches profondes, en particulier celles dont le rapport d'aspect (profondeur sur largeur) est supérieur à 4:1, nécessitent des outils de longueur personnalisée, une évacuation agressive des copeaux et des vitesses d'usinage plus lentes, ce qui augmente considérablement les coûts. Si une caractéristique profonde est nécessaire, envisagez de la concevoir comme deux caractéristiques distinctes et plus petites qui peuvent être jointes plus tard ou d'ajuster la conception pour qu'elle soit accessible des deux extrémités.

Le tolérancement et l'état de surface sont souvent sur-spécifiés, ce qui entraîne des dépenses de fabrication inutiles. Des tolérances serrées (± 0,001 pouce ou moins) nécessitent des environnements à température contrôlée, des équipements d'inspection spécialisés, des opérateurs hautement qualifiés et un usinage considérablement plus lent pour garantir la précision. Les concepteurs ne doivent appliquer des tolérances serrées qu'aux caractéristiques critiques qui ont un impact direct sur la fonction ou les interfaces d'assemblage, en s'appuyant sur des tolérances standard ou générales pour toutes les autres dimensions. De même, exiger un état de surface lisse (par exemple, $32$

Ra ou mieux) augmente le temps d'usinage, car il nécessite de multiples passes de finition légères avec des outils spécifiques. Si la fonction d'une caractéristique ne nécessite pas une finition miroir, une surface usinée standard doit être spécifiée.La

sélection des matériaux est un choix DFM fondamental. Bien que les propriétés mécaniques requises (résistance, résistance à la corrosion, etc.) réduisent les options, l'usinabilité du matériau choisi a un impact direct sur le coût. Les matériaux usinables comme l'aluminium 6061, l'acier C1018 et le laiton sont généralement plus faciles et plus rapides à couper que les matériaux difficiles tels que les aciers inoxydables de la série 300 (en particulier 303 contre 304), l'Inconel ou le titane. L'usinage de matériaux difficiles entraîne une durée de vie des outils plus courte, des vitesses de coupe plus lentes et des coûts de matériaux plus élevés, ce qui contribue à un coût total des pièces plus élevé. Lorsque les propriétés des matériaux le permettent, le passage à un alliage plus facile à usiner peut permettre d'économiser beaucoup de temps et d'argent de production.Une autre considération essentielle est

la fixation et le serrage des pièces. L'atelier d'usinage doit être en mesure de maintenir solidement l'ébauche de la pièce pendant le processus d'usinage sans obstruer le trajet de l'outil de coupe. Les concepteurs doivent intégrer des zones de serrage plates, parallèles et facilement accessibles dans la conception, même s'il s'agit de caractéristiques temporaires (comme des languettes ou du matériau sacrificiel) qui sont retirées lors d'une opération de finition finale ou après l'usinage. Les conceptions minces, fragiles ou ayant des formes complexes et non uniformes sont difficiles à serrer solidement, ce qui entraîne des vibrations (bavardage), un mauvais état de surface et d'éventuels mouvements ou dommages de la pièce.Enfin,

l'intégration de caractéristiques standard