Fraiseuse à commande numérique

Contexte du projet

L’impression 3D permet de réaliser énormément de pièces. Cependant les matières de ces pièces sont relativement limitées : principalement en plastique ou en résine. Au contraire, l’usinage permet de travailler tout un ensemble d’autres matériaux, allant notamment du bois aux métaux. C’est le but de ce projet, suite au manque de rigidité du cartésien précédent pour réaliser de l’usinage, de réaliser une machine dédiée à l’usinage.

Problématique et contraintes

• Outillage réduit : scie à onglets manuelle et perceuse à colonne uniquement
• Budget limité : pas de sous-traitance possible, toutes les pièces sont fabriquées à la main
• Matériaux : acier écarté (trop difficile à travailler avec l’équipement disponible), structure en profilés et plaques aluminium
• Précision : les pièces n’étant pas usinées avec précision, il faudra prévoir au design des jeux pour réaliser l’alignement de l’ensemble

Réalisation

Conception

Une nouvelle fois, le design est inspiré d’une machine de Nikodem Bartnik et a été redessiné sur SolidWorks avec des améliorations.

Les éléments essentiels du design :

• Profilés aluminium taille 20, section 60x20mm
• Plaques aluminium de 8mm d’épaisseur
• Guidage par rails/patins taille 12
• Entraînement par vis à billes ⌀14mm pas de 4mm.
• Spindle 500W
• Moteurs Nema23
• Alimentation 12V
• Carte arduino uno + Shield CNC + Drivers externes TB6600

Les améliorations :

• Utilisation des blocs support de vis à bille du commerce (et non impression 3D maison)
• Entraînement direct et vis à bille sur l’axe Z
• Pieds machine
• Chaînes porte-câbles

Finalement un choix architectural différent a été réalisé, positionner les rails du premier axe sur la face supérieure des profilés. Ce choix augmente le nombre de pièces mais a deux avantages :

• Permettre d’ajuster plus facilement le parallélisme des rails grace au jeu dans les rainures de profilés
• Réduire l’hyperstatisme sur l’entraxe des rails

Fabrication et assemblage

Le design étant globalement bien réalisé, il y a eu peu de complications à la fabrication et à l’assemblage. Pour les plaques aluminium, j’ai réalisé les plans 2D sous SolidWorks et les aient imprimés à l’échelle 1:1 pour servir de gabarit de perçage. Cette méthode a permis d’atteindre une précision suffisante sans fraiseuse uniquement à la perceuse à colonne.

Résultats

La machine fonctionne parfaitement et agréablement pour la découpe de matériaux tendres (bois, plexiglas). Elle a notamment permis de fabriquer des pièces pour d’autres projets, pièces compliquées à réaliser à la main. La rigidité de la structure est adaptée à ces usages. Les limites se font sentir à la découpe de matériaux plus durs comme l’aluminium. La machine a déjà usiné de petites pièces en aluminium, mais les vibrations et le bruit commencent à devenir significatifs. De plus, l’évacuation des copeaux et le refroidissement de la fraise deviennent des problématiques critiques pour ce genre d’application dont le design de la machine n’est pas adapté.

Pistes d’amélioration

Comme dans tout projet, on peut trouver après-coup des pistes d’amélioration, ici :

• Rails de guidage : les rails/patins en taille 12 sont suffisants pour l’application. Cependant on aurait pu passer les patins en taille 15 pour éviter la taille mini 12.
• Amortissement des vibrations : la machine est (relativement) rigide mais légère (~15/20kg). Une piste intéressante pourrait être de remplir les profilés de sable pour augmenter l’inertie de la structure et réduire les vibrations.
• Électronique : séparer les câbles de puissance (broche, moteurs) des câbles de commande dans les chaînes porte-câbles pour limiter les interférences électromagnétiques.
• Armoire électrique : protéger l’électronique dans un boîtier métallique dédié.
• Homing : ajouter des capteurs de fin de course sur les trois axes.

Bilan du projet et apprentissages

La fraiseuse remplit parfaitement son objectif : usiner des pièces avec une surface de travail confortable avec la précision de la commande numérique. Ce projet a consolidé les compétences acquises sur le cartésien : conception sous SolidWorks, fabrication avec des moyens limités, réglages mécaniques d’alignement. Il a aussi introduit des notions nouvelles - choix des composants de transmission (vis à billes, rails), gestion des interférences électromagnétiques, conception pour la fabrication manuelle, etc.