Technique

Dossier Fraiseuse CNC 3 D (suite de l'article RC Pilot N°42)

Une machine modulaire à commande numérique, précise et rapide sur les 3 axes…

Une fraiseuse permet, simplement en dessinant sur son ordinateur, de découper des pièces en 2 dimensions pour réaliser des kits ou des pièces telles que des châssis d’hélicoptère. En 3 dimensions, des formes complexes telles que des moules, figurines, pièces complexes sont réalisables. Du modélisme aux arts créatifs en passant par le bricolage, les applications ne manquent pas. Cependant, le budget d’une machine professionnelle reste dissuasif pour la plupart d’entre nous. J’ai donc recherché des solutions astucieuses conciliant précision et maîtrise des coûts…



Dossier Fraiseuse CNC 3 D (suite de l'article RC Pilot N°42)
Le fraisage numérique est un vaste domaine. Il serait illusoire de vouloir le traiter dans un seul article. Les parties techniques ou les détails qui suivent complètent cependant la présentation dans RC Pilot n°42

Principe du roulement à 45°

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Le rendement mécanique, avec le principe du roulement à 45° qui roule sur la vis trapézoïdale est fort astucieux et l’on ne peut que remercier Victor Sendas de nous en avoir fait profiter sur www.cncloisirs.com

La résistance de la structure

Une fraiseuse 3D doit pouvoir supporter des efforts importants sans engendrer des déformations des éléments constituants. Les torsions, efforts tranchants, flexions, flèches diverses ne doivent pas dépasser les limites fixées par le cahier des charges. Les régimes vibratoires compliquent encore cette approche. Dans mon hypothèse, souhaitant obtenir une résolution de l’ordre du 5/100e mm (0,00005 m), et une déformation en charge ne dépassant pas le 1/10e mm (0,0001 m) un contrôle de la flèche des arbres (repère27) permet d’éviter toute déconvenue car ils constituent le maillon faible, par rapport au châssis très rigide. Ce poste, avec les coulisses à billes, est le plus onéreux. En conclusion, il faut dimensionner les composants en fonction de ses propres besoins, tout excès fera grimper le budget.

Récapitulatif des caractéristiques fabricant des composants sélectionnés

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Calcul de la flèche des arbres

La méthode manuelle 
La flèche sous charge centrée d’un arbre se calcule avec la formule suivante :

Flèche au centre (chariot centré) = ( P x L3 ) / ( Q x E x I )

P = Force centrée en Newton = masse en Kg x 9,81 ici 1 kg comme exemple ; L = distance entre les 2 appuis repères 17 en mm soit ici 455 mm ; Q = 48 avec un appui simple, 192 en encastrement; E = module de Young du matériau en MPa, I = moment quadratique de la section, ici de l’arbre de 12 mm, Ix = Iy.


Sur un arbre de 12mm
E = 210000 MPa acier Xc55 trempé, I diamètre = (Pi x D4 )/64

Flèche sur 1 arbre avec 1 kg = ( 1 x 9,81 x 4553 ) / ( 48 x 210000 x ( 3,1416 x 124 )/64 )
= ( 1 x 9,81 x 94196375 ) / ( 48 x 210000 x 1018 )
= - 0,09 mm
La fraiseuse emploie 2 arbres, la flèche est donc divisée par 2 :
F = 0,09 / 2 = - 0,045 mm

La méthode informatique
Winbeam 3.3 est un logiciel de calcul de résistance des matériaux (employant la méthode des éléments finis) destiné particulièrement aux poutres. Pour ceux que les mathématiques passionnent, il y a de quoi occuper quelques heures à contrôler les déformations de la machine sous efforts. Avec un moteur de recherche en tapant Winbeam 3.3 on trouve immédiatement de nombreux sites de téléchargement. Ce logiciel est apprécié lorsque l’on possède des bases en résistance des matériaux autrement on risque de trouver la tache ardue.

On renseigne l’exemple 1 (Ex1), poutre sur 2 appuis simples, dans le menu ouvrir :
Unité = Metric,
Properties = X =0 E =2100000 I =0.203576 cm4 l’inertie est multipliée par 2 avec notre machine
Supports X=0.0m X=0.455m Disp=0
Point Loads X=0.2275m Pload=-0.00981 KN

La flèche (Deflection) calculée est obtenue immédiatement : F= - 0,045031 mm

Flèche du profilé

Par acquis de conscience, la plus grande longueur soit 1180 mm est soumise à une force de 98,1 N centrée et les appuis sont considérés encore une fois comme des appuis simples. Ix = Iy

E= 70000, I = 141530 mm4
Flèche sur 1 profilé avec 10 kg = ( 10 x 9,81 x 11803 ) / ( 48 x 70000 x (141530))
= ( 1,61 1011 ) / ( 9,51 1011 )
= - 0,338 mm
Etant donné qu’il y a 2 profilés de 1180 mm :
Flèche sur avec 2 profilés avec 10 kg = - 0,566/2 = - 0,169 mm

Cette hypothèse est encore une fois bien pessimiste puisque la fraise est toujours axée sur la pièce travaillée et distante de 150 mm maximum de l’axe des profilés verticaux. D’autre part la fraiseuse est normalement posée sur un plan de travail sur toute sa longueur (et non pas sur ses extrémités), peu de déformations seront donc enregistrées. La structure aluminium du châssis est (très) largement dimensionnée.

Le matériel

Maintenant que les sections à employer sont connues il ne reste plus qu’à acquérir les composants de la machine. Des fournitures industrielles ne sont pas toujours aisées à se procurer pour un particulier. J’ai donc privilégié des sociétés livrant les particuliers comme l’industrie Ci dessous les principaux composants.

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Outillage utile :

Découpe de la platine en AU4G sur la scie à onglet


Outillage utile :

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Voici le détail des outils qui facilitent la vie des bricoleurs avertis…

Du white spirit lubrifie la lame de la scie à onglet

Equipement nécessaire :

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Pour piloter la fraiseuse, il faut un PC sous Windos ou DOS, un logiciel de pilotage (CNC 3 axes est gratuit), une interface comme par exemple celle d’Hobby CNC, 3 moteurs unipolaires ou hybrides, une alimentation régulée pour alimenter l’interface et les moteurs.

Perçage à 180° avec une ligne repère.

Le portique

Il est pratique de dessiner avec précision sur informatique le plan des platines avant perçage. Le pointage est alors grandement facilité. Avec le matériel ci dessus voici les plans terminés ! Attention cependant à imprimer les pages avec un taux de 100% sous peine d’avoir des platine plus petites qu’à l’échelle 1 qui nous sont nécessaires.

(voir plans des platines au format pdf en bas de page)

Mesure des performances

Il convient maintenant de vérifier les hypothèses de calcul. Une déformation de 1/10mm maximum, une résolution de l’ordre de 5/100 mm à vide, une vitesse de travail de 20 mm/s maximum. Il va de soit qu’en augmentant la charge appliquée sur la fraise, la machine perdra en précision et en vitesse de travail. Pour la vitesse de travail, les moteurs seront tributaires de leur tension d’alimentation, 13,8 V dans mon cas. Le soft de pilotage employé est CNC 3 axes.
J’ai appliqué une force sur la pince de la perceuse une fois celle-ci centrée et descendue à fond de course l’axe des Z (positionnement le plus défavorable en terme de précision). Avec une force de 20 N, la déformation enregistrée est d’un peu plus de 1/10 mm, ce qui est conforme. La vitesse est ensuite mesurée avec un chronomètre sur une distance de 500 mm. J’ai obtenu 500 mm/mn, au delà (en modifiant le paramètrage), les minuscules moteurs Conrad n’offrent pas assez de couple pour démarrer. La vitesse de 20 mm/s par contre est obtenue si on lance les moteurs à la main ( !), c’est sans intérêt pratique bien entendu, mais cela permet de vérifier qu’avec des moteurs coupleux (1,5 Nm minimum) cette vitesse sera obtenue facilement et même nettement plus sous DOS avec une alimentation 24V. La force développée par les petits moteurs Conrad sur les axes X et Y atteint 33 N. Pour l’axe Z, pourtant plutôt lourd, le moteur Conrad parvient à remonter l’ensemble si l’on limite la vitesse à 400 mm/mn. C’est étonnant avec un moteur qui ne développe que 0,5 Nm.

Problèmes rencontrés et mesures correctives

Le fraisage génère inévitablement des problèmes auxquels il faut tenter de remédier. J’ai listé les plus fréquents :

![Le fichier DXF est obtenu à une échelle ridicule une fois importé en G code dans le logiciel de pilotage de la fraiseuse]i : il s’est produit à la conversion du format DXF une modification de l’échelle. Retournez dans votre logiciel de dessin et corrigez la taille du dessin pour l’obtenir à l’échelle 1 en G code.

Le tracé avec un feutre est impeccable mais la pièce fraisée est obtenue plus petite : une imprécision mécanique est généralement à l’origine de cette déconvenue. Vérifiez le serrage de toute la mécanique.

La pièce n’est pas parfaite, son contour est déformé : il y a des pertes de pas des moteurs et/ou des points durs. Réduisez la vitesse ( la fraise avance trop vite dans le matériau), revoyez la vitesse de rotation de la fraise qui est peut être insuffisante.

Comment contrôler la précision de la machine : découpez dans différents matériaux des pièces étalon. Un rectangle, un diamètre, à la vitesse maximum supportée par la fraise et en fonction du couple disponible avec vos moteurs. Ensuite, mesurez avec un pied à coulisse digital les cotes obtenues. L’écart entre le dessin et la pièce obtenue caractérise la précision de découpe de votre machine. Idéalement si la pièce obtenue représente 100% des cotes du dessin, votre machine est parfaite… Bien entendu c’est utopique ! Il y aura des écarts, ceux ci vous indiqueront, avec tous le jeux de fonctionnement réduits au maximum et une fois tous les paramètres logiciel optimisés, la précision de la fraiseuse.

Les moteurs chauffent : c’est normal, mais le temps de fonctionnement est peut être trop long et/ou le courant réglé sur l’interface trop élevé. Faites des pauses (fonction offerte sur le soft de pilotage) et éventuellement réduisez le courant sur la platine interface.

La fraise brunie : le régime de rotation est inadapté et/ou vitesse d’avance trop élevée. Réduisez la vitesse de travail et simultanément le régime de rotation

Dans le Dépron une boule de plastique se forme sur la fraise : réduisez le régime de rotation de la fraise et augmentez au maximum la vitesse d’avance.

Le bois s’échauffe et fini par prendre feu : la fraise est probablement usée ou inadaptée. Mais vérifiez également que le régime de rotation n’est pas trop élevé. Réduisez la vitesse de travail.

La perceuse émet un bruit métallique en fonctionnement : les roulements à billes de la perceuse/meuleuse manquent probablement de lubrifiant. Démontez la perceuse et injectez sous pression (bombe) un lubrifiant pour roulement haute vitesse.

La fraise se déforme pendant le fraisage : réduisez la vitesse de travail. La découpe du matériau est plus lente que la vitesse d’avance réglée, cela conduit à des imprécisions et à un risque de rupture de la fraise (dépassement de la limite élastique de l’acier, voir dossier biplans du MRA de janvier).

La fraise ne retourne pas exactement à son point de départ : il y a eu des pertes de pas. Des points durs, des poussières dans les glissières ou roulements, ou également une vitesse d’avance trop élevée. Tout nettoyer et réduire la vitesse de travail. Vérifier aussi le retour X=0 Y=0 dans la fenêtre correspondante du logiciel.

Dans du métal la fraise s’use rapidement : l’acier employé de la fraise est probablement de qualité insuffisante. La lubrification a peut être aussi fait défaut. Choisir une fraise pro (Otelo ou autre ) et lubrifiez abondamment pendant le fraisage (burette d’huile, white spirit, pétrole ).

Le fonctionnement pendant le fraisage est notablement saccadé : le fichier du dessin converti en G code comporte certainement trop de doublons ou de points, vérifiez avec CNC simulator les doublons, mais aussi reprenez votre dessin et limitez le nombre de points en utilisant un claque par dessus le dessin original.

Sur l’axe Z, la descente est parfaite mais une perte de pas est observée à la montée : le moteur de l’axe z ne développe pas assez de couple pour remonter le poids de l’ensemble. Changez le moteur pour un autre doté d’un couple élevé ou démultipliez cet axe pour augmenter mécaniquement le couple, mais il y aura une perte de vitesse dans la même proportion.
Il n’y a pas de limites pour les axes X, Y, Z dans le logiciel CNC 3 axes. Dessiner des pièces de taille inférieures aux courses maxi et centrer le dessin (0,0) évite des déconvenues.
Comment obtenir la meilleure précision : limitez les jeux en réglant de manière optimale la machine, changez les roulements ou douilles à billes usagées, disposez l’ensemble Y/Z au plus près d’un profilé vertical, cela limitera la flexion des arbres de l’axe Y. (cf paragraphe la méthode informatique)

Comment régler le rapport vitesse de rotation de la fraise et l’avancement : par essais successifs mais aussi en calculant la vitesse d’attaque du matériau par les dents de la fraise (voir MRA 792 page 19).

Choisir une fraise en fonction du matériau : il faut impérativement acheter des fraises en fonction du matériau que l’on envisage de travailler. Les catalogues Pro (Otelo, Lestamps, etc) offrent un choix considérable de fraises, on n’a que l’embarras du choix, attention à prendre une fraise avec une queue d’un diamètre en rapport avec le porte broche de la perceuse/meuleuse !

Le déplacement sur un axe est inversé : il suffit, soit d’inverser les fils sur le moteur respectif (voir rubrique câblage sur damencnc.nl), ou plus simplement dans le soft de pilotage, d’aller dans le menu de paramétrage et d’inverser le sens du moteur.
Comment fixer un matériau sur la table pour le fraiser ensuite : une feuille de Dépron collée au double face peut servir d’entretoise jetable, le matériau à découper est lui aussi collé au scotch double face pour moquettes. Il est nécessaire de faire un dispositif vissé ( profilés en U) pour les matériaux durs comme les métaux ou les composites.

Je souhaite fraiser une pièce d’une longueur supérieure à la course « X » de la machine : procédez en deux fois. On déplace le matériau en utilisant une règle de maçon pour conserver l’alignement, puis on reprend le fraisage. Il y a nécessairement une perte de précision (pendant le nouveau positionnement), mais sauf dans le cas de la réalisation d’un moule, cette solution est envisageable.

Je souhaite obtenir une plus grande finesse de réglage : passez en mode ½, ¼ step ou plus sur la platine interface si elle offre cette possibilité. Mais attention cela demande alors une plus grande puissance de calcul.

Je souhaite obtenir une vitesse de travail plus élevée : alimentez en 24 V (jusqu’à 40 v sur l’interface Hobby CNC ) vos moteurs et éventuellement passez sous DOS avec Turbo CNC comme logiciel de pilotage.

Lexique

Effort tranchant : action de cisaillement de la poutre sous l’action d’une force. Il y a cisaillement lorsqu'une pièce est sollicitée par deux forces égales.

Moment quadratique : c’est une grandeur qui caractérise une section, elle se définit par rapport à un axe.

Moment fléchissant : dans la section d’une poutre, c’est la somme des moments extérieurs.

Flèche : Sous l'effet des efforts auxquelles elle est soumise, une poutre se déforme. On désigne par flèche à l'abscisse x, le déplacement du centre de gravité de la section correspondant à cette abscisse. Elle est comptée négativement si le déplacement s'effectue vers le bas.

Couple : c’est le produit d’un effort par un bras de levier.

Module de Young : Le physicien Thomas Young avait remarqué que le rapport entre la contrainte de traction appliquée à un matériau et la déformation qui en résulte (un allongement relatif) est constant, tant que cette déformation reste petite et que la limite d'élasticité du matériau n'est pas atteinte. Cette constante est le module de Young ou module d'élasticité longitudinal.

Roulements ZZ : roulement équipé de déflecteurs

A retenir

• Toujours travailler avec précaution, une fraise est dangereuse pour les mains et les yeux en particulier

• Bien anticiper vos besoins ultérieurs avant d’acquérir les moteurs, les arbres de guidage et la perceuse/fraiseuse porte broche

• L’utilisation d’une fraiseuse numérique est tributaire de la précision du dessin initial

• Un entraînement par vis trapézoïdale, très rigide, est à préférer pour fraiser les métaux

• Contrôler régulièrement le bon serrage de la visserie

• Contrôlez régulièrement la propreté des arbres de guidage pour évitez tout point dur ultérieur

Carnet d’adresses

Brico Dépôt :magasins dans toute la France
Cata Outils : Tél : 04 73 83 06 55
CNC Loisirs : http://www.cncloisirs.com (voir entraînement Victor Sendas)
Conrad : http://www.conrad.fr
Damen CNC : http://www.damencnc.nl
HPC : 58 chemin de la bruyère 69570 DARDILLY-LYON Tél : 04 37 496 496 http://www.hpceurope.com
HobbyCNC : http://www.hobbycnc.com
Lestamps : tél 03 20 35 70 70 169, rue Sadi Carnot 59350 SAINT ANDRE LEZ LILLE e-mail : lestamps@nordnet.fr
Marchant Dice Ltd : Unit 5E Yeo Vale Ind Est Lapford Devon EX17 6YQ Tél : 44 1363 83918 http://www.marchantdice.com
Medelor : http://www.medelor.com Medelor 42800 Tartaras
Minitec : 2, rue Charles Desgranges 57200 SARREGUEMINES Tél : 33 03 87 27 68 70 Fax : 33 03 8727 68 77 http://www.minitec.fr
Otelo :48/52 avenue Maréchal Foch BP4 78701 Conflans Cedex Tél : 0800 33 11 11 http://www.otelo.com
Sélectronic : B.P 10050 59891 LILLE Cedex 9 Tél : 0.328.550.328 http://www.selectronic.fr
Weber Métaux : Tél : 01 46 72 34 00 info@weber-metaux.com et http://www.webger-metaux.com
3xHM : http://www.3xhm.com

video axe des X


Vidéo axe des Y


Vidéo axe des Z


Vidéo fraisage d'une plaine radio de planeur lancé-main en contre-plaqué 3 mm


Pascal Delannoy