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Fraiseuse numérique

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La fraiseuse CNC (Computer Numerical Control)

C’est quoi une fraiseuse numérique ?

Pour comprendre, il faut d’abord dire un mot sur ce qu’est une fraise, pas dans le monde végétal (c’est pas la saison…), mais dans celui du bricolage. Pour faire simple, c’est une tige terminée par une extrémité en forme de tête, dont les formes et la composition (acier rapide, carbure, diamants…) sont presque infinies.

Un coffret de fraises et les profils de coupe associés

Fixée dans une machine manuelle ou numérique, la fraise va glisser ou plonger sur ou dans de la matière pour en enlever une partie plus ou moins importante selon l’objet à fabriquer.
L’exemple peut-être le plus courant des bricoleurs du dimanche, mais aussi des menuisiers et de tous les corps de métiers liés au bois, c’est la défonceuse, dont le nom ne laisse aucune place à l’interprétation sur son usage : qu’on se le dise, avec une défonceuse, on défonce de la matière !

L’utilisation manuelle des défonceuses nécessite la fabrication d’un gabarit, mais reste une opération délicate. En la fixant sur un établi dans le sens souhaité, on fabrique une variante de toupie. Les risques diminuent (c’est la pièce qui va tourner autour de la fraise), et on se rapproche un peu des fraiseuses numériques.
Pourtant, derrière la puissance d’une défonceuse (et son bruit…), l’utilisateur doit être très prudent et travailler tout en douceur. Car la vitesse de rotation de la fraise est vertigineuse (jusqu’à plus de 30.000 tours/min), et toute mauvaise utilisation peut avoir des conséquences graves pour l’objet (éclatement, dérapage…) et pour celui qui tient entre ses mains la machine (emballement de celle-ci, risque de coupure ou torsion des mains/poignets etc…).
Voilà pour les grands principes des « fraises ». En résumé, le fraisage d’un objet consiste à lui enlever de la matière mécaniquement.

Pour schématiser, le fraisage mécanique est un des multiples process permettant de fabriquer un objet par enlèvement de matière, on parle alors de fabrication « soustractive ». Et on est certain que vous en connaissez d’autres des techniques soustractives : tailler un morceau de bois, sculpter de la pierre, percer, poncer, sont autant de techniques manuelles ou mécaniques qui permettent de fabriquer un objet imaginé, conceptualisé, à partir d’un objet plus gros auquel on soustrait de la matière.

La fabrication « soustractive » est donc l’inverse de la fabrication « additive » lors de laquelle on fabrique un objet par addition de matière. Et là aussi il ne faut pas aller chercher bien loin pour comprendre en quoi peut consister la fabrication additive : est-ce que lorsque vous avez fabriqué vos premiers légos ou jeux de mécanos dans votre tendre enfance (mais pas que ?) vous ne faisiez pas sans le savoir de la fabrication additive ? Ou sur la plage en réalisant vos plus beaux châteaux de sable ? En grandissant vous êtes peut-être passé par la soudure (association de matière), et aujourd’hui vous rêvez probablement de passer au stade ultime en utilisant rapidement grâce au Fablab la révolution additive par …l’impression 3D ! La boucle est bouclée…

Pour revenir à la fraiseuse, si on peut faire beaucoup de choses avec (qu’elle soit pour le bois ou pour d’autres matières puisqu’on peut travailler aussi l’aluminium, le plastique etc à condition d’adapter le matériau de la fraise elle-même), il y a donc quelques inconvénients : risques liés à la manipulation, et obligation de faire autant de gabarits ou guides pour que la fraise suive les courbes des coupes souhaitées. Et à votre avis quel est le complément idéal pour pallier ces inconvénients ? Et oui, le numérique, autrement dit, une fraiseuse numérique n’est autre que l’association entre la puissance et la diversité des fraises « manuelles », avec l’intelligence et l’utilisation à distance grâce à la programmation numérique. Ici terminée l’utilisation manuelle de l’outil, tout passe par la tête et la conceptualisation et la fabrication informatisée. Autrement dit on transfert l’agilité manuelle de l’utilisation de l’outil par l’homme vers l’agilité numérique pour programmer de nouveaux outils, les deux restant toutefois complémentaires, en tout cas c’est bien là l’ambition et l’esprit du Fablab !

C’est pas tout ça mais comment ça marche ?

1 / Les axes

Qu’elle soit manuelle ou numérique, le potentiel d’une fraiseuse va d’abord dépendre de ses caractéristiques mécaniques, et notamment des axes sur lesquels elle peut travailler. Les plus simples sont les fraiseuses 3 axes, soit 1 axe avant/arrière, 1 axe gauche/droite, 1 axe haut/bas, ou pour le dire autrement : horizontal, longitudinal, vertical. Jusque là tout va bien. Mais il existe aussi des fraiseuses 4 axes et 5 axes, qui donnent la possibilité de vraiment tourner autour de l’objet pour tailler dans les moindres recoins et volumes. 

Schéma d’une fraiseuse 5 axes :

C’est pas tout ça mais comment ça marche ?

2 / Le travail

Une fraiseuse se compose de plusieurs éléments. On trouve classiquement une partie moteur, ou broche, sur laquelle est fixé un cône au bout duquel va se fixer la fraise. Le cône est en quelque sorte le mandrin qu’on trouve sur une perceuse. La puissance de travail des fraiseuses impose quelques règles essentielles d’utilisation. Impossible de laisser l’objet à travailler libre sur l’établi, à moins de vouloir le voir voler dans le Fablab au premier contact avec la fraise, comme un ballon dont on expulse l’air. Ca, on oublie ! L’objet doit donc être soit solidement prisonnier dans un étau et sur une table (à rainures, ou taraudées, ou à dépressions), soit appuyé contre des guides sur lesquels on fera glisser la pièce sous la fraise (un peu comme avec une toupie). Toute bonne fraiseuse doit donc être équipée de ses accessoires.

Un exemple de table rainurée

Une fraiseuse version industrielle

Ensuite pas question de tailler brutalement la matière, au risque de casser les fraises (voire l’objet). Le fraisage doit se faire par passes successives dont la programmation définira l’épaisseur, c’est donc un travail de patience, encore que la vitesse de rotation des fraises permette d’aller relativement vite pour chaque passe.

3 / La programmation

C’est bien gentil tout ça mais comment on fait pour faire passer les fraises où on veut et comme on veut pour enlever la quantité de matière désirée ? Pas de magie pour cela, mais…de la programmation, donc du numérique. Enfin ! L’association des principes mécaniques du fraisage avec le numérique s’appelle le CNC, autrement dit Computer Numerical Control, ou en version française, MOCN (Machine Outil à Commande Numérique, c’est quand même plus joli). On parle donc très souvent de fraiseuse CNC ou d’usinage CNC.

On entre alors dans le monde de la FAO ou CAO, pour Fabrication Assistée par Ordinateur et Conception Assistée par Ordinateur. Comme pour les impressions 3D, il faudra d’abord dessiner l’objet final grâce à un logiciel dédié (galaad, ArtCam : Express, MillWizard, Insigna, Pro ou JewelSmith, Geométric Engine, HyperCAD, HyperCAD GSM, HyperMILL, FAO ICAM V3 etc…). C’est évidemment la partie la plus complexe avant de pouvoir admirer le résultat du travail de la fraise sur son objet, qui bouge presque « toute seule ». Car au-delà du dessin, il faudra ensuite bien connecter l’ordinateur à la fraiseuse, et paramétrer le système pour que tout se passe bien. Mais pour ça, vous pourrez bientôt compter sur les experts du Fablab pour vous initier en douceur avec la bête !

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