Une CNC en profilés alu

1 - Généralités :

Pour le”simmer”, une CNC permet la découpe et la gravure des panels, et la réalisation de nombreuses petites pièces relevant facilement du fraisage, comme par exemple les korrys ; plexi (PMMA), delrin (POM), PVC, alu (là, il faut déjà une machine d’un certain niveau), le champ des matériaux facilement usinables est large ; la précision d’usinage dépasse largement le 1/10 mm ; c’est l’outil qui permet réellement d’atteindre un bon niveau de réalisme.

3 logiciels sont nécessaires, CAO ou DAO pour le dessin des pièces, FAO (en l’occurrence CAMBAM) pour définir les consignes d’usinage, et un logiciel de pilotage de la CNC, ici MACH3.

Ma première CNC, opérationnelle après beaucoup de nécessaires améliorations
Une première version aux capacités trop limitées

J’ai acheté ma première CNC, vue au Mondial du modélisme en 2012, une des premières machines accessibles à l’amateur, origine Suisse ; la mise en route a été longue et laborieuse, pièces abîmées, structure insuffisante, géométrie bancale, et j’en passe, je ne m’attendais pas à ça de la part d’une fabrication suisse ; support déplorable, une mauvaise expérience ; j’ai remplacé quelques pièces, rajouté d’autres pièces, rajouté des roulements, modifié l’électronique de commande, et ai obtenu finalement une bonne petite machine, précise et robuste, avec laquelle j’ai même pu à m’attaquer avec succès au fraisage de l’alu.

Attention, la courbe d’apprentissage pour une telle machine  n’est pas négligeable : outre l’apprentissage d’une CAO et d’une FAO, il faut également acquérir quelques notions d’usinage, car pour obtenir des résultats corrects, il faut respecter des règles précises et qui ne s’inventent pas. Mais la littérature est abondante, comme également les forums et sites spécialisés.

Cette première machine m’a permis de réaliser la première version du simu, avec cependant quelques restrictions : une surface de travail modeste, imposant de fréquentes opérations de reprise, et une capacité d’usinage très limite pour le fraisage de l’alu. L’idée de réaliser une machine plus conséquente m’est venue, une fabrication à base de profilés alu me semblant accessible avec mon outillage de bricoleur moyen ; mais, sur les forums, de nombreux esprits chagrins laissaient entendre  qu’une telle conception ne pouvait mener qu’à l’échec : complètement stimulé par ces déclarations un peu rudes, j’ai ressorti mes ouvrages de résistance des matériaux, ma calculette, et ai commencé à modéliser la chose avec Turbocad ; après 3 bons mois, j’étais prêt !

Au cahier des charges :
– surface de travail de 800×550 (mm, en mécanique c’est l’unité par défaut),
– construction tout alu, outillage standard,
– précision d’au moins 1/20,
– broche 5000/20000 trs/mn,
– usinage alu dans de bonnes conditions, usinage acier à faibles passes.

2 - Préparation :

La machine est constituée de profilés alu et de plaques d’alu (2017, ex AU4G,  bonne résistance mécanique, facilement usinable, contrairement par exemple à l’alu de GSB !) ; la première tache a été la découpe et le perçage de toutes ces plaques, épaisseur 10, 15 et 20, précision des découpes et perçages de l’ordre du 1/10.

Plusieurs sites sur internet propose des métaux courants aux particuliers, dont de l’alu en diverses nuances et dimensions pratiques (300×500), livraison rapide.

Découpe des divers plaques alu de la CNC
Les découpes

La phase de découpe est physique ! faute de scie à ruban, la tôle d’alu se coupe bien à la scie sauteuse (pendulaire), lame spéciale alu ; il faut solidement fixer la tôle, lubrifier régulièrement au pétrole (avec un pinceau), et scier en poussant ferment mais pas trop, et en laissant une marge d’environ 1 mm ; ça ne va pas très vite (de l’ordre de 1 cm à la mn), et ça use … je devrai changer en cours de route la roulette guide lame, pratiquement fendue en deux !

Une fois cette phase terminée, ouf, il faut mettre les champs d’équerre et aux bonnes cotes, là aussi ça donne chaud :
– j’ai d’abord dégrossi et mis d’équerre à la ponceuse à bande, bien fixée sur le dos, gros grains : ça “déménage” sérieusement, ne pas oublier de s’aider d’une cale pour assurer la bonne orthogonalité des champs ; vérifications fréquentes au pied à coulisse, on s’arrête à environ 2/10 de la cote.
– la finition requiert une ponceuse à disque fixe ; j’ai acquis pour la circonstance une Proxxon à disque de 250, c’est devenu un outil absolument indispensable ! table réglée bien perpendiculaire au disque, abrasif grain moyen, pied à coulisse entre les dents, on atteint facilement la cote au 1/10.

Les flans du portique
Les 2 bases du portique
Les platines de fixation des moteurs de l'axe des X
Le support moteur des Z
Une bride de fixation de l'écrou d'une des vis à bille des X
La platine du chariot des Y
La platine du chariot des Z
L'un des supportq de patin de l'axe des Z

Dernière opération, les perçages et lamages :
– d’abord traçage et pointage précis (il faut d’abord un peu s’entraîner, sinon il faudra par la suite agrandir des trous !) ; cette opération est vraiment cruciale, pas d’à peu près !
– puis perçage : une vraie perceuse à colonne est indispensable, et des forêts spéciaux pour l’alu fortement souhaitables ; idem pour l’encastrement des têtes de vis, fraise à lamer indispensable.

Quelques pièces requièrent des usinages complémentaires : trous pour le centrage des moteurs, lamage pour la fixation des écrous de vis à bille ; j’ai utilisé ma première cnc, mais scie et lime auraient pu suffire.

3 - La base :

Pour la suite, les profilés alu entrent en scène : à ce stade, un fournisseur allemand s’est rapidement imposé : large choix et découpes très précises.

Ce sont les caractéristiques de ces profilés qui m’ont décidé à me lancer dans cette construction : fixations simples par vissage, et capacités mécaniques très intéressantes : j’ai retenu des profilés de section 80×80 et 160×80 ; leur moment d’inertie sont de 135 cm4 et 135 cm4 pour le premier, et 903 cm4 et 266 cm4 pour le second ! les calculs de rdm en statique montrent que les déformations de structure en flexion sont bien inférieures à la précision que je vise, et des esquisses de calcul en régime dynamique me laissent bien augurer.

Le poids de ces profilés est également significatif, c’est un facteur essentiel pour l’absorption des vibrations ; ces caractéristiques sont encore éloignées de celles de l’acier, mais les dimensions que j’ai retenues permettent d’envisager une structure rationnelle et suffisamment lourde et rigide, facteur important pour le fraisage courant de l’alu.

La base est donc constituée de 2 longerons latéraux de 80×160, réunis par 3 poutres transverses de 80×80, assemblage par grosses équerres. 3 longerons centraux de 40×80 complètent l’ensemble pour offrir une bonne assise à la table.

La base de la CNC
Le cadre de base
La table rainurée est aussi la référence géométrique de la CNC
La table rainurée
La base équipée de la table rainurée
La table en place

Sachant qu’un jour ou l’autre j’en viendrais à une table alu rainurée, j’ai choisi d’en acheter une tout de suite (origine allemande) de bonne qualité ; elle est livrée avec un certificat (relevés de planéité), on est dans des écarts de 2 à 3/100 au maximum.

A ce stade, le rôle de cette table est central : elle constitue en effet ma référence géométrique, tant en planéité qu’en orthogonalité. Car il faut dès maintenant s’assurer de la parfaite géométrie de l’ensemble ; cette étape est fastidieuse mais essentielle, il faut user de l’équerre, du comparateur, de clinquants de diverses épaisseurs, serrer, desserrer, resserrer jusqu’à être satisfait : toute concession à ce stade se traduira par des erreurs systématiques lors de l’usinage.

Une fois ces réglages satisfaisants, vient le montage des rails, il s’agit ici de rails cylindriques supportés de type TBS20 (pas courants, mais présentent des perçages d’entre-axe 40, ce qui coïncide avec l’écartement des rainures des profilés). Pourquoi des rails cylindriques et non des rails prismatiques (aux performances supérieures) ? pour une basse raison financière ; je le regretterai parfois par la suite, lorsque la machine est fortement sollicitée (fraisage acier), mais ce choix reste cohérent par rapport au reste de la constitution de la CNC.

Nb : des rails cylindriques de 20 sont précis et rigides ; en revanche, ils exigent des patins fendus, qui sous l’effet des contraintes, ont tendance à très légèrement s’écarter, on y perd des 1/100èmes.

Et re-réglages, rail maître parallèle au grand coté référence de la table, et parallélisme du second rail par rapport au premier.

 

4 - Le portique, le chariot transversal et le chariot des Z :

Le portique se déplace sur la base selon l’axe des X ; il supporte l’axe des Y, sur lequel se déplace le chariot transversal qui supporte l’axe des Z.

Il est constitué de 2 flans en alu de 15 réunis par 2 poutres de 80×80 ; l’axe des Y est là aussi constitué de 2 rails cylindriques supportés de 20, fixés sur chacune des poutres. 2 platines à la base des flans accueillent les 2 paires de patins de l’axe des X.

Une nouvelle séance de réglages s’impose.

Le chariot transversal est constitué d’une plaque d’alu de 15, dotée à son dos de 4 patins qui viennent glisser sur les rails des X : en face avant, ce sont  2 rails prismatiques de 20 qui constituent l’axe des Z ; entre les deux est logée la vis à bille d’entrainement du chariot des Z : vis de 20 au pas de 5, un pallier à 2 roulements obliques en haut (BF15), et pallier à 1 roulement droit en bas (BK15) ; il faut veiller à l’absence de jeux au niveau des roulements obliques, j’ai acheté les paliers en Chine mais ai du remplacer tous les roulements obliques.

Avant de monter le chariot transversal, il faut équiper le portique de la vis à bille d’entrainement du chariot ; même choix que pour l’axe des Z, vis de 20, pas de 5.

Vient enfin le chariot des Z, qui glisse sur les rails prismatiques et porte la broche : il s’agit à nouveau d’une plaque d’alu de 15 au dos de laquelle sont fixés 4 patins prismatiques ainsi que l’écrou de la vis à bille ; pour des raisons simplement géométriques, deux plaques intermédiaires en alu de 20 sont placées entre les patins et la plaque, contribuant ainsi à la rigidifier.

On peut désormais installer cet ensemble chariot transversal et chariot des Z sur le portique, et y fixer l’écrou de vis-à-bille du portique.

Et à nouveau des réglages, et en particulier celui de la bonne orthogonalité du mouvement du chariot des Z par rapport à la table de la base (à ne pas confondre avec celui de l’orthogonalité de l’axe de la broche par rapport à la table).

Les “gros” travaux de mécaniques se terminent avec :
– la fixation des 2 vis à bille de l’axe des Y, vis de 20, pas de 5, de part et d’autre de la base, et la fixation des 2 écrous des vis aux platines basses du portique.
– la mise en place des supports moteurs, 2 en bout de base, et 1 sur le champ haut du chariot transverse ; le moteur des Y est directement fixé sur l’une des flans du portique.

Toute cette construction s’avère plutôt simple si tous les perçages préliminaires ont été conduits avec précision. En revanche, les phases de réglages sont cruciales, un peu délicates et même fastidieuses … mais rien d’inaccessible, même pour un parfait novice (que je suis !).

Les moteurs : très classiquement, 4 moteur pas-à-pas hybrides au format Nema 23 ; sauf à acheter auprès de fournisseurs industriels (chers, chers), il est difficile d’accéder aux caractéristiques complètes de ce type de moteur, le choix est donc difficile, surtout quand on en est à son premier ! et donc mon choix ne sera pas “optimal”, j’ai depuis rectifié.

Il s’agit d’obtenir du couple à une certaine vitesse, ce couple chutant très rapidement avec la vitesse ; pour faire simple :
– pour la vitesse il faut choisir des moteurs à faible inductance et faible résistance, et des drivers acceptant une tension la  plus élevée possible,
– pour le couple, il faut bien sur calculer le besoin (prendre en compte les efforts de coupe et les forces d’inertie), et se fier ensuite au couple de maintien du moteur, et de façon corrélée, l’intensité maximale acceptée.

Le portique
Le portique
Présentation du portique sur la base
Le portique en place
La vis à bille d'entrainement de l'axe des Z
La vis à bille de l'axe Z
Les rails prismatiques de l'axe Z
Un rail de l'axe Z et ses patins
Le chariot des Y prêt à recevoir le chariot des Z
Le chariot équipé
Le portique équipé du chariot des Y
Le chariot transversal en place
Un moteur pas-à-pas et so, boitier de connexion
Un moteur et sa boite de connexion
La CNC avec son portique et l'axe des Z
L'axe Z

Voici les caractéristiques de mes moteurs :
– Intensité max : 3A.
– Résistance par phase : 0.8 Ohm.
– Inductance par phase : 1.8 mH.
– Couple de maintien : 220 N.cm (avec une vis à bille de 20 au pas de 5, ça fait pas loin de 3000 N, à mettre au regard des efforts de coupe, de quelques dizaines de daN).
– Alimentation des drivers sous 50V DC.

Pour le câblage des moteurs pàp, j’ai collé au double-face sur leur flan un petit boitier muni d’un passe-fil, dans lequel vient se loger une barrette de 4 dominos).

5 - L'électronique :

La CNC est pilotée par le presque incontournable Mach3, sur un PC dédié sous XP ; interfacage par port parallèle.

L’électronique de commande comporte une BoB basique (break-out board) qui fait l’interface entre le PC et les drivers ; les 4 drivers sont des classiques M542 alimentés sous 48V par une alimentation à découpage 12.5A. 
Les drivers sont programmés à 4 micro-steps pour une bonne fluidité des déplacements.

Le tout est installé dans un boitier bien ventilé (ventilateur 220V placé directement devant les radiateurs des drivers) ; il faut être très rigoureux sur le câblage, en particulier sur les blindages et masses, afin d’éviter tout couplage entre courant fort et courant faible, faute de quoi gare aux pertes de pas.

Quelques règles :
– transport des signaux faibles par paires torsadées,
– blindage chaque fois que possible, et en particulier pour tous les câbles entre boitier et machine.
– toutes les masses et blindages reliés en un seul point dans le boitier.
– ne pas faire se côtoyer courant fort et courant faible, l’idéal est que les câbles se croisent à angle droit.
– le blindage des câbles reliant boitier à machine ne sont reliés à la masse que du coté boitier (au corps du connecteur, en l’occurrence db9), le corps du connecteur correspondant sur le boitier étant directement ramené à la masse commune.
– l’alimentation des drivers se fait en étoile.

Je n’ai jamais constaté de perte de pas …

L'électronique de commande de la CNC
Test sur table
Câblage du boitier de commande de la CNC
Câblage
Le boitier de commande de la CNC
Le boitier refermé

6 - Assemblage final :

La CNC terminée
La machine opérationnelle

Pour le câblage de la machine, câbles blindés 4 conducteurs pour les moteurs, câbles blindés 2 conducteurs pour les fins de courses (1 seul par axe) ; j’ai opté pour des chemins de câble séparés, de façons à ce que courants forts (les moteurs, l’alimentation de la broche) et les courants faibles (les fins de courses) ne se côtoient qu’au minimum. Les chemins de câble reposent sur des cornières alu, qui les guident et qui protègent les 2 vis à bille latérales.

La broche est une kress 1050 FME-1, puissance 1050W, plage de vitesse 5000/25000 trs/mn ; il est difficile de trouver une broche qui tourne à la fois lentement (pour l’acier, ou l’alu  avec une fraise de diamètre supérieur à 6) et rapidement pour le plus tendre ; cette broche est un compromis acceptable ; un peu bruyante mais elle fait le job.

J’ai acheté le support de broche, car je n’étais pas encore équipé pour usiner de l’alu de 20. Un dernier réglage : l’axe de la broche doit être orthogonal à la table.

Un contact de fin de course réglable
Un fin de course réglable
Une seconde bride pour rigidifier la fixation de la broche
Une seconde bride pour la broche

Après un paramétrage sans difficulté de Mach3 (je n’ai pas poussé au maximum vitesse et accélération, juste ce sont j’ai besoin), la machine est directement opérationnelle, mes premiers fraisages dans de l’alu 2017, passes de 1 mm me ravissent ; par la suite, je me cantonnerai à des passes de 7/10 pour ménager un peu la broche.

Mes premiers usinages serviront à terminer la machine, 3 fins de course réglables (qui en fait ne me servent que rarement), et une seconde bride pour la broche, qui en rigidifiant bien l’ensemble chariot des Z-broche, améliorera significativement mes états de surface.

Au bout de 3 ans, je suis vraiment satisfait de cette CNC, utilisation régulière, essentiellement de l’alu, mais aussi de l’acier (j’ai par exemple usiné le chariot orientable de mon petit tour dans de l’acier demi-dur, des petits passes de 2 à 3/10, résultat nickel).

J’ai rajouté un petit dispositif de micro-pulvérisation dont je ne me sers que pour souffler de l’air, cela s’avère vite nécessaire, à la fois pour refroidir mais aussi pour dégager les copeaux qui s’accumule dans le fond des usinages. Je lubrifie manuellement au pinceau, le pétrole est parfait pour l’alu, huile de coupe pour l’acier.

Au bilan, il est d’une part possible de réaliser une cnc en profilé alu qui se “tient” honorablement dans l’usinage de l’alu, voir un peu l’acier, et d’autre part cette réalisation est accessible au néophyte qui ne dispose que d’un outillage électrique relativement standard (scie sauteuse, ponceuses, perceuse à colonne de GSB).

2 réflexions sur « Une CNC en profilés alu »

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