L'aluminium est un métal non ferreux couramment utilisé dans diverses industries à des fins différentes. Des pièces d’avion aux appareils électroniques grand public complexes, la polyvalence de l’aluminium est inégalée. Ses propriétés uniques et son adaptabilité en ont fait un choix de premier ordre en matière d'usinage CNC pour produire des composants légers, durables et de précision.
Mais qu’est-ce qui le rend si idéal pour l’usinage CNC ? Pour répondre à cette question, commençons par l’origine de l’aluminium et le rôle de ses alliages.
Introduction à l'aluminium et à ses alliages
L’aluminium est l’élément métallique le plus abondant dans la croûte terrestre. Selon l’Institut international de l’aluminium, la production annuelle mondiale d’aluminium primaire a atteint environ 67 millions de tonnes en 2023. Comme la plupart des autres métaux, l’aluminium existe dans la croûte terrestre sous forme de minerai, principalement sous forme de bauxite. Pour extraire l’aluminium à des fins industrielles, un processus en deux étapes est utilisé. Premièrement, le procédé Bayer est utilisé pour raffiner la bauxite en alumine (oxyde d'aluminium). Ensuite, l’alumine subit une électrolyse pour produire de l’aluminium pur.
L'aluminium pur (99 % ou plus) est léger, malléable, résistant à la plupart des formes de corrosion, non magnétique et excellent conducteur de chaleur et d'électricité. Cependant, il est trop faible pour la plupart des applications commerciales.
Pour surmonter cette limitation, l’aluminium est combiné à des éléments tels que le magnésium, le silicium, le zinc et le cuivre pour former des alliages. Ces alliages améliorent également davantage les propriétés naturelles de l’aluminium. De plus, en ajustant la composition des éléments d’alliage, les propriétés des alliages d’aluminium peuvent être adaptées pour répondre aux exigences spécifiques de différentes applications.
Avantages de l'utilisation de l'aluminium pour l'usinage CNC
Examinons ensuite en profondeur les principaux avantages de l’utilisation de l’aluminium pour l’usinage CNC.
Usinabilité
L'aluminium est l'un des métaux les plus faciles à usiner en raison de sa nature tendre et ductile. Les fabricants peuvent l’usiner trois, voire quatre fois plus rapidement que d’autres matériaux d’usinage courants tels que l’acier et le titane. Cela signifie moins de travail et de temps nécessaires, ce qui entraîne une baisse des coûts de production.
De plus, l’action de coupe douce de l’aluminium produit des copeaux propres et minimise les interférences pendant le processus de coupe. Cela facilite la production précise de géométries complexes et de tolérances serrées. Son faible risque de déformation pendant le traitement garantit une précision élevée, ce qui est particulièrement précieux pour les applications de précision dans des industries telles que l'aérospatiale et les dispositifs médicaux.
Rapport résistance/poids
L'aluminium a une densité environ un tiers de celle de l'acier mais offre une excellente résistance. Ce rapport résistance/poids élevé a conduit à son utilisation généralisée dans les industries du transport, notamment les automobiles, les trains, les avions et les bateaux. Alors que l’efficacité énergétique devient une priorité majeure, l’aluminium remplace de plus en plus les métaux plus lourds dans la construction des panneaux extérieurs et des structures internes, contribuant ainsi à réduire le poids sans sacrifier la durabilité ou la résistance.
Résistance à la corrosion
L'aluminium forme naturellement une couche d'oxyde protectrice lorsqu'il est exposé à l'air, contribuant ainsi à prévenir une corrosion accrue. Cette propriété inhérente évite le besoin de revêtements anticorrosion lourds et coûteux qui sont souvent requis par d'autres matériaux dans de nombreuses applications.
Il est important de noter que la résistance à la corrosion de l’aluminium varie considérablement selon les différentes qualités, ce qui dépend de leur capacité à résister à l’oxydation et aux dommages chimiques. Nous aborderons ce sujet plus en détail plus tard.
Conductivité électrique et thermique
L'aluminium est un matériau hautement conducteur, tant électriquement que thermiquement. Électriquement, sa conductivité est juste derrière le cuivre. C'est pourquoi l'aluminium est si populaire dans des applications telles que les câbles, la transmission de puissance et les appareils électroniques, en particulier lorsque des matériaux légers sont requis.
Sur le plan thermique, l’aluminium présente également de bonnes performances, avec environ 60 % de la conductivité thermique du cuivre. Cela permet d'éviter une accumulation excessive de chaleur lors de l'usinage CNC et est également utile dans des applications telles que les dissipateurs thermiques électroniques, les composants de moteurs automobiles et les systèmes de climatisation.
Performances à basses températures
Contrairement à certains matériaux qui deviennent cassants et perdent de leur résistance à basse température, l'aluminium conserve bien ses propriétés mécaniques dans des conditions inférieures à zéro. Cette propriété est essentielle dans l’industrie spatiale et le stockage de gaz liquéfiés pour des applications telles que les réservoirs et systèmes cryogéniques.
Potentiel d'anodisation
Les pièces usinées en aluminium sont particulièrement populaires dans l'électronique grand public, comme les smartphones, les ordinateurs portables, les tablettes et les téléviseurs à écran plat. Cela n’est pas seulement dû à leur résistance et à leur légèreté, mais également à leur attrait esthétique. L’aluminium a naturellement une surface argentée et élégante qui est très réceptive aux peintures et aux teintes. Plus important encore, l’aluminium est idéal pour l’anodisation, un processus qui épaissit la couche d’oxyde protectrice de la pièce.
L'Anodisation facilite également la coloration de l'aluminium usiné. La couche anodisée est très poreuse, permettant aux colorants de pénétrer et de se lier au métal. Comme la couleur est incrustée dans la couche d’oxyde résistante, elle est moins sujette à l’écaillage ou à l’écaillage, garantissant ainsi une finition durable.
Recyclabilité
L'aluminium est l'un des matériaux les plus recyclables au monde, avec un taux de recyclage supérieur à 75 % à l'échelle mondiale. Cette recyclabilité élevée signifie que les composants en aluminium usagés peuvent être fondus et réutilisés sans perte significative de qualité, réduisant ainsi les déchets et préservant les ressources naturelles. Dans l’usinage CNC, où de grandes quantités de copeaux et de déchets sont générés en raison de la nature soustractive du processus, la recyclabilité de l’aluminium est particulièrement avantageuse.
Quelles qualités d'aluminium sont utilisées dans l'usinage CNC ?
Comme mentionné précédemment, l’aluminium se décline en de nombreux types d’alliages différents. Les alliages d'aluminium sont généralement classés en qualités (séries) variées en fonction des principaux éléments d'alliage qu'ils contiennent, tels que le cuivre, le magnésium, le silicium ou le zinc. Cette section traite des alliages d'aluminium courants basés sur l'élément d'alliage principal.
Série
Élément d'alliage principal
Caractéristiques principales
Applications typiques
1000
99 % d'aluminium
Excellente conductivité électrique, forte résistance à la corrosion, excellente maniabilité, résistance relativement faible
Propriétés variées selon les éléments, usages spécialisés
Feuille d'aluminium, emballages pharmaceutiques, feuilles de batterie
Résumé des différences
Douceur vs résistance : Softer alloys (1000, 3000, 4000 series) are easier to machine but require careful chip management. Harder alloys (2000, 7000 series) demand slower speeds, rigid setups, and advanced tooling.
Résistance à la corrosion : The 5000 series alloys have excellent corrosion resistance, widely used in marine environments. The 7000 series and 2000 series alloys are more susceptible to corrosion and typically require additional protective coatings when exposed to harsh environments.
Applications spécialisées :The 4000 series is often used in niche applications that require a precise surface finish or specific properties for welding, cladding, or construction. The 8000 series is more commonly associated with packaging (like aluminum foil and coils) and electrical applications.
Versatilité:The 6000 series alloys are among the most versatile and widely used aluminum alloys due to their balance of strength, corrosion resistance, and machinability. These alloys are ideal for a wide variety of applications, from structural components to consumer goods.
Alliages d'aluminium populaires utilisés dans l'usinage CNC
Aluminium 6061 : It’s one of the most popular aluminum alloys due to its excellent balance of strength, machinability, and corrosion resistance. As a heat-treatable alloy, 6061 can be significantly strengthened through heat treatment, with the T6 temper being the most common for structural applications. It also has good workability and can be welded using most common methods such as TIG and MIG welding. While not as corrosion-resistant as 5000 series, 6061 still offers good to excellent corrosion resistance in many environments. Additionally, it takes anodizing very well, which can enhances both its corrosion resistance and aesthetic finish.
Aluminium 6063 : Unlike 6061, which is commonly used in structural applications like aerospace components, frames, and high-load-bearing parts, the strength of 6063 is lower. However, it still offers sufficient strength for applications such as window frames, doors, and furniture. It can be easily formed into complex shapes, such as profiles, tubes, and bars. Often referred to as "extrusion aluminum", which helps lower production costs and makes it more suitable for mass production. Additionally, 6063 is preferred over 6061 for anodizing.
Aluminium 7075 : 7075 is often considered one of the strongest aluminum alloys, with a tensile strength comparable to that of some steels. This strength can be further enhanced (approximately 83,000 psi) when heat-treated to the T6 condition. As a result, 7075 is commonly used in parts that require maximum strength while remaining lightweight, such as in aerospace, military vehicles, and weaponry. However, it has lower corrosion resistance compared to other alloys, and it is difficult to machine and poorly weldable.
Aluminium 2024 : Like 7075, 2024 is one of the highest-strength aluminum alloys available, but it generally performs better than 7075 in long-term fatigue testing. However, in high-stress applications where ultimate strength is more important than fatigue resistance, 7075 is often preferred due to its superior strength.
Aluminium 5052 : It's one of the most corrosion-resistant alloys in the aluminum family, even in extreme conditions like saltwater and chemical exposure. 5052 offers a good balance of strength and formability, with excellent weldability. It's a go-to alloy for applications that require emboutissage profondor flexion.
Choisir la bonne note
Le choix de la nuance d’aluminium dépend des exigences spécifiques de l’application :
Pour les applications générales, le 6061 est souvent le choix préféré en raison de ses propriétés équilibrées.
Pour les besoins de haute résistance, le 7075 ou le 2024 est mieux adapté.
Pour les environnements résistants à la corrosion, le 5052 ou le 6063 est idéal.
Processus courants d'usinage CNC en aluminium
Dans cette section, nous présenterons les méthodes d'usinage les plus courantes pour les alliages d'aluminium.
Fraisage CNC
Le Fraisage CNC est l'une des méthodes les plus courantes et les plus polyvalentes pour l'usinage de pièces en aluminium. Il utilise des outils de coupe rotatifs pour façonner le matériau de la pièce en aluminium. Avec l'introduction de systèmes de commande numérique par ordinateur (CNC), de changeurs d'outils automatiques et de carrousels d'outils, ces machines peuvent créer des géométries, des trous et des contours de surface complexes avec une plus grande précision et efficacité. Les fraiseuses CNC sont disponibles dans des configurations allant de 2 à 12 axes, avec 3 à 5 axes étant le plus couramment utilisé.
Tournage CNC
Le le tournage CNC est principalement utilisé pour la fabrication de pièces cylindriques ou coniques en aluminium, telles que des arbres, des bagues et des filetages. Au cours de ce processus, la pièce en aluminium tourne, tandis qu'un outil de coupe stationnaire enlève de la matière pour obtenir la forme souhaitée. Cette méthode permet une haute précision et un excellent état de surface dans un temps relativement court, ce qui la rend particulièrement adaptée à la production en grand volume. Les opérations typiques effectuées sur un tour CNC comprennent les tâches liées au tournage telles que le tournage cylindrique, le cône, le dressage et le filetage. Les tours CNC modernes peuvent également effectuer des opérations secondaires telles que le perçage, le rainurage et le taraudage, permettant une plus grande polyvalence.
Découpe Laser CNC
En utilisant un faisceau laser focalisé, les machines laser CNC brûlent ou vaporisent l'aluminium pour créer des bords nets et sans bavures avec une grande précision. Il convient à la production de conceptions complexes, d'angles vifs et de tolérances serrées, en particulier dans des applications telles que l'aérospatiale, l'électronique et les panneaux décoratifs. La découpe laser CNC offre une précision et une qualité de bord supérieures. Mais il est moins efficace pour couper des feuilles d’aluminium plus épaisses en raison de la déformation thermique et des vitesses de coupe plus lentes. Malgré cette limitation, la découpe laser reste un choix populaire pour les projets impliquant des composants en aluminium d'épaisseur fine à moyenne.
Découpe Plasma CNC
La découpe au plasma CNC utilise un arc plasma à haute vitesse, généré en chauffant de l'air comprimé à des températures extrêmement élevées, pour faire fondre de l'aluminium jusqu'à six pouces d'épaisseur. Une tête de torche contrôlée par ordinateur suit une trajectoire de coupe précise, tandis que l'air comprimé souffle le matériau en fusion pour une coupe nette. Cette méthode est rapide, économique et relativement simple à mettre en œuvre. Bien qu'elle soit moins précise que la découpe laser et puisse nécessiter une finition supplémentaire pour lisser les bords rugueux, la découpe plasma CNC reste un choix populaire dans des secteurs tels que la construction, la construction navale et l'industrie lourde.
Découpe au jet d'eau CNC
Contrairement à la découpe laser et plasma, la découpe jet d’eau ne génère pas de chaleur. Il s’agit d’un processus de découpe à froid utilisant un jet d’eau à haute pression mélangé à un matériau abrasif pour couper l’aluminium. Cette méthode préserve les propriétés de l’aluminium en évitant de brûler, de se déformer ou d’altérer sa structure. La découpe au jet d'eau peut traiter l'aluminium de n'importe quelle épaisseur avec une précision exceptionnelle et des bords lisses. Bien qu'il soit plus lent que le découpage au plasma, il est idéal pour les conceptions complexes et est couramment utilisé dans l'aérospatiale, l'automobile et la fabrication sur mesure, nécessitant un post-traitement minimal.
Principaux défis de l'usinage CNC de l'aluminium
Bien que l'aluminium soit très apprécié pour son usinabilité et sa polyvalence, certains défis peuvent survenir lors de l'usinage CNC. Vous trouverez ci-dessous quelques-uns des défis les plus courants rencontrés :
Contrôle des copeaux
L'aluminium a tendance à produire des copeaux longs et continus lors de l'usinage, en particulier avec les nuances plus tendres comme les séries 1000 et 3000. Ces longs copeaux peuvent s'emmêler, obstruer potentiellement l'outil de coupe et perturber le processus d'usinage, entraînant des inefficacités ou des défauts. Pour gérer cela, des fluides de refroidissement, des ventilateurs ou des systèmes de gestion des copeaux doivent être adoptés.
Bord bâti (BUE)
La malléabilité et la douceur de l’aluminium peuvent faire adhérer le matériau aux bords de l’outil de coupe, un phénomène connu sous le nom de bord accumulé (BUE). Cette accumulation réduit la durée de vie de l'outil, affecte l'état de surface et entraîne des imprécisions dimensionnelles. L'utilisation d'outils tranchants avec des revêtements appropriés, tels que le nitrure de titane (TiN), et l'application d'une lubrification appropriée peuvent minimiser ce problème.
Génération et dissipation de chaleur
Bien que les alliages d'aluminium aient une conductivité thermique élevée et dissipent efficacement la chaleur, des vitesses de coupe élevées et des charges de coupe lourdes peuvent empêcher la chaleur de se disperser rapidement à travers le matériau. Dans ces cas-là, l’utilisation d’un liquide de refroidissement et l’optimisation des vitesses de coupe et des avances peuvent contribuer à atténuer les effets négatifs de la dilatation thermique.
Défis de tenue de travail
Lors de l’usinage, la légèreté de l’aluminium peut parfois entraîner une instabilité de positionnement, en particulier avec des pièces à paroi mince ou plus longues sujettes à la déformation. Par conséquent, dans l'usinage CNC, une conception appropriée des fixations et des méthodes de maintien stables sont essentielles pour garantir la précision et éviter la distorsion des pièces.
Conclusion
Vous recherchez des pièces en aluminium CNC personnalisées ? Grâce à sa légèreté, sa résistance, sa fiabilité et sa rentabilité, l’aluminium est devenu l’un des matériaux les plus polyvalents pour la fabrication. Chez Chiggo, nous avons plus d'une décennie d'expérience dans le traitement de l'aluminium, qui représente environ 70 % des matériaux avec lesquels nous travaillons. Contactez-nous dès aujourd'hui pour commencer !
