Fabrication additive ou soustractive : Une comparaison complète

Introduction

Dans la fabrication actuelle, des conceptions complexes sont transformées en objets tangibles grâce à l'utilisation de divers matériaux et procédés. Les deux techniques les plus courantes sont la fabrication additive et la fabrication soustractive. Bien sûr, vous n'utilisez peut-être pas ces deux termes dans votre conversation quotidienne, mais je suis sûr que vous connaissez les processus liés à ces termes : l'impression 3D, la découpe au laser, la découpe au plasma et la commande numérique par ordinateur relèvent tous de l'un de ces deux termes.

Bien que les deux méthodes soient conçues pour produire le produit final, le mécanisme de fonctionnement est tout à fait opposé. Cet article compare la fabrication additive et la fabrication soustractive du point de vue de leurs différences, de leurs utilisations dans l'industrie et de la manière de choisir entre les deux.

Qu'est-ce que la fabrication additive ?

L'AM ou l'impression 3D est un processus de création d'objets par couches en déposant des matériaux sur la surface de l'objet. Cette méthode commence généralement par un modèle numérique, qui peut être réalisé à l'aide d'une conception assistée par ordinateur (CAO). Le modèle CAO est ensuite divisé en plusieurs couches minces sous la forme de couches transversales. La machine de fabrication additive utilise ensuite ces plans numériques et dépose des couches successives de matériau ou les solidifie couche par couche en fonction des couches transversales de l'objet à produire, et construit l'objet final avec des géométries complexes.

La fabrication additive englobe une variété de technologies, telles que :

• Modélisation par dépôt en fusion (FDM)
• Stéréolithographie (SLA)
• Frittage sélectif par laser (SLS)
• Le frittage direct de métaux par laser (DMLS),
• Jets de liant (BJ)
• Dépôt d'énergie dirigée (DED)
• Laminage de feuilles (SL)
• Fabrication d'objets stratifiés (LOM)
• Lamination par dépôt sélectif (SDL)
• Traitement numérique de la lumière (DLP)
• Production continue d'interface liquide (CLIP)

Toutes ces techniques utilisent des méthodes différentes pour déposer des matériaux et les solidifier, mais le concept d'ajout couche par couche est le même. La fabrication additive permet de produire des structures complexes directement à partir de la conception sans utiliser d'outils ni de moules, ce qui a ouvert de nouvelles perspectives en matière de conception et de production, en particulier pour les petites pièces.

Qu'est-ce que la fabrication soustractive ?

La fabrication soustractive (SM) est un processus de fabrication conventionnel qui consiste à retirer progressivement de la matière d'un bloc solide ou d'une pièce afin d'obtenir la forme souhaitée. Cette opération s'effectue normalement par le biais de divers processus d'usinage. La fabrication soustractive est aussi généralement basée sur un modèle numérique, qui est converti en instructions pour les machines commandées par ordinateur, telles que les fraiseuses et les tours CNC. Ces machines utilisent des outils de coupe pour découper le matériau de la pièce jusqu'à l'obtention du produit final.

Les techniques de fabrication soustractive les plus courantes sont les suivantes :

• Fraisage
• Tournage
• Forage
• Broyage
• Découpage
• Usinage par décharge électrique (EDM)
• Découpe au jet d'eau
• Découpe au laser
• Découpage plasma

Il s'agit d'une méthode bien établie et largement utilisée pour produire des pièces d'une grande précision et d'une bonne finition lisse dans une large gamme de matériaux.

Différences essentielles : Fabrication additive et soustractive

Bien que les deux processus partent de matières premières ou de plans numériques et visent à produire des pièces finies, la fabrication additive et la fabrication soustractive diffèrent grandement dans leurs méthodes de fabrication et leurs caractéristiques. Il est important de connaître ces différences pour choisir la bonne approche pour une application particulière.

Déchets de matériaux

La fabrication soustractive commence avec une grande pièce de matériau et le processus de coupe et d'enlèvement de matériau pour obtenir la forme souhaitée du produit signifie qu'une grande quantité de matériau est gaspillée sous forme de copeaux, de chutes ou de chutes. Bien qu'une partie de ces déchets puisse être recyclée, cela signifie que dans de nombreux cas, les matières premières sont utilisées de manière moins efficace.

D'autre part, la fabrication additive est relativement moins gourmande en matériaux dans le processus de fabrication. Étant donné que le matériau n'est ajouté que là où il est nécessaire, le gaspillage de matériau est également moindre dans cette méthode. Cela donne souvent l'impression qu'il s'agit d'un processus plus respectueux de l'environnement et, bien que cela puisse être vrai, il est nécessaire d'examiner les détails de chaque processus pour déterminer s'il est le meilleur pour l'application.

Sélection des matériaux

La fabrication soustractive offre généralement une gamme plus large d'options de matériaux que la fabrication additive. Presque tous les matériaux usinables, y compris les divers métaux (acier, aluminium, acier inoxydable, cuivre, laiton, etc.), les plastiques, le bois, les composites et les céramiques, peuvent être traités à l'aide des méthodes traditionnelles de fabrication soustractive, y compris les techniques de découpe par faisceau laser.

Bien que la fabrication additive élargisse régulièrement son champ d'application, elle reste assez limitée en termes de gamme de matériaux pouvant être utilisés efficacement. Le choix des matériaux pour des procédés spécifiques de fabrication additive peut être limité et certains d'entre eux peuvent nécessiter des équipements ou des conditions de traitement particuliers. Cependant, la fabrication additive est particulièrement utile pour fabriquer des pièces avec différents matériaux en une seule fois, ce qui n'est pas toujours possible avec les méthodes conventionnelles d'enlèvement de matière.

Complexité de la conception des produits

La fabrication additive excelle lorsqu'il s'agit de créer des formes complexes et compliquées qui ne peuvent pas être créées par les méthodes traditionnelles d'enlèvement de matière. Les géométries complexes telles que les treillis internes, les courbes complexes et les détails fins peuvent être facilement fabriquées par des processus additifs sans nécessiter d'outils spéciaux ou d'installations multiples.

La fabrication soustractive est une méthode très précise de fabrication de pièces, mais elle présente l'inconvénient de la portée des outils de coupe et de la fixation. Les caractéristiques internes ou les contre-dépouilles complexes peuvent nécessiter plusieurs outils et une mise en place, ce qui rend le processus plus long et plus coûteux.

Volume de production

La fabrication soustractive est généralement plus productive et plus économique pour la production en masse de composants de forme simple dans divers ateliers d'usinage. Une fois l'outillage et le réglage effectués, le temps nécessaire à la production de chaque pièce est inférieur à celui de la fabrication additive.

La fabrication additive convient mieux à la production de faibles volumes, au prototypage et à la production de pièces uniques pour lesquelles le coût d'installation de la fabrication soustractive serait très élevé. Toutefois, les améliorations apportées à la technologie de la fabrication additive la rendent également possible pour la production de volumes moyens.

Vitesse de fabrication

La vitesse à laquelle les techniques additives et soustractives peuvent être produites peut être grandement influencée par la complexité de la pièce et le nombre de pièces à produire. Dans le cas des prototypes et des petites séries de pièces complexes, la fabrication additive peut être plus rapide car elle ne nécessite pas d'outillage ni de réglages complexes.

Toutefois, pour de grandes quantités de composants relativement peu complexes, les processus bien développés et efficaces de la fabrication soustractive permettent de réduire considérablement le temps de production total.

Le temps de fabrication dans la fabrication additive dépend de la taille et de la complexité de la pièce puisque chaque couche doit être déposée et solidifiée. Dans la fabrication soustractive, le temps d'usinage est fonction de la quantité de matière à découper et du type d'opérations à effectuer.

Précision et tolérance

La fabrication soustractive, en particulier les processus d'usinage de précision, est capable de fournir des niveaux élevés de précision et de faibles tolérances. Les machines à commande numérique peuvent se déplacer et couper avec une grande précision, ce qui permet de produire des pièces avec des tolérances de quelques micromètres.

La fabrication additive, tout en améliorant la précision, a généralement des tolérances plus larges que les méthodes soustractives. La précision des pièces produites par la fabrication additive dépend du type de matériau utilisé, du type de technologie utilisé dans le processus de fabrication et des réglages de la machine.

Dans les cas où les dimensions du produit doivent être très précises et les tolérances très faibles, la fabrication soustractive est la plus appropriée.

Finition de la surface

Les procédés de fabrication soustractive, tels que l'usinage et la rectification, peuvent produire des surfaces très lisses et de grande qualité. Ces outils de coupe peuvent générer des surfaces à faible rugosité, ce qui signifie qu'une opération de finition ultérieure peut ne pas être nécessaire.

Les pièces fabriquées par AM sont normalement construites en couches et leur finition de surface n'est donc pas aussi lisse que celle des pièces fabriquées par le processus de fabrication soustractive. Bien que des techniques telles que le ponçage, le polissage et le revêtement puissent être appliquées pour améliorer l'état de surface des pièces fabriquées de manière additive, ces processus supplémentaires augmentent le temps et le coût de production.

Dans certains cas, lorsque la finition de la surface est un facteur important, il est plus approprié d'utiliser la fabrication soustractive.

Fabrication additive et soustractive : Applications industrielles

La fabrication additive et la fabrication soustractive ont toutes deux trouvé des applications très répandues dans diverses industries, chacune tirant parti des atouts uniques des processus respectifs.

Applications de la fabrication additive

La fabrication additive a révolutionné plusieurs industries grâce à sa capacité à créer des pièces complexes et personnalisées. Les principales applications industrielles sont les suivantes :

Aérospatiale

Les applications aérospatiales telles que la fabrication de structures légères pour les avions et les navettes spatiales, le prototypage et l'outillage. La capacité de l'AM à produire des structures complexes avec un minimum de matériaux est essentielle pour réduire le poids et améliorer l'économie de carburant dans les applications aérospatiales. Elle permet également des cycles rapides dans les phases de conception et d'essai du processus de développement.

Médical

Création d'implants, de prothèses, de restaurations dentaires ou même de guides chirurgicaux adaptés à chaque patient. Avec l'AM, le niveau de personnalisation atteint des niveaux étonnants qui permettent d'obtenir des dispositifs médicaux bien adaptés et donc plus efficaces pour les patients. La technologie permet également de développer des tissus poreux et à structure interne complexe qui favorisent la croissance de matériaux bénéfiques.

Automobile

Prototypage rapide, outillage, fabrication de produits et d'éléments spéciaux, pièces de rechange. La GA permet le prototypage rapide et la création de modèles complexes sans qu'il soit nécessaire de recourir à des moules et à des matrices coûteux. Elle permet également de fabriquer de petites quantités de composants spécialisés et de pièces de rechange en cas de besoin, réduisant ainsi les dépenses liées aux stocks.

Architecture

Production de modèles et de prototypes architecturaux détaillés. La GA peut aider les architectes à produire des modèles physiques plus précis et plus détaillés de leurs projets, ce qui les aidera à expliquer leurs idées et à visualiser les structures qu'ils vont construire.

Applications de la fabrication soustractive

La fabrication soustractive est encore largement utilisée dans de nombreuses industries parce qu'elle permet une grande précision, une bonne finition de surface et un faible coût pour la production à grande échelle. Les principales applications industrielles sont les suivantes

Automobile

La fabrication soustractive est largement utilisée dans l'industrie automobile pour créer un grand nombre de pièces essentielles. Il s'agit notamment de pièces de moteur telles que les culasses et les blocs-moteurs, ainsi que de pièces de châssis et de suspension qui doivent être très précises et résistantes. La fabrication soustractive est idéale pour la production de masse, car elle permet de fournir de grandes quantités de produits uniformes en termes de qualité et de performance, afin de répondre aux besoins de l'industrie automobile pour des millions de véhicules.

Aérospatiale

La fabrication soustractive est largement utilisée dans l'industrie aérospatiale pour produire des pièces structurelles complexes et très résistantes pour les avions et les véhicules spatiaux. Les composants tels que l'aluminium, le titane et d'autres alliages spécifiques sont découpés et façonnés selon les spécifications nécessaires en termes de poids et de résistance. Ces méthodes permettent d'obtenir la précision requise des détails et la qualité du matériau, ce qui est crucial pour la sécurité des véhicules aérospatiaux utilisés dans des conditions difficiles.

Électronique

La fabrication soustractive est également largement utilisée dans la fabrication d'appareils électroniques, en particulier dans la fabrication de boîtiers et d'enceintes pour différents gadgets et équipements. L'usinage et le fraisage sont utilisés pour couper et former les métaux et les plastiques afin qu'ils s'adaptent aux contours du boîtier, protègent les parties internes et améliorent l'apparence. Les procédés soustractifs sont également utilisés pour la formation de dissipateurs thermiques et d'autres pièces présentant certaines caractéristiques thermiques et électriques.

Médical

La fabrication soustractive est largement utilisée dans le domaine médical pour la production de divers dispositifs et instruments médicaux qui nécessitent une grande précision et utilisent souvent des matériaux biocompatibles. Il peut s'agir d'instruments chirurgicaux, d'implants orthopédiques ou de pièces d'équipement de diagnostic. Des caractéristiques délicates, ainsi que des finitions de surface lisses, sont essentielles pour la sécurité et l'efficacité des dispositifs médicaux utilisés pour aider les patients, et ces caractéristiques sont obtenues par l'usinage et le meulage.

Comment choisir entre la fabrication additive et la fabrication soustractive ?

Le choix entre la fabrication additive et la fabrication soustractive dépend de plusieurs facteurs propres à l'application et aux besoins de fabrication. Voici quelques-uns des facteurs à prendre en considération lors de la prise de décision :

Type de matériau

Le type de matériau choisi peut parfois être un facteur décisif. Si vous avez affaire à des matériaux tels que certains aciers, métaux ou alliages d'aluminium, les procédés de fabrication soustractive sont plus efficaces.

Toutefois, si la conception permet d'utiliser des matériaux plus faciles à traiter ou plus performants grâce à l'AM, tels que les thermoplastiques, l'AM présente alors un avantage certain, tant au niveau du processus de fabrication qu'au niveau de l'application finale.

Volume de production

Dans le cas d'un faible volume de production, en particulier lorsqu'il s'agit de pièces complexes ou de petites séries, l'AM peut s'avérer plus économique en raison des faibles coûts d'outillage et de la capacité à créer des formes complexes sans nécessiter d'outils supplémentaires.

Toutefois, lorsque les volumes de production augmentent, le coût par pièce de la fabrication soustractive devient plus favorable, en particulier pour les géométries complexes. Les méthodes soustractives sont généralement préférées pour les gros volumes de production, car une fois l'outillage mis en place, le processus est plus rapide.

Durabilité

D'autres facteurs peuvent être pris en considération, notamment les facteurs de durabilité. L'un des avantages de la fabrication additive est qu'elle peut contribuer à minimiser le gaspillage de matériaux dans certains cas. Toutefois, la consommation d'énergie et la recyclabilité des matériaux utilisés dans la fabrication additive doivent également être prises en compte.

La fabrication soustractive génère des déchets, mais dans la plupart des cas, ces déchets (en particulier les métaux) peuvent être réutilisés. Il est possible qu'une analyse du cycle de vie soit nécessaire pour décider quelle option est la plus durable pour une application donnée.

Précision et tolérances

Si l'application exige une grande précision et de faibles tolérances, la fabrication soustractive, en particulier l'usinage de précision, est la méthode la plus appropriée.

Bien que la précision de la fabrication additive augmente, elle n'est pas encore aussi précise que la fabrication soustractive pour les applications à tolérance critique.

Exigences en matière de résistance et de durabilité

Les propriétés mécaniques des pièces fabriquées par la fabrication additive et soustractive sont différentes en termes de résistance et de durabilité en fonction du matériau et du processus utilisé.

La fabrication soustractive, en particulier lorsqu'il s'agit de métaux corroyés, permet de produire des pièces très résistantes et durables grâce à l'écoulement continu du grain du matériau.

Les pièces obtenues par AM peuvent avoir des propriétés anisotropes ou une résistance globale plus faible en fonction de la technologie et du matériau utilisés dans le processus et peuvent être plus faibles que les pièces produites par fabrication soustractive.

Toutefois, pour les applications porteuses ou soumises à de fortes contraintes, il est plus sûr d'utiliser des matériaux traditionnels par le biais du processus de fabrication soustractive.

Conception des pièces

La complexité de la conception des pièces a une grande importance. Par rapport aux méthodes soustractives, la fabrication additive est capable de produire des géométries complexes, des réseaux internes et des courbes complexes que les méthodes soustractives sont parfois impossibles ou extrêmement difficiles à créer.

Toutefois, si la conception n'est pas très complexe et qu'elle peut être réalisée en découpant un matériau dans un bloc, il est plus avantageux d'utiliser la fabrication soustractive.

Délai d'exécution

La plupart des procédés de fabrication additive ne nécessitant pas d'outillage, les prototypes rapides et les petites séries peuvent souvent être réalisés en une fraction du temps. Bien que cela soit vrai, pour la fabrication de gros volumes, le processus de fabrication soustractive, associé à une grande efficacité des processus, tend à produire de meilleurs délais une fois que la configuration initiale est terminée.

Coût

Enfin, le coût est un facteur très important qui ne peut être négligé. Les coûts des matériaux, de l'équipement, de la main-d'œuvre et du post-traitement doivent être comparés entre les processus de fabrication additive et soustractive. La méthode de fabrication la plus rentable dépend de l'application, du nombre de pièces à produire et de la complexité de la pièce.

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Conclusion

La fabrication additive et la fabrication soustractive sont deux méthodes de fabrication différentes mais importantes dans le monde contemporain. Elles présentent toutes des avantages et des inconvénients et sont utilisées dans différents domaines en fonction de la tâche à accomplir. Le choix entre ces deux méthodes dépend de l'évaluation des besoins du projet en question.

Il est clair que les technologies de fabrication additive et soustractive resteront pertinentes à l'avenir, à mesure que les technologies de fabrication progresseront. Il est donc important de comprendre les différences entre elles et les facteurs qui déterminent leur choix afin de faire les bons choix et d'améliorer le processus de fabrication de n'importe quel projet.

FAQS

Q : La fabrication additive est-elle plus respectueuse de l'environnement que la fabrication soustractive ?

A : La fabrication additive réduit généralement les déchets de matériaux, mais elle consomme plus d'énergie. En revanche, la fabrication soustractive peut produire plus de déchets, mais elle utilise des processus de fabrication traditionnels.

Q : Quelle méthode de fabrication est la plus adaptée au prototypage rapide ?

A : La fabrication additive est généralement plus adaptée au prototypage rapide car elle permet des itérations de conception flexibles et une production rapide de prototypes. Elle permet également de développer des formes géométriques complexes qui ne peuvent pas être produites à l'aide des techniques de production conventionnelles.

Q : La fabrication soustractive peut-elle traiter des matériaux durs ?

A : Oui, la fabrication soustractive est particulièrement adaptée au traitement des matériaux durs, tels que les alliages de titane, l'acier trempé et l'acier inoxydable, qui sont moins susceptibles d'endommager les outils de coupe lors de l'usinage.