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Modélisme/CNC

De Ordinoscope.net
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Introduction

Utiliser une CNC (Computerized Numerical Control - souvent traduite comme Commande Numérique en français - CN) est un rêve pour beaucoup de modélistes. Certains en paient une très cher, d'autres optent pour se la construire eux-mêmes. J'ai retenu cette dernière option pour deux raisons très simples, le prix et l'expérience.

La réalité diverge un peu de l'économie, surtout quand on avance à tâtonnement. La quincaillerie n'est pas bon marché, alors soyez prudent et ayez les idées claires. Les solutions commerciales utilisent du matériel de bien meilleure précision, plus cher, mais bien dont les prix sont devenus bien plus abordables depuis la popularisation de la CNC domestique. Ceci dit, l'expérience acquise d'avoir essayé par soi-même est non négligeable.

L'expérience mène toujours aux même conclusions, alors autant que vous le sachiez tout de suite:

  • les vibrations sont les pires ennemies - plus il y a de jeu, plus les fraises cassent
  • les petites fraiseuses (Dremel, Proxxon, etc) ne conviennent pas (la Proxxon suffit pour des circuits imprimés). Il faut une fraiseuse d'au moins 800W, pour maintenir un couple constant sur du contreplaqué de bouleau. Plus la fraiseuse est puissante, et plus la vitesse de coupe peut être réduite, ce qui améliore notablement la coupe
  • utiliser la bonne fraise par rapport au matériau fait toute la différence (les fraises chinoises bon marché vont bien mieux que celles de Dremel 10x plus chères)
  • n'utilisez pas de tiges filetées du commerce, elles ne conviennent pas (trop grossières). Utiliser des guidages et entraînements linéaires adaptés (faciles à trouver sur eBay), ou si vraiment vous voulez une tige filetée bon marché, allez regarder ici.
  • le matériel chinois est souvent critiqué (propagande, mauvaises expériences). Il convient toutefois très bien aux besoins d'un amateur, malgré ses défauts et erreurs de conception.

Les éléments d'une CNC

Le processus d'usinage est composé de:

Un ordinateur Nécessite un maximum de fluidité. Eviter d'utiliser une machine bourrée d'anti-machins et de softs divers.
Se veiller de savoir si la carte de commande se connecte en parallèle (courant, du moins sur de vieilles machines) ou en sériel ou USB (plus rare)
CAD CAD (Computer-aided design) / DAO (Dessin assisté par ordinateur)

Généralement un programme de dessin basé sur le format d'échange DXF (2D) ou STL (3D) pour la mécanique, ou Gerber pour les PCBs (circuits imprimés). Le nom le plus connu est certainement AutoCAD, mais il existe aujourd'hui de très nombreux logiciels équivalents pour les besoins d'une CNC. Si vous n'êtes pas encore fixé sur quel logiciel choisir, en voici quelques uns:

2D
DraftSight Windows MacOS Linux Gratuit clone d'AutoCad (version 2D)
QCad Windows MacOS Linux Open Source Software, Gratuit / Payant la version payante (~25€ pour un an de mises à jour) permet entre autres de joindre des polygones et d'appliquer des offsets
LibreCAD Windows MacOS Linux Gratuit fork de QCad, avec les mêmes options que la version payante, mais une philosophie de dessin un peu différente
3D
Autodesk Fusion 360 Windows MacOS Payant / Gratuit (sous conditions) un monstre du design 3D orienté pour les professionnels - une sorte de Inventor Lite - nécessite une machine puissante et orientée 3D
  • bien que Fusion 360 soit payant, Autodesk propose une licence gratuite pour les hobbyistes
  • de tous les programmes gratuits, Fusion est le seul à proposer un GUI paramétrique - c'est à dire que les cotes font partie intégrante du design et peuvent être modifiées à tout moment (un énorme avantage et gain de temps)
  • Fusion propose des plugins CAM pour CNC et imprimante 3D
  • permet l'export de couches en 2D (DXF/DWG)
Autodesk ThinkerCAD Mode Web Gratuit simple et efficace, mais nécessite d'être connecté à internet et reste toutefois très simpliste

Tinkercad n'a aucun moyen d'exporter un design vers un autre logiciel de dessin - STL ou OBJ seulement

Designspark Mechanical Windows Gratuit
HeeksCad Windows Linux Open Source Software Gratuit plutôt lourd et difficile d'utilisation
OpenSCAD Windows MacOS Linux Open Source Software Gratuit générateur de dessin depuis des scripts

Thingiverse propose des designs en OpenSCAD, avec l'option « customize » pour y introduire des paramètres personnalisés

PCB
Autodesk Eagle Windows MacOS Linux Gratuit conception de circuits imprimés, gratuit pour de petits projets - le plugin pcbgcode permet de ne générer des fichiers GCode pour le gravage et le perçage
CAM CAM (Computer Aided Manufacturing) / CAO (Conception assistée par ordinateur)

Permet de définir les découpes, typiquement si c'est un détourage intérieur, extérieur ou médian (gravure), la vitesse et profondeur de coupe, et les prioritée. Le résultat est généralement exporté en GCode, un langage courant pour les CNCs et imprimantes 3D. Il existe de nombreux programmes de CAM, allant du gratuit jusqu'à des sommes astronomiques. En voici quelques uns:

CNC
Cambam Windows Linux Payant super programme, très simple, très complet, vaut largement son prix

ceci dit, il évolue très lentement (dernière version: 2015)

Autodesk Fusion 360 Windows MacOS Payant / Gratuit (sous conditions) Fusion 360 contient des fonctionnalités de CAM
Pcbgcode Windows Linux Gratuit générateur de GCode depuis un PCB d'Eagle
Imprimante 3D
Autodesk Fusion 360 Windows MacOS Payant / Gratuit (sous conditions) Fusion 360 propose un plugin pour l'impression 3D
Cura Windows MacOS Linux Open Source Software Gratuit le slicer d'Ultimaker - peut aussi envoyer le GCode à la machine
Slic3r Windows MacOS Linux Open Source Software Gratuit le slicer fourni avec les Prusa
Craftware Windows MacOS Linux Gratuit
Simplify3D Windows MacOS Linux Payant (USD 150$) Excellent produit, vaut largement son prix
divers
123D Make Windows MacOS Gratuit
NC NC (Numerical control) / CN (Contrôle numérique)

Lit le GCode et l'expédie ligne par ligne au contrôleur

CNC
Grbl Arduino, Windows MacOS Linux Open Source Software Gratuit Grbl est un interpréteur de GCode basé sur un Arduino. Les commandes GCode sont envoyées en USB sur l'Arduino, ce qui évite tout problème de temps réel sur le PC. Grbl est déjà tout à fait utilisable, et, au fil des versions, devient un acteur incontournable de l'usinage grand public.
LinuxCNC Linux Open Source Software Gratuit distribution Linux dédiée à la CNC, gratuit, anciennement appelé EMC2
Mach2/3/4 Windows Payant software populaire sur Windows
Camotics Windows MacOS Linux Gratuit
Imprimante 3D 1
Astroprint Mode Web / Raspberry Pi Open Source Software Gratuit intègre Cura (cloud mesh) - nécessite une connexion à internet (basé Cloud), mais l'impression est autonome
Octoprint Mode Web / Raspberry Pi Open Source Software Gratuit intègre Cura (mais nécessite un profil difficile à générer)
Repetier Host Windows MacOS Linux Open Source Software Gratuit intègre Cura et Slic3r
Divers
Camotics Windows MacOS Linux Open Source Software Gratuit

1 Les imprimantes 3D intègrent généralement un contrôleur qui interprète le GCode. Quasiment tous les slicers permettent de contrôler l'imprimante en USB.

Un contrôleur Interface entre le PC et les moteurs. La plupart des contrôleurs fonctionnent sur un port parallèle, mais l'exploitation de ce port sur Windows pose de gros problèmes de timings. On trouve plusieurs convertisseurs USB, à ne pas confondre avec des convertisseurs USB-LPT qui ne sont pas compatibles, car ils ne répercutent pas toutes les sorties. Ces convertisseurs ne sont pas liés à un standard, et ne fonctionnent pas avec tous les interpréteurs.
Etage de puissance Alimente les moteurs - souvent inclus dans le contrôleur pour de petites puissances (≤ 2~3 ampères)
Des moteurs de guidage Moteurs pas-à-pas, ou servo-moteurs avec encodeur pour des grosses puissances
Un moteur d'usinage Souvent une Proxon, Kress, etc. Attention: les Dremel sont montées sur une gomme pour éviter les vibrations. Cette même gomme sera la cause de résonances si vous essayez d'utiliser une Dremel sur un CNC.
Le châssis Les guidages et les entraînements. Plus les matériaux usinés sont durs, et plus le châssis est source de vibrations. Une bonne mécanique, avec un minimum de jeu, est la garantie d'un résultat fiable et reproductible.

Projets

Pour commencer

Fraise à une dent, plastique
Fraise à 2 dents, bois
Fraise à métaux
Fraise à composite
Fraise de gravage

Si vous démarrez dans le monde de la CNC, vous allez encore apprendre bien des choses. Rassurez-vous, ce n'est pas si compliqué qu'il n'y paraît, à condition de choisir un bon assemblage.

Voici ce que je vous propose pour démarrer:

  • CAD
    • Fusion 360 - demande un peu d'apprentissage, mais au final Fusion est le meilleur outil gratuit actuel pour le design 2D / 3D
    • LibreCAD - simple, efficace, idéal pour un débutant
    • QCad - simple, efficace, idéal pour un débutant - la version Pro est plus adaptée à la CNC, car elle permet de lier les segments (nécessaire pour une CNC)
    • DraftSight - si vous connaissez bien AutoCad, vous serez certainement plus à l'aise sur DraftSight. Par contre, si vous ne connaissez pas les commandes au clavier par coeur, préparez-vous à de longues soirées de migraine.
  • CAM
    • CNC
      • Cambam - facile d'utilisation, gratuit pendant 30 jours
    • Imprimante 3D
      • Cura - très souvent fourni avec les imprimantes 3D - simple et efficace
      • Simplify3D - payant, mais un excellent invetissement - bien plus rapide à l'impression que Cura (meilleure optimisation) et résultats souvent mieux réussis
  • Interpréteur
    • LinuxCNC - simple d'installation et d'utilisation, mais nécessite une machine dédiée où on installe la distribution (éviter les portables !)
    • Grbl - nécessite de préparer un Arduino à cet effet (certaines machines semblent être livrées avec Grbl à présent)
  • Fraiseuse
    • Fraiseuse industrielle sur inverseur - la plupart des petites CNC chinoises proposent une fraiseuse de 800W (un peu faible - 1.5kW est mieux), qui font un excellent travail - excellent rapport qualité / prix
    • Kress - pour des usinages de bonne qualité
    • Proxxon - le modèle IBS/E convient pour des petits travaux sur des matériaux mous ou fins, tels que des PCBs

Evitez à tout prix d'utiliser une Dremel, qui ne donnera que de mauvais résultats. Vous êtes prévenu.

Les outils

Un autre point important est le choix de l'outil, en fonction du matériau (même les fraises chinoises sur eBay donnent d'excellents résultats):

  • fraise de supermarché (Dremel, Proxxon, etc) - vous pouvez les balancer à la poubelle, elles ne valent rien du tout
  • fraise à 1 dent (double hélicoïde) - plastiques (plexiglass, acrylique, PVC, etc)
  • fraise à 2 dents - bois
  • fraise à métaux (le nombre de dents peut varier)
  • fraise à matériaux composites - fibre de verre, carbone
  • fraise de gravage (demi-cône en V) - excellent pour graver des PCBs

Si vous choisissez la mauvaise fraise en fonction du matériau, les résultats seront de moyennement bons à catastrophiques. La découpe de plastique, par exemple, nécessite une fraise à 1 dent prévue à cet effet, sans quoi le plastique chauffe, les copeaux bouillants se recollent dans la tranchée et forment des toupies sur la fraise, laquelle finit par casser.

Une autre erreur est de confondre un forêt (appelé communément "mèche") et une fraise. Ca se ressemble, mais ça n'a rien à voir, si ce n'est l'apparence. Une fraise a un angle de coupe prévu pour circuler latéralement, alors que le forêt de peut avancer que verticalement. Les fraises fonctionnent aussi très bien verticalement, pour autant de ne pas avancer trop rapidement.

Recettes

Hardware

Software

Liens