Conception et fabrication d’une machine CNC :
Un projet mêlant conception mécanique, impression 3D et usinage
L'objectif était de construire une CNC suffisamment polyvalente pour me permettre de réaliser différents projets personnels, tout en maîtrisant sa conception, son fonctionnement et sa maintenance.
Plutôt que d'acheter une machine complète, j'ai choisi de concevoir et d'assembler moi-même la machine afin de mieux comprendre les différents éléments qui composent une CNC et de pouvoir plus facilement la modifier et l'améliorer par la suite.
La machine est une CNC 3 axes permettant de déplacer un outil suivant les axes X, Y et Z afin de réaliser des opérations d'usinage à partir d'un modèle numérique.
La conception a été réalisée en CAO afin de définir l'architecture générale de la machine, le positionnement des différents composants et les interfaces entre les pièces.
Principe général
La machine est construite autour d'un châssis en profilés d'aluminium sur lequel sont montés les différents systèmes de guidage et d'entraînement des axes.
L'architecture a été pensée pour rester relativement compacte tout en conservant une rigidité suffisante pour les usinages envisagés.
CAO du châssis
Pour la base de la machine, j'ai choisi une structure réalisée à partir de profilés en aluminium. Cette solution permet de faciliter le montage et les éventuelles modifications de la machine tout en conservant une bonne rigidité.
La conception du châssis a également été réalisée en tenant compte de la position des rails linéaires afin d'assurer un déplacement précis des différents axes.
Système poulie-courroie
Les différents axes utilisent des systèmes de guidage linéaire associés à des vis à billes pour transformer la rotation des moteurs en déplacement.
Afin de mieux intégrer les moteurs dans la structure et de gagner de la place, certains moteurs sont déportés à l'aide d'un système de poulie et de courroie.
Cette solution permet également d'adapter facilement la transmission entre le moteur et la vis à billes.
Impressions 3D
Plusieurs composants ont été conçus spécifiquement pour la machine afin de pouvoir positionner et fixer les différents éléments à l'endroit souhaité.
Ces pièces sont principalement fabriquées en ABS, choisi pour sa bonne résistance mécanique et sa meilleure résistance à la température par rapport à des matériaux comme le PLA.
L'impression 3D m'a permis de fabriquer rapidement des pièces adaptées aux dimensions réelles des composants et de modifier facilement leur conception lorsque cela était nécessaire.
Moteur d'affleureuse
Pour la broche, j'ai choisi d'utiliser un moteur d'affleureuse plutôt qu'une broche CNC dédiée. Ce choix permet de conserver un coût raisonnable tout en disposant d'un moteur suffisamment puissant pour les premiers matériaux envisagés.
L'utilisation d'une affleureuse permet également d'utiliser facilement des fraises courantes grâce à son système de serrage.
Plan coté du châssis
Une fois la conception terminée, j'ai réalisé les plans nécessaires à la fabrication et à l'assemblage des différents éléments de la CNC.
Les plans de définition permettent notamment de préciser les dimensions, les perçages et les différentes caractéristiques nécessaires à la fabrication des pièces. Les plans d'assemblage permettent quant à eux de vérifier le positionnement des composants et de faciliter le montage de la machine.
La réalisation de ces plans m'a également permis de vérifier certains détails de conception avant de passer à la fabrication.
Vous trouverez tous les plans que j'ai réalisés ici.
châssis aluminium
En suivant les dimensions définies lors de la conception, j'ai découpé les différents profilés en aluminium puis réalisé leur assemblage sur une surface plane.
Une attention particulière a été portée à l'équerrage du châssis. Pour le vérifier, j'ai notamment comparé les diagonales de la structure afin de m'assurer que celle-ci était correctement alignée.
Flasques en acier
Les deux flasques latéraux ont été découpés au laser dans de l'acier de 8 mm d'épaisseur.
Ils assurent notamment le maintien d'équerre des différents éléments mécaniques des axes et permettent de rigidifier la structure de la machine.
Après leur fabrication, ils ont été peints afin de protéger l'acier et d'obtenir une finition plus propre.
Pièces imprimées en 3D
Une partie des pièces spécifiques à la machine a été fabriquée par impression 3D.
Cette méthode de fabrication a notamment été utilisée pour réaliser des supports, des fixations et différents éléments permettant d'intégrer les composants électroniques et mécaniques.
CNC
Après la fabrication des différents éléments, j'ai assemblé les systèmes de guidage, les vis à billes et les moteurs pas à pas afin de constituer les trois axes de la machine.
Une attention particulière a été portée à l'alignement des différents éléments afin de limiter les frottements et les contraintes lors des déplacements.
Une fois les parties mécanique et électrique terminées, il a fallu configurer le contrôleur et le logiciel de pilotage de la machine.
Le contrôleur utilise un firmware grblHAL et la machine est pilotée depuis le logiciel OpenBuilds CONTROL. J'ai notamment modifié certains paramètres de configuration afin d'adapter le fonctionnement du contrôleur à la machine.
La mise en service de la CNC ne s'est pas faite immédiatement. Plusieurs problèmes sont apparus lors des premiers essais, notamment concernant la calibration des axes, de la commande de la broche et de la communication avec l'ordinateur.
arrêt d'usinage
Lors des premiers usinages dans l'aluminium, les moteurs pas à pas s'arrêtaient simultanément au bout d'un certain temps. Après vérification, l'alimentation 36 V d'origine s'est révélée instable. Son remplacement par une alimentation 36 V / 500 W a permis de résoudre le problème.
Mauvais usinage sur aluminium
Une fois la machine fiabilisée, les essais dans l'aluminium ont révélé des paramètres de coupe trop importants. L'avance, la profondeur de passe et l'engagement ont donc été adaptés progressivement afin d'obtenir un usinage correct.
Usinage sur bois
Après les différentes étapes de conception, fabrication, assemblage et mise au point, la CNC est désormais fonctionnelle et peut être utilisée pour réaliser différents projets personnels.
Ce projet m'a permis de travailler sur l'ensemble de la chaîne de fabrication numérique, depuis la conception en CAO jusqu'à l'usinage, en passant par la fabrication, l'assemblage et la configuration de la machine.
Il m'a également permis d'approfondir mes compétences en conception mécanique, fabrication, impression 3D et commande numérique, tout en développant ma capacité à identifier et résoudre les problèmes rencontrés lors de la mise au point d'un système complet.
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