Fabrication additive vs soustractive

La fabrication additive est un processus qui consiste à construire des pièces à partir de la base en ajoutant des couches successives pour fabriquer un produit. L'impression 3D est la technologie la plus associée à la fabrication additive. La fabrication soustractive consiste à enlever de la matière pour fabriquer une pièce. Ce processus utilise traditionnellement l'usinage par commande numérique par ordinateur (CNC).

Les deux technologies peuvent utiliser des modèles de logiciels de conception assistée par ordinateur (CAO) pour fabriquer des produits. Ces technologies de fabrication ont eu un impact considérable sur les prototypes et la production et continuent à faire des progrès.

Cet article traite de la fabrication additive et de la fabrication soustractive, de leurs différences, des coûts, des applications et du processus hybride.

Les différences entre la fabrication additive et la fabrication soustractive sont importantes. La fabrication additive, souvent appelée impression 3D, consiste à ajouter des couches successives de matériau pour créer un objet. La fabrication soustractive enlève de la matière pour créer un objet.

Fabrication additive

Les deux technologies utilisent des dessins CAO pour créer des pièces ; la fabrication additive fait fondre ou fusionner des poudres ou durcir des matériaux polymères liquides pour former des pièces sur la base des dessins CAO. Les procédés additifs sont plus lents à fabriquer, et plusieurs technologies nécessitent des méthodes de post-fabrication pour durcir, nettoyer ou finir le produit. La finition de la surface n'est pas aussi lisse que celle de la fabrication soustractive, et les tolérances ne sont pas aussi précises. Ces procédés sont idéaux pour les pièces légères, l'efficacité des matériaux, le prototypage rapide et la fabrication en petites et moyennes séries.

Les géométries complexes, y compris l'impression de joints articulés avec la fabrication additive, sont disponibles. Les géométries sont plus complexes, et la mise en place est rapide et facile, aucun opérateur n'étant nécessaire pendant le processus d'impression. Les matériaux les plus courants utilisés dans la fabrication additive sont les plastiques et les métaux. Le coût de l'équipement est inférieur à celui de la fabrication soustractive, et différentes couleurs de matériaux sont disponibles pour la plupart des opérations d'impression 3D.

Les technologies additives comprennent :

• Le jet de liant - Ce procédé utilise des liants liquides déposés de manière sélective pour assembler des matériaux en poudre. Les matériaux utilisés sont le métal, le plastique, la céramique et le sable.
• Directed Energy Deposition (DED) - Le procédé DED utilise une énergie thermique focalisée pour fusionner les matériaux lors de leur dépôt. Les matériaux comprennent les fils et les poudres.
• Extrusion de matériaux - L'extrusion distribue sélectivement des matériaux en couches à travers une buse ou un orifice. Les matériaux utilisés sont les plastiques, les nylons, le FDM, le FF et le sable.
• Jet de matière - Des gouttelettes sont déposées sélectivement pour former des produits. Les matériaux comprennent les photopolymères, la cire, le sable et les matériaux de poly-jetting.
• Fusion de lit de poudre : l'énergie thermique fusionne sélectivement des régions d'un support de poudre. Les matériaux utilisés sont les métaux, les polymères et les fibres.
• Laminage de feuilles - Des feuilles de matériau sont collées pour former un objet. Les matériaux utilisés sont le métal, le papier, le bois et les plastiques.
• Photopolymérisation en cuve - Un photopolymère pré-déposé est sélectivement durci par réticulation activée par la lumière de chaînes polymères adjacentes. Les matériaux comprennent les photopolymères.

Fabrication soustractive

La fabrication soustractive consiste à enlever de la matière par tournage, fraisage, perçage, meulage, découpe et alésage. Le matériau est généralement constitué de métaux ou de plastiques, et le produit final présente une finition lisse avec des tolérances dimensionnelles serrées. Une grande variété de matériaux est disponible. Les changements sont plus longs, mais les changeurs d'outils automatiques permettent de réduire les délais fastidieux. Les processus peuvent être entièrement automatisés, mais un préposé peut superviser deux machines ou plus.

Les coûts d'équipement sont plus élevés et nécessitent généralement des gabarits, des montages et de l'outillage supplémentaires. Ce type de production est le mieux adapté à une production de grande envergure, avec des temps de fabrication raisonnablement rapides mais des changements de production longs. Les équipements de manutention aident les deux procédés à charger et à enlever les matériaux. Les géométries ne sont pas aussi complexes que celles des procédés de fabrication additive.

Les technologies de fabrication soustractive comprennent :

• L'abrasion - Ce procédé de fabrication utilise la friction pour user la surface du matériau en meulant et en polissant les produits.
• Centres d'usinage CNC - Processus de fabrication informatisé permettant de contrôler des machines complexes par le biais d'un logiciel préprogrammé afin de réguler l'équipement d'usinage pour couper et façonner les pièces. Cet équipement comprend le fraisage, le tournage, le perçage, l'alésage, les meules et les centres d'usinage CNC à 5 axes.
• Usinage par électroérosion (EDM) - Également connu sous le nom d'"usinage par étincelles", de "brûlage de fil" ou d'"érosion par fil", l'EDM est un procédé d'usinage non traditionnel qui utilise des décharges électriques allant de 80 °C à 12 000 °C pour enlever la matière d'une pièce placée dans un liquide diélectrique. 
• Découpe au laser - Cette méthode de fabrication utilise un laser à gaz, souvent du CO2, pour l'énergie. Le faisceau laser est guidé par des miroirs et dirigé vers la pièce pour enlever le matériau. La puissance du faisceau laser est comprise entre 1 500 et 2 600 watts.
• Découpe au jet d'eau - La découpe au jet d'eau est un processus d'érosion accélérée utilisant un jet d'eau à haute pression. Cette méthode CNC de découpe d'objets utilise l'énergie de l'eau à ultra-haute pression qui devient hypersonique à des vitesses allant jusqu'à 2 500 mph (Mach 3).

Les matériaux utilisés dans les procédés de fabrication soustractive comprennent les métaux durs, les métaux mous, les plastiques thermodurcissables, l'acrylique, le bois, les plastiques, la mousse, les composites, le verre et la pierre.

	Fabrication additive	Fabrication soustractive
Procédé :	Construit un objet en ajoutant des couches de matériau.	Enlève du matériau d'une pièce ou d'un matériau plus grand pour créer un objet.
Équipement :	Ce processus comprend la fabrication numérique, l'impression 3D et la fabrication additive, comme le jet de liant, la fusion sur lit de poudre, le laminage de feuilles, le dépôt d'énergie dirigée, l'extrusion de matériaux et le jet de matériaux.	Ce procédé comprend l'usinage traditionnel, l'usinage CNC, la découpe au laser, l'électroérosion, l'abrasion, la découpe au plasma et la découpe au jet d'eau. Ces procédés comprennent le tournage, le fraisage, le perçage, le meulage, la découpe et l'alésage.
Production :	Convient aux prototypes et à la production en petites séries.	Convient mieux à la production de masse
Coûts de l'équipement :	Imprimantes de bureau professionnelles : 3 500 $ et plus Imprimantes industrielles : 100 000 $ à 400 000 $ et plus	Fraiseuses et tours de qualité amateur : 2 000 $ et plus Centre d'usinage CNC d'entrée de gamme : 60 000 $ et plus Centres d'usinage industriels à 5 axes : 500 000 $ et plus
Précision :	Tolérance aussi petite que 0,004″.	Tolérance aussi petite que 0.001″
Exigences en matière de superficie	Les imprimantes de bureau peuvent fonctionner dans la plupart des bureaux ou ateliers. Les imprimantes industrielles nécessitent souvent une grande empreinte au sol sur le lieu de fabrication. Un environnement contrôlé est souvent nécessaire.	Les petites machines fonctionnent souvent dans des garages et des ateliers. Les machines industrielles nécessitent une grande surface d'implantation dans l'atelier de fabrication.
Équipement supplémentaire :	Des systèmes de post-traitement pour le séchage, la finition et le nettoyage sont nécessaires avec certaines imprimantes. Les applications industrielles peuvent être équipées de systèmes de manutention.	Divers outillages, dispositifs de fixation, systèmes de robotique et de manutention peuvent être nécessaires. Des systèmes de refroidissement, des changeurs d'outils et l'élimination des déchets sont également nécessaires.
Complexité :	Des conceptions extrêmement complexes sont réalisables, y compris des pièces articulées.	Idéal pour les pièces de géométrie intermédiaire.
Coût :	Généralement, plus cher que la fabrication soustractive, bien que le prototypage plastique soit beaucoup plus rapide.	Moins coûteux pour la fabrication métallique.
Matériaux :	Principalement des matériaux plastiques. Les autres matériaux comprennent les métaux, les céramiques, les plâtres, le graphite, la fibre de carbone, le nitinol, les polymères et le papier.	Les matériaux comprennent les métaux durs, les métaux mous, les plastiques thermodurcis, l'acrylique, le bois, les plastiques, la mousse, les composites, le verre et la pierre.
Propriétés	Les plastiques thermodurcis présentent une faiblesse structurelle potentielle au niveau des couches.	Les métaux ont une structure solide et une excellente résistance à la chaleur.
Mise en place	Peu ou pas de mise en place nécessaire.	La mise en route est souvent importante mais peut augmenter la vitesse avec les changeurs d'outils automatiques.
Vitesse :	Les procédés d'impression sont plus lents que l'usinage, mais ils sont plus rapides avec les thermodurcissables qu'avec les matériaux métalliques. Il est préféré pour le prototypage et la production en petites séries.	C'est un procédé relativement rapide. Il est préférable pour les grandes productions en raison du temps de préparation important.
Finition de la surface	La surface peut être légèrement rugueuse selon le matériau et la vitesse d'impression.	La finition est lisse. Une variété de finitions est disponible pour l'usinage.
Formation :	Les imprimantes de bureau sont rapides à mettre en place, mais la programmation demande un certain temps. Les imprimantes industrielles nécessitent une formation et un assistant.	Les machines de type " hobby " nécessitent une certaine formation.  Les équipements industriels nécessitent une formation approfondie, et la production peut être entièrement automatisée avec la supervision d'un assistant.

Les technologies additives et soustractives comportent une variété de procédés différents. Les coûts et les capacités vont des machines de bureau aux grands équipements industriels. Les prix ont considérablement baissé ces dernières années, en particulier pour les technologies additives. Des outils de fabrication additive et soustractive de bureau compacts et faciles à utiliser sont aujourd'hui disponibles pour les espaces de travail professionnels, les ateliers d'usinage et les ateliers.

Les imprimantes 3D d'entrée de gamme commencent à plusieurs centaines de dollars, et le coût des imprimantes de bureau adaptées aux passionnés se situe entre 3 500 et 20 000 dollars environ. Les imprimantes industrielles commencent à 10 000 dollars et coûtent plus de 400 000 dollars.

Les moulins et les tours hobbistes commencent à 2 000 dollars, et un centre d'usinage CNC d'entrée de gamme peut commencer à 60 000 dollars. Les centres d'usinage industriels à 5 axes coûtent plus de 500 000 dollars.

La fabrication additive et soustractive permet de produire une large gamme de produits dans plusieurs secteurs. La fabrication additive est privilégiée pour le prototypage rapide, la production de petits lots et la production à la demande. La fabrication soustractive produit depuis longtemps des prototypes, mais elle est mieux adaptée aux grandes séries de production.

Presque tous les secteurs utilisent des produits de fabrication additive, notamment l'aérospatiale, l'architecture, l'automobile, l'aviation, les biens de consommation, le style de vie, la fabrication industrielle, la manutention, la robotique, le médical et le dentaire, et le sport. Les produits comprennent les implants médicaux, les composants d'aéronefs, les pièces automobiles, les modèles de moulage à la cire perdue, l'outillage, les supports, les pales de turbines, les bijoux, le divertissement, le vélo et les produits personnalisables.

Les produits de fabrication soustractive sont utilisés dans les mêmes secteurs et plus encore, notamment l'aérospatiale, l'architecture, l'automobile, l'aviation, les biens de consommation, la restauration, le style de vie, la fabrication industrielle, la manutention, le pétrole et le gaz, la robotique, le médical et le dentaire, et les sports. Ces produits sont souvent utilisés dans des environnements difficiles où la robustesse des produits est essentielle. Les pièces de fabrication soustractive sont utilisées partout, des pistons aux pales de ventilateur en passant par les fûts en acier et les turbines.

Les composants de fabrication soustractive et additive se complètent souvent pour produire des outils, des gabarits et des montages.

Les approches hybrides combinent les procédés additifs et soustractifs, prenant le meilleur des deux mondes et les incorporant dans une seule machine. Ces hybrides tirent parti des atouts des deux systèmes de fabrication et nécessitent des équipements spécialisés. La fabrication hybride permet de produire des pièces complexes plus rapidement et plus facilement.

Par exemple, le polissage de la surface d'une pièce imprimée en 3D ou le perçage d'un trou qui exige une tolérance serrée.