Le granit époxy, également appelé granit synthétique, est un mélange d'époxy et de granit couramment utilisé comme matériau alternatif pour les bâtis de machines-outils. Il remplace la fonte et l'acier pour une meilleure absorption des vibrations, une durée de vie accrue des outils et un coût d'assemblage réduit.
Base de machine-outil
Les machines-outils et autres machines de haute précision dépendent de la rigidité élevée, de la stabilité à long terme et des excellentes propriétés d'amortissement du matériau de base pour leurs performances statiques et dynamiques. Les matériaux les plus couramment utilisés pour ces structures sont la fonte, les structures en acier soudé et le granit naturel. En raison de leur faible stabilité à long terme et de leurs propriétés d'amortissement très médiocres, les structures en acier sont rarement utilisées lorsque la haute précision est requise. Une fonte de bonne qualité, détendue et recuite, confère à la structure une stabilité dimensionnelle et permet le moulage de formes complexes, mais nécessite un usinage coûteux pour obtenir des surfaces de précision après moulage.
Le granit naturel de bonne qualité est de plus en plus difficile à trouver, mais il possède une capacité d'amortissement supérieure à celle de la fonte. De même que pour la fonte, l'usinage du granit naturel est long et coûteux.
Les pièces moulées en granit de précision sont fabriquées en mélangeant des granulats de granit (concassés, lavés et séchés) avec une résine époxy à température ambiante (polymérisation à froid). On peut également utiliser des granulats de quartz dans la composition. Le compactage vibratoire lors du moulage assure une forte cohésion des granulats.
Des inserts filetés, des plaques d'acier et des tuyaux de refroidissement peuvent être intégrés lors du processus de coulée. Pour une polyvalence accrue, des rails linéaires, des glissières rectifiées et des supports moteur peuvent être reproduits ou scellés, éliminant ainsi tout usinage après coulée. La finition de surface de la pièce coulée est identique à celle du moule.
Avantages et inconvénients
Les avantages comprennent :
■ Amortissement des vibrations.
■ Flexibilité : des glissières linéaires personnalisées, des réservoirs de fluide hydraulique, des inserts filetés, du fluide de coupe et des tuyauteries de conduit peuvent tous être intégrés dans la base en polymère.
■ L'inclusion d'inserts, etc., permet de réduire considérablement l'usinage de la pièce moulée finie.
■ Le temps d'assemblage est réduit grâce à l'intégration de plusieurs composants dans un seul moulage.
■ Ne nécessite pas une épaisseur de paroi uniforme, ce qui permet une plus grande flexibilité de conception de votre base.
■ Résistance chimique à la plupart des solvants, acides, alcalis et fluides de coupe courants.
■ Ne nécessite pas de peinture.
■Le composite a une densité approximativement identique à celle de l'aluminium (mais les pièces sont plus épaisses pour obtenir une résistance équivalente).
Le procédé de moulage en béton polymère composite consomme beaucoup moins d'énergie que le moulage métallique. Les résines polymères utilisées pour le moulage nécessitent très peu d'énergie à produire, et le processus de moulage s'effectue à température ambiante.
Le matériau composite époxy-granit présente un facteur d'amortissement interne jusqu'à dix fois supérieur à celui de la fonte, jusqu'à trois fois supérieur à celui du granit naturel et jusqu'à trente fois supérieur à celui des structures en acier. Insensible aux fluides de refroidissement, il offre une excellente stabilité à long terme, une stabilité thermique améliorée, une rigidité torsionnelle et dynamique élevée, une excellente absorption acoustique et des contraintes internes négligeables.
Les inconvénients comprennent une faible résistance dans les sections minces (moins de 1 pouce (25 mm)), une faible résistance à la traction et une faible résistance aux chocs.
Introduction aux cadres de coulée minérale
Le moulage minéral est l'un des matériaux de construction modernes les plus performants. Les fabricants de machines de précision ont été parmi les pionniers de son utilisation. Aujourd'hui, son emploi pour les fraiseuses CNC, les perceuses à colonne, les rectifieuses et les machines d'électroérosion est en pleine expansion, et ses avantages ne se limitent pas aux machines à grande vitesse.
Le moulage minéral, également appelé matériau époxy-granit, est composé de charges minérales telles que du gravier, du sable de quartz, de la poudre de glace glaciaire et de liants. Le matériau est mélangé selon des spécifications précises et coulé à froid dans les moules. Une base solide est la clé du succès !
Les machines-outils de pointe doivent fonctionner toujours plus vite et offrir une précision accrue. Cependant, les vitesses de déplacement élevées et l'usinage intensif génèrent des vibrations indésirables du bâti. Ces vibrations ont des effets néfastes sur la surface des pièces et réduisent la durée de vie de l'outil. Les bâtis en fonte minérale réduisent rapidement les vibrations : environ six fois plus vite que les bâtis en fonte et dix fois plus vite que les bâtis en acier.
Les machines-outils à table de fonderie minérale, telles que les fraiseuses et les rectifieuses, offrent une précision nettement supérieure et une meilleure qualité de surface. De plus, l'usure des outils est considérablement réduite et leur durée de vie prolongée.
Le cadre de coulée en composite minéral (époxy granit) présente plusieurs avantages :
- Mise en forme et résistance : Le procédé de fonderie minérale offre une liberté exceptionnelle quant à la forme des pièces. Les caractéristiques spécifiques du matériau et du procédé permettent d’obtenir une résistance relativement élevée et un poids nettement inférieur.
- Intégration de l'infrastructure : Le procédé de coulée minérale permet l'intégration simple de la structure et des composants supplémentaires tels que les glissières, les inserts filetés et les connexions pour les services, pendant le processus de coulée proprement dit.
- La fabrication de structures mécaniques complexes : ce qui serait inconcevable avec les procédés conventionnels devient possible grâce à la fonderie minérale : plusieurs composants peuvent être assemblés pour former des structures complexes au moyen de joints collés.
- Précision dimensionnelle économique : Dans de nombreux cas, les pièces moulées en minerai sont coulées aux dimensions finales car le retrait lors de la trempe est pratiquement nul. De ce fait, des opérations de finition coûteuses peuvent être évitées.
- Précision : Des surfaces de référence ou de support de haute précision sont obtenues par des opérations de rectification, de formage ou de fraisage supplémentaires. De ce fait, de nombreux concepts de machines peuvent être mis en œuvre avec élégance et efficacité.
- Bonne stabilité thermique : la fonte minérale réagit très lentement aux variations de température, sa conductivité thermique étant nettement inférieure à celle des matériaux métalliques. De ce fait, les variations de température de courte durée ont une influence considérablement moindre sur la précision dimensionnelle de la machine-outil. Une meilleure stabilité thermique du bâti de la machine permet un meilleur maintien de sa géométrie globale et, par conséquent, une réduction des erreurs géométriques.
- Absence de corrosion : les composants en fonte minérale résistent aux huiles, aux liquides de refroidissement et autres liquides agressifs.
- Amortissement des vibrations accru pour une durée de vie des outils prolongée : notre fonte minérale offre un amortissement des vibrations jusqu’à 10 fois supérieur à celui de l’acier ou de la fonte. Grâce à ces caractéristiques, la structure de la machine bénéficie d’une stabilité dynamique extrêmement élevée. Les avantages pour les constructeurs et les utilisateurs de machines-outils sont évidents : une meilleure qualité de finition de surface des pièces usinées ou rectifiées et une durée de vie des outils prolongée, synonymes de coûts d’outillage réduits.
- Environnement : L'impact environnemental lors de la fabrication est réduit.
Cadre en fonte minérale vs cadre en fonte
Vous trouverez ci-dessous les avantages de notre nouveau cadre en fonte minérale par rapport à la structure en fonte utilisée précédemment :
| Moulage minéral (granit époxy) | Fonte | |
| Amortissement | Haut | Faible |
| Performances thermiques | faible conductivité thermique et chaleur de haute spécification capacité | Conductivité thermique élevée et capacité thermique de faible spécification |
| Pièces intégrées | Conception illimitée et Moule monobloc et connexion sans faille | Usinage nécessaire |
| résistance à la corrosion | Très haut | Faible |
| Environnement Amabilité | faible consommation d'énergie | Consommation d'énergie élevée |
Conclusion
Le moulage minéral est idéal pour les châssis de nos machines CNC. Il offre des avantages technologiques, économiques et environnementaux indéniables. Cette technologie assure un excellent amortissement des vibrations, une haute résistance chimique et des performances thermiques remarquables (dilatation thermique similaire à celle de l'acier). Les éléments de connexion, les câbles, les capteurs et les systèmes de mesure peuvent être intégrés au châssis.
Quels sont les avantages du centre d'usinage à banc de granit pour la coulée minérale ?
Les pièces moulées en résine minérale (granit artificiel également appelé béton de résine) sont largement utilisées comme matériau de structure dans l'industrie des machines-outils depuis plus de 30 ans.
D'après les statistiques, en Europe, une machine-outil sur dix utilise des pièces moulées en fonte minérale pour son bâti. Cependant, une expérience inappropriée, des informations incomplètes ou erronées peuvent engendrer des préjugés et une méfiance envers ces pièces. Par conséquent, lors de la conception de nouveaux équipements, il est indispensable d'analyser les avantages et les inconvénients de la fonte minérale et de les comparer à ceux d'autres matériaux.
Les bases des engins de construction se répartissent généralement en plusieurs catégories : fonte, béton (polymère et/ou résine réactive), acier/structures soudées (avec ou sans jointoiement) et pierre naturelle (comme le granit). Chaque matériau possède ses propres caractéristiques, et aucun matériau de construction n’est parfait. Seul un examen approfondi des avantages et des inconvénients de chaque matériau, en fonction des exigences structurelles spécifiques, permet de sélectionner le matériau idéal.
Les deux fonctions importantes des matériaux de structure sont de garantir la géométrie, la position et l'absorption d'énergie des composants, et de définir respectivement les exigences de performance (performance statique, dynamique et thermique), les exigences fonctionnelles/structurelles (précision, poids, épaisseur de paroi, facilité de guidage des rails) pour l'installation des matériaux, le système de circulation des fluides, la logistique) et les exigences de coût (prix, quantité, disponibilité, caractéristiques du système).
I. Exigences de performance pour les matériaux de structure
1. Caractéristiques statiques
Le critère de mesure des propriétés statiques d'un socle est généralement la rigidité du matériau — une déformation minimale sous charge — plutôt qu'une résistance élevée. En matière de déformation élastique statique, les pièces moulées en minéraux peuvent être considérées comme des matériaux homogènes isotropes obéissant à la loi de Hooke.
La densité et le module d'élasticité des pièces moulées en fonte minérale sont respectivement trois fois inférieurs à ceux de la fonte. À poids égal, les pièces moulées en fonte minérale et en fonte ayant la même rigidité spécifique, leur rigidité est identique, indépendamment de leur forme. Dans de nombreux cas, l'épaisseur nominale des parois des pièces moulées en fonte minérale est généralement trois fois supérieure à celle des pièces moulées en fonte, sans que cela n'affecte leurs propriétés mécaniques. Les pièces moulées en fonte minérale conviennent aux applications statiques sous pression (lits, supports, colonnes, etc.) mais ne sont pas adaptées aux structures à parois minces et/ou de petite taille (tables, palettes, changeurs d'outils, chariots, supports de broche, etc.). Le poids des pièces structurelles est généralement limité par les équipements des fonderies, et les pièces de plus de 15 tonnes sont rares.
2. Caractéristiques dynamiques
Plus la vitesse de rotation et/ou l'accélération de l'arbre sont élevées, plus les performances dynamiques de la machine sont cruciales. Le positionnement rapide, le changement d'outil rapide et l'avance rapide renforcent continuellement la résonance mécanique et l'excitation dynamique des éléments structurels de la machine. Outre les dimensions du composant, la déformation, la répartition des masses et la rigidité dynamique de ce dernier sont fortement influencées par les propriétés d'amortissement du matériau.
L'utilisation de fonte minérale offre une solution efficace à ces problèmes. Grâce à sa capacité d'absorption des vibrations dix fois supérieure à celle de la fonte traditionnelle, elle permet de réduire considérablement l'amplitude et la fréquence propre.
Lors d'opérations d'usinage telles que le surfaçage, le moulage minéral permet d'obtenir une précision accrue, une meilleure qualité de surface et une durée de vie des outils prolongée. Par ailleurs, en matière d'impact acoustique, les pièces moulées en matériau minéral ont également démontré d'excellentes performances lors de la comparaison et de la vérification de socles, de carters de transmission et d'accessoires de différents matériaux pour moteurs de grande taille et centrifugeuses. L'analyse acoustique a révélé que le moulage minéral permet une réduction locale du niveau de pression acoustique de 20 %.
3. Propriétés thermiques
Les experts estiment qu'environ 80 % des écarts des machines-outils sont dus à des effets thermiques. Les interruptions de processus, telles que les sources de chaleur internes ou externes, le préchauffage, le changement de pièces, etc., sont autant de causes de déformation thermique. Afin de choisir le matériau le plus adapté, il est essentiel de définir précisément ses exigences. La chaleur spécifique élevée et la faible conductivité thermique des fontes minérales leur confèrent une excellente inertie thermique face aux variations de température transitoires (comme lors du changement de pièces) et aux fluctuations de la température ambiante. Si un préchauffage rapide est nécessaire, comme pour un banc métallique, ou si la température du banc est interdite, des dispositifs de chauffage ou de refroidissement peuvent être intégrés directement dans la fonte minérale pour réguler la température. L'utilisation de ce type de dispositif de compensation thermique permet de réduire les déformations dues aux variations de température, contribuant ainsi à améliorer la précision à un coût raisonnable.
II. Exigences fonctionnelles et structurelles
L'intégrité est une caractéristique distinctive des pièces moulées en minéraux par rapport aux autres matériaux. La température maximale de moulage pour les pièces moulées en minéraux est de 45 °C, et grâce à l'utilisation de moules et d'outillages de haute précision, il est possible de mouler simultanément des pièces et des pièces moulées en minéraux.
Des techniques de refonte avancées peuvent également être utilisées sur les ébauches de pièces moulées en minéraux, permettant d'obtenir des surfaces de montage et de rails précises ne nécessitant aucun usinage. Comme les autres matériaux de base, les pièces moulées en minéraux sont soumises à des règles de conception structurelle spécifiques. L'épaisseur des parois, les accessoires porteurs, les nervures d'insertion, ainsi que les méthodes de chargement et de déchargement diffèrent, dans une certaine mesure, de celles des autres matériaux et doivent être pris en compte dès la conception.
III. Exigences en matière de coûts
Bien que l'aspect technique soit important, la rentabilité revêt une importance croissante. L'utilisation de pièces moulées en fonte minérale permet aux ingénieurs de réaliser des économies substantielles sur les coûts de production et d'exploitation. Outre les économies sur les coûts d'usinage, de moulage, d'assemblage final et de logistique (entreposage et transport), ces économies sont proportionnellement réduites. Compte tenu des performances élevées des pièces moulées en fonte minérale, il convient de les considérer comme un projet global. En effet, une comparaison des prix est plus pertinente lorsque la base est déjà installée ou pré-installée. Le coût initial relativement élevé correspond à celui des moules et de l'outillage, mais il est rapidement amorti sur le long terme (500 à 1 000 pièces par moule en acier), la consommation annuelle étant d'environ 10 à 15 pièces.
IV. Étendue de l'utilisation
En tant que matériau de structure, les pièces moulées en pierre naturelle remplacent progressivement les matériaux traditionnels. Leur développement rapide repose sur la qualité des moules, des assemblages et des liaisons. Aujourd'hui, elles sont largement utilisées dans de nombreux domaines de la machine-outil, notamment pour les rectifieuses et l'usinage à grande vitesse. Les fabricants de rectifieuses ont été parmi les premiers à utiliser des pièces moulées en pierre naturelle pour leurs bâtis. Ainsi, des entreprises de renommée mondiale telles qu'ABA z&b, Bahmler, Jung, Mikrosa, Schaudt et Stude ont toujours tiré parti des propriétés d'amortissement, de l'inertie thermique et de l'intégrité de ces pièces pour obtenir une haute précision et une excellente qualité de surface lors des opérations de rectification.
Face à des charges dynamiques toujours plus importantes, les bâtis en fonte minérale sont de plus en plus plébiscités par les leaders mondiaux du secteur des affûteuses. Le bâti en fonte minérale offre une excellente rigidité et permet d'absorber efficacement les forces induites par l'accélération du moteur linéaire. Par ailleurs, l'association d'une bonne absorption des vibrations et du moteur linéaire améliore considérablement la qualité de surface de la pièce usinée et la durée de vie de la meule.
Pour ce qui est de la pièce unique, une longueur inférieure à 10 000 mm ne pose aucun problème.
Quelle est l'épaisseur minimale de la paroi ?
En règle générale, l'épaisseur minimale de la section du bâti de la machine doit être d'au moins 60 mm. Des sections plus minces (par exemple 10 mm d'épaisseur) peuvent être coulées avec des granulats fins et des formulations adaptées.
Le taux de retrait après coulée est d'environ 0,1 à 0,3 mm pour 1000 mm. Lorsque des pièces mécaniques de fonderie minérale de plus grande précision sont requises, des tolérances peuvent être obtenues par rectification CNC secondaire, rodage manuel ou autres procédés d'usinage.
Pour nos coulées minérales, nous utilisons du granit noir naturel de Jinan. La plupart des entreprises optent pour du granit naturel ordinaire ou de la pierre courante dans le secteur de la construction.
· Matières premières : avec les particules uniques de granit noir de Jinan (également appelé granit « JinanQing ») comme agrégat, mondialement connu pour sa haute résistance, sa grande rigidité et sa haute résistance à l'usure ;
· Formule : grâce à des résines époxy renforcées et des additifs uniques, différents composants utilisent des formulations différentes pour garantir des performances globales optimales ;
• Propriétés mécaniques : l'absorption des vibrations est environ 10 fois supérieure à celle de la fonte, bonnes propriétés statiques et dynamiques ;
• Propriétés physiques : densité environ 1/3 de celle de la fonte, propriétés de barrière thermique supérieures à celles des métaux, non hygroscopique, bonne stabilité thermique ;
• Propriétés chimiques : résistance à la corrosion supérieure à celle des métaux, respectueux de l'environnement ;
· Précision dimensionnelle : la contraction linéaire après coulée est d'environ 0,1 à 0,3 mm/m, précision de forme et de contre-point extrêmement élevée dans tous les plans ;
• Intégrité structurelle : une structure très complexe peut être coulée, alors que l'utilisation de granit naturel nécessite généralement un assemblage, un raccordement et un collage ;
• Réaction thermique lente : réagit aux variations de température à court terme beaucoup plus lentement et beaucoup moins ;
• Éléments encastrés : fixations, tuyaux, câbles et chambres peuvent être encastrés dans la structure ; les matériaux d’insertion comprennent le métal, la pierre, la céramique et le plastique, etc.