14 dicas de design comprovadas para reduzir o custo da usinagem CNC

Na usinagem de controle numérico computadorizado (CNC), se você deseja criar um único protótipo ou ir para a produção em larga escala, a principal prioridade geralmente é reduzir os custos de fabricação. Felizmente, as decisões de design podem ajudar a manter os preços baixos. Simplesmente seguindo as regras de projeto para usinabilidade, você pode fabricar peças acessíveis que ainda atendem aos requisitos de projeto funcional.

Este artigo fornece dicas abrangentes para ajudar a otimizar seu design. Começamos examinando o que aumenta os custos na usinagem CNC. Em seguida, apresentamos diretrizes abrangentes, oferecendo dicas de design comprovadas para reduzir o custo do seu projeto.

Quanto custa a usinagem CNC?

Uma cotação para peças usinadas em CNC é determinada pelos seguintes fatores:

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  Tempo de usinagem :Quanto mais tempo demorar para usinar uma peça, mais cara ela será. O tempo de usinagem geralmente é o principal fator de custo no CNC, especialmente para produções em grande escala, onde erros simples de projeto podem prejudicar economias de escala.
  
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  Custos iniciais: Relacionados à preparação de arquivos de projeto assistido por computador (CAD) e ao planejamento de processos, os custos iniciais são significativos para volumes menores. Felizmente, eles também são corrigidos. Se o design e o acabamento da superfície forem adequados para dimensionamento de custos, você poderá reduzir o preço unitário aplicando economias de escala princípios.
  
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  Outros custos de fabricação: Para definir tolerâncias apertadas ou projetar peças com recursos difíceis de usinar CNC (por exemplo, paredes muito finas), você pode precisar de ferramentas especiais, controle de qualidade mais próximo e mais etapas de processamento em velocidade de usinagem mais baixa. Isso também afeta o tempo e o custo total de fabricação.
  
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  Custo do material: O preço do material a granel e a facilidade com que esse material pode ser usinado afetam muito o custo total em CNC. Otimizar seu projeto considerando cuidadosamente seu material pode reduzir custos.
  

Ao entender o que impulsiona os custos da usinagem CNC, podemos otimizar o projeto para reduzir o orçamento.

Como reduzir o custo de usinagem CNC

1. Adicione um raio nas bordas verticais internas

Todas as fresadoras CNC têm formato cilíndrico e criam um raio ao cortar a aresta de um bolsão. Um raio de canto pode ser reduzido usando uma ferramenta com um diâmetro menor. Isso requer várias passagens em velocidade mais baixa porque ferramentas menores não podem remover material tão rapidamente quanto ferramentas maiores em apenas uma passagem. Isso aumenta o tempo e o custo de usinagem.

Para minimizar o custo:

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  Adicione um raio de pelo menos um terço da profundidade da cavidade – quanto maior, melhor.
  
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  Use o mesmo raio para todas as arestas internas para eliminar a necessidade de trocas de ferramentas.
  
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  No fundo da cavidade, use um raio menor (0,5 ou 1 mm) ou nenhum raio.
  

Bom saber :Idealmente, o raio do canto deve ser um pouco maior que o raio da ferramenta usada para usinar a cavidade. Isso reduz as cargas na ferramenta e, portanto, o custo de fabricação. Por exemplo, se o seu desenho tiver uma cavidade com 12 mm de profundidade, adicione um raio de 5 mm (ou maior) nos cantos. Isso permite que uma ferramenta com um diâmetro de 8 mm corte a uma velocidade mais rápida.


Dica profissional: Se você precisar de arestas internas com cantos vivos (por exemplo, quando uma peça com formato retangular precisa caber na cavidade), em vez de reduzir o raio da aresta interna, use uma forma com rebaixos como os mostrados na imagem abaixo.

2. Limite a profundidade das cavidades

A usinagem de cavidades profundas afeta drasticamente o custo das peças CNC porque muito material deve ser removido. Isso é demorado e um desperdício.

As ferramentas CNC têm um comprimento de corte limitado. Eles normalmente funcionam melhor ao cortar cavidades com uma profundidade de até duas a três vezes seu diâmetro. Por exemplo, uma ferramenta de fresamento com diâmetro de 12 mm pode cortar cavidades com segurança de até 25 mm de profundidade. É possível cortar cavidades mais profundas (até quatro vezes o diâmetro da ferramenta ou mais), mas isso aumenta o custo porque são necessárias ferramentas especiais ou sistemas CNC multi-eixo.

Para minimizar o custo:

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  Limite a profundidade de todas as cavidades a quatro vezes seu comprimento, ou seja, a maior dimensão no plano XY.
  
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  Ajuste os raios do canto interno de acordo. Use o conselho na dica número 1, se necessário.
  

3. Aumentar a espessura de paredes finas

A menos que o peso seja uma grande preocupação, fabrique seções sólidas grossas porque são mais estáveis ​​e menos dispendiosas de usinar. Para evitar deformações ou fraturas ao usinar uma parede fina, use passes múltiplos em baixas profundidades de corte. Recursos finos também são altamente propensos a vibrações, portanto, usinar com precisão é um desafio e aumenta consideravelmente o tempo de usinagem.

Para minimizar o custo:

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  Para peças metálicas, projete paredes com espessura superior a 0,8 mm - quanto mais espessa, melhor.
  
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  Para peças plásticas, mantenha a espessura mínima da parede acima de 1,5 mm.
  

É bom saber: A espessura mínima de parede que pode ser alcançada para metais é de 0,5 mm. Para plásticos, é de 1 mm. Avalie a usinabilidade de tais recursos caso a caso.

Importante: Paredes finas geralmente são um problema ao colocar furos (e roscas) muito perto da borda de uma peça. Leve isso em consideração ao projetar para usinagem CNC.

4. Limite o comprimento dos encadeamentos

A inclusão de roscas mais longas do que o necessário pode aumentar o custo das peças CNC, pois pode ser necessário usar ferramentas especiais. Roscas com mais de 1,5 vezes o diâmetro do furo não aumentam a resistência de uma conexão.

Para minimizar o custo:

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  Projete roscas com comprimento máximo de até três vezes o diâmetro do furo.
  
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  Para roscas em furos cegos, adicione pelo menos metade do diâmetro do comprimento sem rosca na parte inferior do furo.
  

5. Use furos de tamanho padrão

Os furos podem ser usinados em CNC rapidamente e com grande precisão usando brocas padrão. Para tamanhos não padronizados, é necessária uma etapa de usinagem extra, o que aumenta o custo.
Quando possível, use furos passantes em vez de furos cegos, pois são mais fáceis de usinar.

Limite a profundidade dos furos a quatro vezes o seu diâmetro. Furos mais profundos (até 10 vezes o diâmetro) podem ser fabricados, mas provavelmente aumentarão os custos porque exigem mais tempo para usinar.

Para minimizar o custo:

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  Projete furos com um diâmetro que seja um incremento de 0,1 mm para diâmetros de até 10 mm. Para aqueles acima de 10 mm, use um incremento de 0,5 mm.
  
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  Ao projetar em polegadas, use frações convencionais de uma polegada ou consulte uma tabela de tamanhos de brocas em polegadas fracionárias.
  

6. Só especifique tolerâncias quando necessário

Definir tolerâncias apertadas aumenta o custo de usinagem de um recurso, portanto, isso só deve ser feito quando for absolutamente necessário. Se uma tolerância específica não for definida no desenho técnico, as peças são usinadas usando a tolerância padrão (± 0,125mm ou melhor). Isso é suficiente para a maioria dos recursos não críticos.

Para minimizar o custo:

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  Só defina tolerâncias mais apertadas quando for absolutamente necessário.
  
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  Defina um único ponto de referência (por exemplo, a seção transversal de duas arestas) como referência para todas as dimensões com tolerâncias.
  

Dica profissional :Use Dimensionamento Geométrico e Tolerância (GD&T) em desenhos técnicos para reduzir o custo de usinagem CNC. O GD&T inclui recursos como planicidade, retidão, circularidade e posição verdadeira. Muitas vezes, define uma tolerância mais flexível, embora exija conhecimento avançado de design para ser aplicado de forma eficaz.

7. Minimize o número de configurações da máquina

Projete peças que possam ser usinadas com o menor número possível de configurações de máquina. Idealmente, use apenas uma configuração. Por exemplo, uma peça que possui furos cegos em ambos os lados deve ser usinada em duas configurações, pois precisa ser girada para acesso a ambos os lados.

Girar ou reposicionar uma peça aumenta o custo de fabricação, pois geralmente deve ser feito manualmente. Além disso, geometrias complexas podem exigir um acessório personalizado, aumentando os custos. Geometrias especialmente complicadas podem exigir um sistema CNC multi-eixo, aumentando também o custo.

Considere separar a peça em várias geometrias que podem ser usinadas em CNC em uma única configuração e que podem ser parafusadas ou soldadas posteriormente. Isso também se aplica a peças com bolsos muito profundos.

Para minimizar o custo:

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  Projete peças com uma geometria 2.5D simples que pode ser fabricada em uma única configuração de máquina CNC.
  
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  Se isso não for possível, separe a peça em várias geometrias que podem ser montadas posteriormente.
  

8. Evite pequenos recursos com alta proporção

Pequenos recursos com uma alta proporção de largura para altura são propensos a vibrações e, portanto, são difíceis de usinar com precisão.

Para minimizar o custo:

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  Recursos de design com proporção de largura para altura inferior a quatro.
  
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  Adicione suporte de contraventamento em torno de pequenos recursos ou conecte-os a uma parede para melhorar sua rigidez.
  

9. Remova todo o texto e letras

Adicionar texto na superfície de uma peça usinada em CNC pode aumentar significativamente os custos porque requer etapas de usinagem adicionais, o que leva mais tempo. Os métodos de acabamento de superfície, como serigrafia ou pintura, são uma maneira mais econômica de adicionar texto na superfície de uma peça usinada em CNC.

Para minimizar o custo:

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  Remova todo o texto e letras de suas peças usinadas em CNC.
  
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  Se o texto for necessário, escolha letras gravadas em relevo.
  
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  Use uma fonte sem serifa tamanho 20 no mínimo (por exemplo, Arial ou Verdana).
  

10. Considere a usinabilidade do material

A usinabilidade refere-se à facilidade com que um material pode ser cortado. Quanto maior a usinabilidade, mais rápido um material pode ser usinado em CNC, reduzindo assim o custo. A usinabilidade depende das propriedades físicas de cada material. Normalmente, quanto mais macia e dúctil for uma liga metálica, mais fácil será usinar.

O latão C360 é a liga com maior usinabilidade, permitindo usinagem em alta velocidade. As ligas de alumínio (por exemplo, 6061 e 7075) também podem ser usinadas com muita facilidade, embora exijam velocidades ligeiramente mais baixas.

O aço inoxidável tem usinabilidade 10 vezes menor que o alumínio e levará pelo menos o dobro do tempo para usinar. Diferentes graus de aço têm usinabilidade diferente. Por exemplo, o aço inoxidável 304 tem um índice de usinabilidade de 45%, enquanto o aço inoxidável 303 (liga com composição química muito semelhante) tem índice de 78%, facilitando a usinagem.

A usinabilidade dos plásticos depende principalmente de suas propriedades térmicas e rigidez, pois são propensos a derreter e dobrar durante a usinagem.

O POM (Derlin) é o plástico mais fácil de usinar, enquanto o ABS vem em segundo lugar. PEEK e nylon 6 são plásticos de engenharia comuns que são mais difíceis de usinar.

Para minimizar o custo:

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  Se tiver opções, escolha o material com melhor usinabilidade, principalmente para pedidos maiores.
  

11. Considere o preço do material a granel

O preço do material a granel é outro fator que pode afetar muito o custo das peças usinadas em CNC.
A tabela abaixo resume o preço das ligas metálicas e materiais plásticos comumente usados ​​em CNC para uma chapa com dimensões de 6'' x 6'' x 1'' (ou aproximadamente 150 x 150 x 25mm).

Material	Preço
Alumínio 6061	$25
Alumínio 7075	US$ 80
Aço inoxidável 304	US$ 90
Aço inoxidável 303	US$ 150
C360 latão	US$ 148
ABS	US$ 17
Nylon 6	US$ 30
POM (Derlin)	US$ 27
PEEK	US$ 300

Fonte:  McMaster

O alumínio 6061 é de longe a maneira mais econômica de criar protótipos de metal devido ao seu baixo custo e ótima usinabilidade.

Metais que oferecem maior usinabilidade, como aço inoxidável 303 e latão C360, custam mais e, portanto, são mais adequados para produção de maior volume. Nesse caso, as economias de escala entram em jogo porque o custo mais alto do material é compensado pelos tempos de usinagem muito mais curtos.

Quando se trata de plásticos, ABS, nylon e POM (Derlin) custam aproximadamente o mesmo que o alumínio 6061. No entanto, eles são mais difíceis de usinar, portanto, espere um custo mais alto. PEEK é um material muito caro e deve ser usado apenas quando absolutamente necessário.

Para minimizar o custo:

• 
  Escolha um material com baixo preço a granel, especialmente para pedidos de baixo volume.
  

12. Evite vários acabamentos de superfície

Os acabamentos de superfície melhoram a aparência das peças usinadas em CNC e sua resistência a ambientes agressivos, mas também aumentam os custos. Solicitar vários acabamentos de superfícies na mesma peça aumenta ainda mais o custo porque requer etapas extras (por exemplo, mascarar as superfícies). Um artigo resumindo os benefícios de cada acabamento de superfície para peças CNC pode ser encontrado aqui .


Para minimizar o custo:

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  Escolha o acabamento de superfície “como usinado”.
  
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  Solicite vários acabamentos de superfície apenas quando for absolutamente necessário.
  

13. Conta para o tamanho em branco

O tamanho do blank – ou seja, o material do estoque – pode afetar o custo total. Como regra geral, o blank deve ser no mínimo 3 mm maior que a parte final. Para garantir a precisão, algum material deve ser removido de todas as bordas da peça.

Como exemplo de como o tamanho do blank afeta o preço no CNC, considere projetar uma peça que tenha um envelope de 30 x 30 x 30mm. Essas dimensões exigiriam o uso de uma peça em bruto maior, que neste caso é normalmente cortada de uma folha com 35 mm de espessura. Se a peça tivesse um envelope de 27 x 27 x 27mm, no entanto, uma folha de 30mm poderia ser usada, economizando muito material.

Para minimizar o custo:

• 
  Peças de design que tenham uma dimensão 3 mm menor do que um tamanho padrão em branco.
  

14. Aproveite as economias de escala

Na usinagem CNC, a quantidade afeta muito o preço unitário. Isso ocorre porque os custos iniciais são relativamente altos e, quando as quantidades são pequenas, representam uma grande porcentagem do custo. Com grandes quantidades, no entanto, os custos por unidade diminuem.

No gráfico abaixo, traçamos o preço unitário médio de 12 peças diferentes usinadas em aço inox 304.

A queda no preço unitário é quase exponencial, o que significa que mesmo aumentando o volume de um para cinco pode reduzir o preço unitário pela metade. Além disso, encomendar volumes muito altos (> 1.000 peças) reduz o preço unitário em cinco a 10 vezes.

Para minimizar o custo:

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  Aproveite as economias de escala encomendando quantidades maiores.
  

Melhores práticas para reduzir custos de CNC

Em conclusão, mantenha sua usinagem CNC simples.

A complexidade tem um preço alto em CNC. Geometrias que exigem ferramentas ou acessórios especiais, configurações de várias máquinas ou materiais especiais custam mais.

Portanto, para manter os custos baixos, antes de enviar um pedido para cotação, faça as seguintes perguntas:

• 
  Minha peça é otimizada usando diretrizes de projeto para usinabilidade?
  
• 
  Todos os recursos do meu modelo são absolutamente necessários? Ou posso remover ou simplificar mantendo toda a funcionalidade da peça?
  
• 
  Meu projeto pode ser separado em várias partes que são mais fáceis de usinar CNC e montar mais tarde?
  
• 
  Existe uma maneira de modificar meu projeto para eliminar a necessidade de várias configurações de máquina ou ferramentas especiais?
  
• 
  Existe algum material mais barato ou mais fácil de usinar que possa atender aos meus requisitos de projeto?
  

O presente e o futuro da usinagem CNC

As capacidades de usinagem CNC estão em constante expansão. Por exemplo, avanços recentes em ferramentas CNC permitem que sistemas CNC modernos rosquem furos em todo o seu comprimento, e furos de qualquer diâmetro podem ser usinados em CNC, sem um efeito significativo no preço, usando uma ferramenta CNC de mergulho e usando interpolação de perfil (ou seja, um caminho da ferramenta helicoidal).

Neste artigo, nos concentramos em dicas gerais de projeto para fabricação que têm uma aplicação universal, independentemente do sistema CNC usado. Interprete essas dicas como boas práticas gerais que podem ajudá-lo a projetar peças com mais eficiência.

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