Usinagem de protótipos:prós e contras do CNC para prototipagem

O que é usinagem CNC?

A usinagem de controle numérico computadorizado (CNC) é um processo de fabricação no qual as entradas do computador são usadas para controlar ferramentas de usinagem, como brocas e tornos. É usado em muitas indústrias para uma variedade de protótipos e peças de uso final.

O processo começa com um desenho digital 3D, criado em software CAD, que um computador pode traduzir em uma série de instruções para as ferramentas de corte da máquina. Essas instruções são conhecidas como código G. Uma vez que o código G é enviado para a máquina, é necessária muito pouca supervisão manual, pois a máquina sabe quando e onde cortar e realiza a usinagem de forma autônoma. Isso resulta em economia significativa de tempo e custo quando comparado à usinagem tradicional, na qual um maquinista qualificado corta a peça usando ferramentas de corte operadas manualmente.

A usinagem é um processo subtrativo, o que significa que o equipamento remove o material existente em vez de introduzir novo material. Ao contrário da manufatura aditiva, na qual uma impressora 3D deposita o material em camadas para formar um objeto, a usinagem CNC envolve o corte de seções de um bloco sem forma conhecido como “peça de trabalho”. O excesso de material é descartado ou reciclado, deixando para trás uma peça completa. Máquinas CNC mais complexas, aquelas com maior número de eixos, são capazes de cortar a peça de forma mais complexa, produzindo peças com geometrias mais intrincadas.

A usinagem CNC é um processo de fabricação amplamente utilizado graças à sua versatilidade, precisão, consistência e ampla gama de materiais compatíveis:embora as ligas de alumínio sejam o material mais comum para usinagem, vários outros metais e plásticos também podem ser usados.

A usinagem CNC é boa para prototipagem?

Embora muitos agora considerem a impressão 3D como a forma dominante de prototipagem rápida, a usinagem CNC também é um processo importante para a criação de peças de protótipo. Para entender por que, é benéfico considerar as diferentes formas que um protótipo pode assumir e por que esses protótipos existem.

Os protótipos podem ter muitas funções diferentes. Na sua forma mais básica, eles agem como espaços reservados ou adereços – representações soltas de uma parte final usadas para transmitir informações visuais sobre como a parte final ficará ou se comportará. Estes protótipos parecidos pode ser usado para orientar o processo de P&D ou fornecer prova de conceito. Se feitos com um alto padrão estético, eles também podem ser usados ​​para lançar um novo produto para potenciais investidores. Esses protótipos podem ser muito importantes, mas não precisam necessariamente ser feitos com equipamentos profissionais de ponta:podem ser feitos à mão ou impressos com uma impressora 3D desktop de baixo custo.

Alguns protótipos, no entanto, são usados ​​para mais do que apenas representação visual. Dependendo do estágio de desenvolvimento do produto, as empresas podem precisar criar protótipos de engenharia ou protótipos de produção :protótipos que não apenas parecem como a parte final, mas funcionam como ela também, atuando como um substituto o mais próximo possível da coisa real. Embora a impressão 3D possa ser uma ótima opção para prototipagem de aparência, a usinagem CNC geralmente é preferível para esses protótipos funcionais que exigem resistência, estabilidade mecânica ou outras características não oferecidas por processos aditivos. Afinal, poucas peças de uso final são feitas com uma impressora 3D.

A usinagem CNC pode ser uma excelente escolha para prototipagem, mas sua adequação depende da natureza do protótipo. Para que finalidade o protótipo será usado? De que material será feito? E de que material será o final parte seja feita? Essas e outras perguntas irão, em última análise, guiar o usuário para o método mais adequado de prototipagem.

Protótipo de alumínio usinado CNC

Vantagens da prototipagem com usinagem CNC

Existem inúmeras razões pelas quais uma empresa pode usar a usinagem CNC para produzir um protótipo, incluindo velocidade de produção, qualidade da peça, opções de materiais e semelhança com a peça final.

Do arquivo ao protótipo

Uma das maiores vantagens da usinagem CNC é o elemento “CNC”. Como a usinagem CNC é um processo digital que cria uma peça a partir de um arquivo de computador, os engenheiros sabem que um protótipo usinado combinará de perto com o projeto 3D digital e que o mesmo projeto digital pode ser usado posteriormente para criar uma peça final com dimensões idênticas. O grau de repetibilidade é particularmente alto.

Além disso, o uso de designs 3D digitais permite alterações rápidas e precisas. Se um protótipo usinado apresentar uma falha física resultante de um projeto ruim, o engenheiro pode retornar ao software CAD para fazer as alterações adequadas para o próximo protótipo. Diferentes versões podem ser comparadas lado a lado, e o software de simulação pode até ser usado para testar preventivamente o desempenho de uma peça no mundo real.

Arquivo CAD 3D

Protótipo feito por Usinagem CNC de 5 eixos

Qualidade e consistência

Computadores não são perfeitos, mas máquinas controladas por computador tendem a funcionar exatamente como deveriam – a menos que quebrem. Enquanto muitos processos de prototipagem dependem da habilidade humana (e, portanto, são suscetíveis a erros humanos), as máquinas CNC seguem suas instruções dentro de uma fração de milímetro.

Importante, eles também podem fazê-lo uma e outra vez. Embora uma empresa possa estar fazendo apenas um único protótipo, uma máquina CNC pode, se necessário, executar o mesmo trabalho uma segunda vez com um desvio mínimo em relação ao primeiro. Isso é incrivelmente útil para desenvolver novas iterações de um protótipo e para passar para a produção com o mesmo maquinário. (Os processos manuais são incrivelmente importantes, mas é mais fácil garantir consistência com uma máquina automatizada.)

Variedade de materiais resistentes

Se um protótipo não tem finalidade mecânica, pode ser adequado para impressão 3D, que – embora não seja conhecida por produzir peças de alta resistência – custa muito pouco e pode ser realizada em um curto espaço de tempo. Para a maioria dos processos de impressão 3D, no entanto, as opções de material são mais estreitas do que para usinagem.

A usinagem CNC não oferece apenas uma ampla gama de materiais compatíveis, mas também oferece alguns extremamente fortes e duráveis, incluindo uma ampla variedade de metais. Também é possível imprimir em 3D com metais, mas não com uma impressora FDM de baixo custo.

Os materiais comuns de usinagem CNC incluem:

Metais	Plásticos
Alumínio	ABS
Aço	PC
Aço inoxidável	PP
Magnésio	PS
Titânio	POM
Zinco	PMMA
Latão	PAGF30
Bronze	PCGF30
Cobre	Teflon
	LDPE
	HDPE

Semelhança com a parte final

Outra grande vantagem do uso de usinagem CNC para protótipos é a capacidade de criar protótipos semelhantes à peça final. Como os centros de usinagem são totalmente capazes de produzir peças de uso final, bem como protótipos, é possível criar protótipos próximos ao produto final – um feito que raramente é possível com impressão 3D ou outros métodos.

Parte disso se deve aos materiais. Muitos metais de engenharia são altamente usináveis, o que permite que os engenheiros façam protótipos dos mesmos (ou similares) materiais que usarão para a peça final. Mas a qualidade do processo em si também é um fator:as peças usinadas são fortes e não apresentam fraqueza ao longo de certos eixos, como peças impressas, enquanto o próprio processo de usinagem pode ser usado para replicar outros processos, como a conformação de chapas metálicas.

Além disso, a criação de um protótipo com aparência e comportamento próximos da peça final facilita a transição para a produção em ponte, pois há menos alterações significativas a serem feitas.

Desvantagens da prototipagem com usinagem CNC

Apesar de suas vantagens, a usinagem CNC apresenta algumas limitações como método de prototipagem, o que pode levar as empresas a preferir uma abordagem alternativa.

Mais caro que a impressão 3D

Uma das desvantagens óbvias dos protótipos de usinagem CNC é o custo do processo. Centros de usinagem são grandes peças de maquinário que exigem energia significativa e maior supervisão humana do que as impressoras 3D. Os metais usináveis ​​também têm um preço mais alto do que os materiais de impressão comuns, como o PLA.

Esta é uma das principais razões pelas quais os engenheiros podem optar por processos alternativos de prototipagem, mesmo que pretendam usar usinagem para suas peças finais. O desenvolvimento pode ser um dreno de recursos, e é compreensível que as empresas precisem cortar todas as despesas durante o estágio (inicial) de prototipagem.

Algumas restrições geométricas

Os centros de usinagem de 4 e 5 eixos oferecem um alto grau de flexibilidade geométrica, mas mesmo essas máquinas têm suas limitações. Para estruturas elaboradas com geometrias internas complexas, os processos de manufatura aditiva podem ser mais adequados, pois não são restritos pelos ângulos das ferramentas de corte.

Tenha em mente, no entanto, que os protótipos impressos em 3D podem ser enganosos:um design 3D digital que sai perfeitamente de uma impressora 3D pode ser impossível de fabricar usando o equipamento de produção escolhido, sejam centros de usinagem, equipamentos de moldagem por injeção ou qualquer outro. A flexibilidade geométrica para protótipos só é útil se essa flexibilidade puder ser replicada na peça final.

Resíduos

Como a usinagem CNC é um processo subtrativo, requer mais material do que o que realmente entra na peça. Parte do material é cortada e acaba como lascas de metal ou plástico, que devem ser descartadas. Isso é diferente dos processos de prototipagem aditiva, que não produzem resíduos, a menos que a impressão falhe e precise ser repetida.

O uso de usinagem como processo de prototipagem pode incorrer em custos de material mais altos devido ao aumento do uso e desperdício de material. No entanto, os chips muitas vezes podem ser reciclados, de modo que o impacto ambiental do processo não precisa ser severo. (A venda de resíduos recicláveis ​​também pode ajudar a recuperar alguns custos de materiais.)

Meterial removido do bloco sólido

Ferramentas rápidas:protótipos moldados por injeção via usinagem CNC

Vimos como a usinagem CNC pode ser um excelente processo de prototipagem. Mas a usinagem também pode ser usada indiretamente para criar protótipos moldados por injeção.

Por ferramentas de usinagem CNC ou moldes, as empresas obtêm uma maneira mais econômica de criar o aparelho necessário para a moldagem por injeção. Este ferramental usinado CNC pode ser criado mais rapidamente do que o ferramental tradicional e, portanto, é um atalho para protótipos moldados. (Para as peças moldadas finais após o estágio de prototipagem, podem ser empregados métodos tradicionais de ferramentas.)

Usar o processo de usinagem rápida é muito mais econômico ao solicitar grandes volumes de peças moldadas, uma vez que as ferramentas usinadas custam muito mais para fabricar do que as próprias peças de resina moldada. E embora grandes quantidades possam não ser particularmente desejáveis ​​durante a fase de prototipagem, os protótipos moldados autênticos serão mais representativos de uma peça moldada do que, por exemplo, uma alternativa impressa em 3D.

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