Prototipagem CNC: Vantagens e Limitações que Você Deve Conhecer

O que é usinagem CNC?

Usinagem de Controle Numérico Computadorizado (CNC) é um processo de fabricação no qual entradas de computador são usadas para controlar ferramentas de usinagem como brocas e tornos. É usada em muitas indústrias para uma variedade de protótipos e peças de uso final.

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

Usinagem é um processo subtrativo, o que significa que o equipamento remove material existente em vez de introduzir novo material. Diferente da manufatura aditiva, na qual uma impressora 3D deposita material em camadas para formar um objeto, a usinagem CNC envolve cortar seções de um bloco amorfo conhecido como "peça bruta" (workpiece). Material excedente é descartado ou reciclado, eventualmente deixando para trás uma peça completa. Máquinas CNC mais complexas, aquelas com maior número de eixos, são capazes de cortar a peça bruta de maneiras mais complexas, produzindo peças com geometrias mais intrincadas.

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

A usinagem CNC é boa para prototipagem?

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

Protótipos podem ter muitas funções diferentes. No seu nível mais básico, atuam como placeholders ou adereços — representações soltas de uma peça final usadas para transmitir informação visual sobre como a peça final será ou se comportará. Estes protótipos de aparência (looks-like prototypes) podem ser usados para guiar o processo de P&D ou fornecer prova de conceito. Se feitos com alto padrão estético, também podem ser usados para apresentar um novo produto a investidores potenciais. Tais protótipos podem ser muito importantes, mas não necessariamente precisam ser feitos usando equipamento profissional 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, empresas podem precisar criar protótipos de engenharia ou protótipos de produção: protótipos que não apenas parecem a peça final, mas funcionam como ela também, atuando como substituto o mais próximo possível da coisa real. Embora a impressão 3D possa ser uma ótima opção para prototipagem de aparência, a usinagem CNC é frequentemente preferível para esses protótipos funcionais que requerem resistência, estabilidade mecânica ou outras características não proporcionadas por processos aditivos. Afinal, poucas peças de uso final são feitas com 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 a peça final será feita? Estas e outras questões guiarão o usuário ao método de prototipagem mais apropriado.

Vantagens da prototipagem com usinagem CNC

Existem numerosas razões pelas quais uma empresa pode usar usinagem CNC para produzir um protótipo, incluindo velocidade de produção, qualidade da peça, opções de material e similaridade à 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, engenheiros sabem que um protótipo usinado corresponderá de perto ao design 3D digital, e que o mesmo design digital pode ser usado posteriormente para criar uma peça final com dimensões idênticas. O grau de repetibilidade é particularmente alto.

Além disso, usar designs 3D digitais permite alterações rápidas e precisas. Se um protótipo usinado exibe uma falha física resultante de mau design, o engenheiro pode retornar ao software CAD para fazer alterações adequadas para o próximo protótipo. Diferentes versões podem ser comparadas lado a lado, e software de simulação pode até ser usado para testar preemptivamente como uma peça se comportará no mundo real.

Qualidade e consistência

Computadores não são perfeitos, mas maquinário controlado por computador tende a funcionar exatamente como deveria — a menos que quebre. Enquanto muitos processos de prototipagem dependem de habilidade humana (e são portanto suscetíveis a erro humano), máquinas CNC seguem suas instruções dentro de uma fração de milímetro.

Importante, elas também podem fazer isso repetidamente. Embora uma empresa possa estar fazendo apenas um único protótipo, uma máquina CNC pode, se necessário, rodar o mesmo trabalho uma segunda vez com desvio mínimo do primeiro. Isso é incrivelmente útil para desenvolver novas iterações de um protótipo, e para passar à produção com a mesma maquinário. (Processos manuais são incrivelmente importantes, mas é mais fácil garantir consistência com uma máquina automatizada.)

Gama de materiais resistentes

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

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

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

Similaridade à peça final

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

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

Além disso, criar um protótipo próximo em aparência e comportamento à peça final facilita a transição para produção ponte (bridge production), já que há menos mudanças significativas a fazer.

Desvantagens da prototipagem com usinagem CNC

Apesar de suas vantagens, a usinagem CNC tem certas limitações como método de prototipagem, que podem levar empresas a favorecer uma abordagem alternativa.

Mais cara que impressão 3D

Uma das desvantagens óbvias de protótipos de usinagem CNC é o custo do processo. Centros de usinagem são grandes máquinas que requerem energia significativa e maior supervisão humana que impressoras 3D. Metais usináveis também vêm a um preço mais alto que materiais comuns de impressão como PLA.

Esta é uma das principais razões pelas quais engenheiros podem escolher processos alternativos de prototipagem, mesmo que pretendam usar usinagem para suas peças finais. Desenvolvimento pode drenar recursos, e é compreensível se empresas precisam cortar cada despesa durante o estágio de prototipagem (inicial).

Algumas restrições geométricas

Centros de usinagem de 4 e 5 eixos oferecem grande flexibilidade geométrica, mas mesmo estas máquinas têm suas limitações. Para estruturas elaboradas com geometrias internas complexas, processos de manufatura aditiva podem ser mais adequados, pois não são restringidos pelos ângulos das ferramentas de corte.

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

Desperdício de material

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

Usar usinagem como processo de prototipagem pode incorrer em custos de material mais altos devido ao aumento de uso e desperdício de material. No entanto, cavacos podem frequentemente ser reciclados, então o impacto ambiental do processo não precisa ser severo. (Vender material de desperdício reciclável também pode ajudar a recuperar alguns custos de material.)

Ferramental rápido: Protótipos injetados 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 injetados.

Ao usinar ferramental ou moldes CNC, empresas têm uma forma mais custo-efetiva de criar o aparato necessário para injeção de plástico. Este ferramental usinado CNC pode ser criado mais rapidamente que ferramental tradicional, sendo portanto um atalho para protótipos moldados. (Para as peças moldadas finais após o estágio de prototipagem, métodos de ferramental tradicional podem ser empregados.)

Usar o processo de ferramental rápido é muito mais custo-efetivo ao encomendar volumes maiores de peças moldadas, já que o ferramental usinado custa muito mais para fabricar que as peças de resina moldadas em si. E embora grandes quantidades possam não ser particularmente desejáveis durante o estágio de prototipagem, os protótipos moldados autênticos serão mais representativos de uma peça moldada que, por exemplo, uma alternativa impressa em 3D.

Entre em contato com a 3ERP para descobrir se a usinagem CNC é o melhor processo de prototipagem para seu projeto.