Domine a usinagem de protótipos CNC:insights de especialistas e guia prático

A prototipagem é uma das principais etapas no desenvolvimento de produtos, pois ajuda a avaliar a aparência e a funcionalidade de um design. Realizar esse processo usando métodos de usinagem tradicionais é caro e demorado. No entanto, a usinagem de protótipos CNC torna possível fabricar protótipos de forma barata e em um período relativamente curto.

Neste artigo, discutiremos a usinagem de protótipos e examinaremos as diferentes aplicações da usinagem de prototipagem CNC, considerações e dicas para o processo.

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O que é usinagem de protótipos?

A usinagem de protótipos é um processo usado para criar protótipos rapidamente usando uma máquina CNC. O lote de produção costuma ser pequeno, visando proporcionar uma representação visual e funcional do produto final. Em outras palavras, a usinagem de protótipos determina como seria fisicamente um projeto digital.

Com a usinagem de protótipos, fica mais fácil para os fabricantes detectar defeitos de projeto e eliminá-los antes do início da produção em larga escala. A eliminação de defeitos nesta fase do desenvolvimento do produto ajuda a tornar a produção rentável.

Por que a usinagem CNC é boa para processos de prototipagem?

Vários motivos tornam a usinagem CNC o processo ideal para prototipagem. Em primeiro lugar, este processo oferece um alto nível de exatidão e precisão devido à utilização de controles computadorizados que supervisionam o movimento da peça e da ferramenta de corte. Esses controles computadorizados consideram todos os ângulos do seu projeto, garantindo que o protótipo gerado seja sua réplica.

Outra razão pela qual o CNC é bom para prototipagem é a sua velocidade. É bem diferente de processos como moldagem por injeção, onde o fabricante e o desenvolvedor do produto teriam que esperar alguns meses para que as tolerâncias e o molde estivessem prontos.

Com o sistema CNC, a prototipagem começa com a criação de um modelo CAD 3D do produto final e a conversão em arquivos CAM. Os arquivos CAM contêm o Código G, que controla o movimento da máquina CNC durante o processo de criação do protótipo.

Diferentes operações de prototipagem CNC

Existem diferentes operações de usinagem CNC de protótipos disponíveis para os fabricantes. A operação específica escolhida para um projeto muitas vezes depende de vários fatores, incluindo a especificação do projeto e os materiais utilizados.

Abaixo estão as operações comuns de usinagem de prototipagem CNC.

Fresagem

Esta operação envolve a criação de um protótipo com o auxílio de uma fresadora. O processo de fresamento CNC é subtrativo, pois a máquina corta materiais de uma peça para criar um protótipo fresado CNC de geometrias variadas. A fresadora possui ferramentas de corte multiponto, com cada ponta de corte fazendo cortes nítidos de diversos formatos e comprimentos na peça à medida que ela gira.

A profundidade e o tipo de corte realizado na peça e os eixos utilizados pela máquina dependem da complexidade do projeto. Para maior precisão de corte, a fresadora também possui eixos adicionais que melhoram seu movimento.

Torneamento

Este processo envolve a confecção de protótipos utilizando um torno com ferramenta de torno. Esta ferramenta é ideal para fazer protótipos detalhados, bem como produtos finais com características cilíndricas. A ferramenta de corte do torno fica estacionária nesta operação de usinagem enquanto a peça gira próxima a ela.

Ao contrário da fresadora, o torno cria peças cilíndricas usando uma ferramenta de corte de ponta única para remover materiais de uma barra. O torneamento CNC é ideal para criar recursos lineares na parte externa de um protótipo, bem como ranhuras, roscas e cones nas bordas internas.

Usinagem multieixos

Esta é uma operação de prototipagem rápida mais versátil, ideal para fazer protótipos com especificações complexas, pois envolve mais eixos do que as operações convencionais. Aqui, existem máquinas de 4 eixos, 5 eixos e até 9 eixos. Além disso, quanto maior o número de eixos levados em consideração pela máquina, maior será sua capacidade de fornecer altas tolerâncias e peças de máquina difíceis.

Vantagens da Usinagem CNC para Protótipos

Quanto à escolha do processo CNC para seus protótipos, aqui estão algumas vantagens de fazer protótipos por meio de usinagem CNC.

1. Alta Precisão e Precisão

A usinagem CNC facilita a produção de protótipos com alta precisão, tolerâncias e exatidão. Essa precisão e exatidão se devem ao controle computadorizado colocado na movimentação das ferramentas de corte.

Como o processo de usinagem é exato e preciso, erros ou falhas no protótipo fabricado geralmente decorrem do próprio projeto.

2. Econômico

O CNC para prototipagem rápida ocorre em lotes únicos ou pequenos para que o fabricante possa avaliar o produto visual e funcionalmente. A produção de pequenos lotes é à prova de falhas e protege o fabricante ou desenvolvedor do produto da ruína financeira. Se o fabricante encontrar um defeito durante a avaliação, a perda será mínima em comparação com a detecção de um defeito após a produção em larga escala.

3. Consistência e repetibilidade

A prototipagem CNC possui um alto grau de repetibilidade. Em outras palavras, usar o mesmo processo e design usados ​​na fabricação de um determinado produto acabado produziria uma réplica desse produto.

Além disso, as máquinas de prototipagem CNC são consistentes e oferecem imitações exatas do design original, independentemente de quantas cópias sejam produzidas. Isto é bastante diferente de outros processos de prototipagem, como a moldagem por injeção, onde após várias repetições, o molde se deprecia, causando alterações mínimas no design.

4. Versatilidade de materiais

Embora haja um limite para o número de materiais com os quais processos de fabricação e usinagem, como impressão 3D e moldagem por injeção, podem funcionar, a prototipagem CNC oferece mais versatilidade. Com a prototipagem CNC, torna-se possível usinar diversos materiais, desde plásticos e madeira até o mais resistente protótipo de metal.

As opções de materiais que você pode usar com a usinagem de protótipos CNC incluem plásticos como PS, LDPE, HDPE, PC, PP, PMMA, POM, PAGF, PCGF, ABS e Teflon.

Metais e ligas metálicas ideais para usinagem de protótipos CNC incluem alumínio, aço, aço inoxidável, magnésio, titânio, zinco, cobre, bronze e latão.

5. Processo que economiza tempo

Fazer protótipos em CNC é um processo que economiza tempo, pois não requer a produção de moldes e outros pré-requisitos. Além disso, a modificação de projetos é rápida, pois o fabricante precisa modificar os arquivos CAD e CAM e produzir o protótipo novamente utilizando a máquina CNC.

Limitações da prototipagem com usinagem CNC

A prototipagem com Usinagem CNC continua sendo uma das melhores formas de produzir protótipos, mas ainda existem limitações para a utilização deste processo. Abaixo estão algumas dessas limitações;

1. Restrições geométricas

Uma grande limitação do processo de prototipagem CNC é a sua incapacidade de trabalhar em geometrias interiores. Isso ocorre principalmente porque a máquina funciona apenas externamente.

Em outras palavras, seria difícil gerar protótipos que possuíssem componentes internos utilizando usinagem de protótipos CNC. Para fazer protótipos com componentes internos, é melhor utilizar processos de fabricação aditiva, como a impressão 3D, que funcionam de dentro para fora, pois são melhores na fabricação de geometrias internas.

2. Conhecimento técnico

Projetar um arquivo CAD e gerar um arquivo CAM a partir dele requer conhecimento técnico. Além disso, configurar e operar a máquina CNC requer algum conhecimento. A prototipagem CNC requer conhecimento de procedimentos de teste, abordagens inovadoras, experiência e visão criativa.

Além disso, nem todo fabricante que realiza usinagem CNC pode fazer protótipos CNC sem treinamento. É por isso que muitas vezes é aconselhável terceirizar trabalhos de usinagem de protótipos CNC para especialistas como WayKen, com anos de experiência na indústria de prototipagem.

3. Processo de Fabricação Subtrativa e Desperdício de Materiais

A usinagem CNC remove materiais da peça durante o processo de prototipagem ou produção, tornando-a um processo de fabricação subtrativo. Conseqüentemente, aumentar a quantidade de material utilizado durante o processo de fabricação aumenta o custo do material.

Além disso, como é altamente improvável que um protótipo seja ideal na primeira tentativa, isto aumenta o desperdício de materiais e os custos associados. Além disso, como há pouca probabilidade de venda do pequeno lote de protótipos produzidos, mesmo que atendam a todos os requisitos técnicos, ainda é considerado desperdício de materiais.

4. Custa mais que a impressão 3D

Os custos de material incorridos durante a usinagem do protótipo CNC tornam o processo muito mais caro do que a impressão 3D SLS. Além disso, com a prototipagem, o foco geralmente está nos detalhes, e não na otimização de custos, e é por isso que os preços às vezes são altíssimos.

No entanto, o preço muitas vezes vale a pena, pois a precisão e a exatidão do protótipo são maiores e a gama de materiais é mais ampla.

Aplicações de usinagem de protótipos CNC

A usinagem de protótipos CNC é um processo de prototipagem com ampla aceitabilidade em todos os setores. Contudo, algumas indústrias utilizam este processo mais do que outras; aqui estão algumas dessas indústrias.

Indústria Automobilística

A indústria automotiva exige peças e modelos com alta precisão e tolerâncias restritas. Essas peças geralmente variam desde freios e engrenagens até componentes de suspensão e até mesmo rodas. Todas essas peças exigem tolerâncias ultrarritas para garantir a segurança dos veículos.

Esta indústria fabrica esses protótipos e os instala em veículos para garantir que se encaixem e funcionem adequadamente antes da produção em massa. Sem a usinagem de protótipos CNC, seria um desafio desenvolver protótipos automotivos que atendessem consistentemente às especificações desejadas.

Indústria Médica

Esta indústria precisa de peças e equipamentos com precisão e exatidão microscópicas. A indústria médica também desfruta da versatilidade na escolha de materiais oferecida pela usinagem de protótipos CNC com requisitos para peças feitas de metal e plástico.

Além disso, com o avanço da tecnologia médica, há necessidade de próteses, tubos de biópsia, tesouras cirúrgicas, porta-implantes, etc., peças que exigem as mais rigorosas tolerâncias. O processo de usinagem CNC fornece a esta indústria protótipos funcionais de alta qualidade com alta precisão e exatidão.

Indústria Aeroespacial

Esta indústria usa tecnologia de prototipagem CNC para dois propósitos principais. Primeiro, desenvolver peças com alto grau de precisão e exatidão. Outro motivo é testar o desempenho dessas peças e de outras inovações na indústria aeroespacial quanto à sua funcionalidade, garantindo que essas peças não falhem quando uma aeronave estiver no ar. As peças de aeronaves geralmente feitas usando usinagem de protótipo CNC incluem coletores, buchas, aerofólios, etc.

Indústria Militar

O departamento de pesquisa e desenvolvimento (P&D) utiliza principalmente essa tecnologia na indústria militar. A P&D militar usa usinagem de protótipos CNC para produzir veículos de guerra, aeronaves e outras peças. Eles contam com esse processo, pois facilita a rápida produção de peças independente da dureza do material utilizado.

Considerações e dicas para prototipagem CNC

A prototipagem CNC é um método confiável usado pelos fabricantes para garantir que as peças atendam aos requisitos e à precisão antes da produção em massa. Quer fazer um protótipo CNC do seu projeto? Aqui estão algumas dicas para você.

Reduza a complexidade do protótipo

Embora um design complexo possa parecer uma boa ideia, geralmente não é. Uma coisa a se notar sobre a usinagem de protótipos CNC é que quanto maior a complexidade, maior o custo de usinagem CNC. Além do custo, leva muito tempo para configurar a máquina para um projeto que exige vários ângulos e recortes, aumentando consequentemente o tempo de desenvolvimento.

Portanto, um design complexo aumenta o custo de desenvolvimento do seu produto e o tempo de lançamento no mercado, aumentando o tempo de desenvolvimento.

Usar tolerâncias padrão

As tolerâncias padrão costumam ser as melhores práticas, obtidas após anos de trabalho com um material específico. Alcançar tolerâncias mais rigorosas pode exigir ferramentas de corte especializadas e acessórios adicionais, o que teria impacto no custo de produção. Muitas vezes é melhor deixar que os engenheiros experientes que trabalham no seu projeto decidam qual nível de tolerância seria ideal para o protótipo do seu produto.

Leve em consideração a geometria da ferramenta ao projetar

Considere as características axiais das ferramentas de corte ou usinadas durante a usinagem CNC do protótipo, uma vez que os procedimentos de usinagem operam de forma rotativa. A maioria das ferramentas de corte tem comprimentos de corte limitados e são redondas. Portanto, a geometria da ferramenta terá impacto em todas as operações de corte.

Use um fabricante experiente de protótipos CNC

Mais essencial, você deve colaborar com um especialista experiente em prototipagem CNC. Pois eles podem se concentrar na simplificação de processos para criar protótipos de alta qualidade. O especialista também considera as restrições geométricas do processo de usinagem necessárias para fabricar o protótipo desejado. Sem um fabricante de protótipos experiente, seria difícil colher os benefícios do desenvolvimento de protótipos utilizando usinagem CNC.

Comparação entre protótipos usinados CNC e protótipos de moldagem por injeção

Embora ambos os protótipos forneçam uma representação visual do produto final, eles são bastante diferentes um do outro. Aqui está uma comparação entre os dois tipos de protótipos.

Tolerância da peça

Os protótipos moldados por injeção têm uma tolerância de peça que varia de ±. 0,1 a 0,7 mm. O baixo nível de tolerância obtido com protótipos moldados por injeção é devido ao encolhimento após a injeção.

Por outro lado, os protótipos de máquinas CNC apresentam um nível de tolerância muito elevado de ± 0,01 mm, uma prova da precisão e exatidão do processo de usinagem.

Material do protótipo

Os protótipos moldados por injeção são geralmente plásticos ou elastômeros. Isto se deve ao processo de produção que exige materiais fundidos em um molde para formar os protótipos. Por outro lado, os protótipos usinados em CNC podem ser de madeira, plástico ou metal, dependendo do material escolhido pelo fabricante.

Qualidade da superfície

Embora o processo de moldagem por injeção seja preciso, os protótipos produzidos podem apresentar pequenos defeitos como empenamentos, marcas de afundamento, linhas de fluxo, linhas de solda, disparos de vácuo, shorts curtos e jateamento. Esses defeitos impactam negativamente a aparência dos protótipos moldados por injeção.

Por outro lado, os protótipos usinados em CNC apresentam melhor acabamento superficial devido ao amplo ferramental empregado durante o processo.

Comparação entre prototipagem CNC e impressão 3D

Embora ambos sejam processos de prototipagem, eles são bastante diferentes um do outro tanto no método quanto na solução fornecida. Além disso, ambos os processos têm seus pontos fortes, fracos e cenários ideais. Porém, para este artigo, aqui está uma comparação entre os dois processos;

Consumo de materiais

Comparado à usinagem de protótipos CNC, o desperdício de material da impressão 3D é bastante baixo. Isso ocorre porque a Impressão 3D utiliza apenas o material necessário durante o processo de fabricação. Por outro lado, a usinagem CNC corta o excesso de material de um bloco para atingir o formato desejado.

Custo de prototipagem

Os processos CNC são mais caros do que a impressão 3D. A diferença de preço se deve à quantidade de acessórios que uma máquina CNC necessita para funcionar de maneira ideal. Esses acessórios variam desde acessórios e ferramentas de corte até sistemas de distribuição de fluidos de corte.

Além disso, o alto custo de aquisição da máquina de prototipagem CNC influencia no custo dos protótipos produzidos através do processo de usinagem, tornando-os consideravelmente mais caros.

Materiais Suportados

A usinagem CNC suporta materiais que vão desde madeira e plástico até metais e ligas. A impressão 3D, por outro lado, normalmente suporta termoplásticos devido à sua facilidade de aquecimento e reforma.

Tolerância e tenacidade da peça

As máquinas CNC têm uma tolerância de ±0,01 mm, enquanto as tecnologias de impressão 3D de próximo nível, como DMLS (Direct Metal Laser Sintering), têm um nível de tolerância de ±0,1 mm. Além disso, as máquinas de prototipagem CNC produzem peças mais resistentes do que as produzidas pela impressão 3D.

WayKen oferece serviços CNC para prototipagem rápida

A tecnologia de ponta da WayKen e mais de 20 anos de experiência em prototipagem CNC nos permitem produzir seus modelos CAD de maneira ideal. Fornecemos serviços especializados de usinagem CNC, desde usinagem de prototipagem de precisão até execuções completas de produção.

Podemos criar protótipos de alta qualidade, independentemente do setor, que atenda às especificações desejadas, graças à nossa rica experiência em usinagem no setor. Basta fazer upload de seus arquivos CAD para receber DfM e um orçamento.

Perguntas frequentes

Quais são os materiais para protótipos CNC?

Os materiais para protótipos CNC são metais:bronze, zinco, magnésio, titânio, cobre, latão, aço inoxidável e alumínio.

Acrílico, ABS, PP, náilon, PC, Teflon, HDPE, LDPE e PVC são exemplos de materiais plásticos ótimos para prototipagem CNC.

Existem opções melhores para prototipagem do que a usinagem de protótipos CNC?

A usinagem de protótipo CNC é uma de suas melhores opções se você deseja um protótipo altamente durável. No entanto, o material para a tarefa, o quão estruturalmente robusto você deseja que o protótipo seja e alguns outros critérios desempenharão um papel significativo na sua decisão de escolher quais processos de prototipagem.

Quais fatores afetam o custo da prototipagem CNC?

Os fatores que influenciam o custo da prototipagem CNC incluem complexidade do projeto, tolerâncias e escolha do material. Outros fatores incluem o tipo de máquina CNC utilizada e a opção de acabamento superficial escolhida.