La prototipazione CNC è una parte importante dello sviluppo di nuovi prodotti poiché aiuta a valutare se un progetto avrà l'aspetto e il funzionamento previsti. La tecnologia di prototipazione CNC è stata sviluppata da oltre 70 anni, è da tempo il pilastro della produzione moderna ed è indispensabile in ogni settore. La prototipazione CNC consente la realizzazione di prototipi in un periodo di tempo relativamente breve e a basso costo.
La prototipazione CNC è il processo di creazione rapida di prototipi di alta qualità utilizzando macchine utensili CNC. I progettisti e gli ingegneri di prodotto spesso creano prototipi per futuri cicli di produzione. Il processo di lavorazione CNC aiuta a creare la parte finale, progettata per fornire una rappresentazione visiva e funzionale del prodotto finale. In altre parole, la prototipazione CNC raggiunge il risultato fisico di un progetto digitale. I progettisti possono facilmente rilevare ed eliminare i difetti di progettazione attraverso la prototipazione CNC prima di iniziare la produzione in grandi volumi. Naturalmente, la produzione diventa più conveniente quando i difetti di progettazione vengono eliminati durante la fase di prototipazione.
Perché la lavorazione CNC è adatta alla prototipazione?
La lavorazione CNC è un processo ideale per la prototipazione. Innanzitutto, il processo offre un elevato livello di accuratezza e precisione grazie all'uso di computer per controllare il movimento dell'utensile e rilevare il pezzo. Questi controlli computerizzati prendono in considerazione ogni aspetto del progetto, garantendo che i prototipi vengano creati accuratamente secondo le specifiche della parte finale e che parti identiche vengano prodotte ripetutamente.
Un altro motivo per cui il CNC è utile per la prototipazione è la sua velocità. La prototipazione CNC è molto diversa dai processi come lo stampaggio a iniezione, in cui produttori e sviluppatori di prodotti devono attendere settimane o addirittura mesi affinché gli stampi siano pronti.
Processo di prototipazione CNC
Utilizzando un sistema CNC, la prototipazione inizia con la creazione di un modello CAD 3D della parte finale e la sua conversione in un file CAM. I file CAM contengono codice G, incluse molte istruzioni diverse, che controllano il movimento della macchina CNC durante la creazione del prototipo. La macchina CNC taglierà il materiale seguendo queste istruzioni. Grazie al sistema CNC, la supervisione umana durante tutto il processo di prototipazione è minima. Questo è un grande vantaggio rispetto alla lavorazione tradizionale, che richiede molto tempo e una stretta supervisione.
A differenza della stampa 3D, la prototipazione CNC è un metodo sottrattivo che richiede meno materiale. Le singole parti del blocco originale vengono tagliate pezzo per pezzo fino a creare la forma desiderata. Poiché la macchina CNC è controllata da un computer, il processo è caratterizzato da un'elevata precisione. Inoltre, progetti complessi e geometrie complesse possono anche essere facilmente lavorati a CNC per la prototipazione rapida.
Operazioni di prototipazione CNC
I produttori rapidi possono utilizzare diverse operazioni di prototipazione CNC a seconda del design della parte finale. Quale operazione specifica scegliere dipende solitamente da diversi fattori, tra cui le specifiche di progettazione e i materiali utilizzati, tra gli altri. AN-Prototype riassume le seguenti operazioni comuni di elaborazione di prototipi CNC basate su anni di esperienza nell'elaborazione CNC.
La fresatura CNC, l'operazione più comune della lavorazione CNC, si riferisce alla creazione di prototipi con l'ausilio di una fresatrice CNC. Il processo di fresatura CNC è un processo sottrattivo perché la macchina rimuove materiale dal pezzo per creare prototipi di diverse geometrie. Le fresatrici sono dotate di utensili da taglio multipunto, ciascuno dei quali esegue tagli netti di diverse forme e lunghezze su un pezzo rotante. La profondità di taglio, il profilo di movimento dell'utensile e gli assi utilizzati dalla macchina dipendono dalla complessità del progetto. Per ottenere una maggiore precisione di taglio, le fresatrici CNC sono inoltre dotate di assi aggiuntivi per migliorare le loro capacità di movimento, come le macchine CNC a 4 e 5 assi.
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La lavorazione CNC a 5 assi consente a parti complesse con più caratteristiche laterali di lavorare fino a cinque lati in un'unica configurazione. Ciò comporta enormi vantaggi in termini di utilizzo delle macchine CNC notevolmente maggiore, tempi di installazione e ciclo ridotti e migliore qualità. La lavorazione CNC a 5 assi può produrre parti di alta precisione con geometrie estremamente complesse.
La lavorazione CNC Swiss è una tecnica di produzione che utilizza il taglio di utensili specializzati progettati per lavorare pezzi grezzi di metallo o plastica in componenti complessi, sottili o delicati che richiedono tolleranze strette. La tecnologia di lavorazione CNC Swiss è ampiamente utilizzata nell'industria medica, aerospaziale, informatica, elettronica, nei sistemi energetici e di carburante, negli orologi di precisione e nella difesa militare.
Vantaggi della prototipazione CNC
Ci sono centinaia di vantaggi nella prototipazione CNC. Ne elenchiamo alcuni:
1. Alta accuratezza e precisione
La lavorazione CNC facilita la produzione di prototipi con elevata precisione, tolleranza e accuratezza. Questa precisione e accuratezza sono dovute al controllo del computer del movimento dell'utensile da taglio. A causa dell'accuratezza e della precisione del processo di lavorazione CNC, la maggior parte degli errori o difetti nei prototipi realizzati hanno origine nel progetto stesso.
2. Rapporto costi-efficacia
La prototipazione CNC può far risparmiare denaro ai progettisti nel lungo periodo. Questo perché eventuali difetti ed errori possono essere corretti nel prototipo invece di essere esclusi nella massa di parti finali prodotte durante la fase di produzione.
Inoltre, le modifiche future richiedono solo modifiche minori al file CAD anziché la creazione di un nuovo progetto da zero.
3. Coerenza e ripetibilità
La prototipazione CNC è altamente ripetibile. Le parti lavorate del prototipo CNC sono coerenti e imiteranno accuratamente l'originale, indipendentemente dal numero di copie prodotte. Questo è molto diverso da altri processi di prototipazione come lo stampaggio a iniezione, in cui lo stampo si deprezza dopo molte ripetizioni, mentre i prototipi con lavorazione CNC no.
4. Versatilità dei materiali
Rispetto ad altri processi produttivi come la stampa 3D e lo stampaggio a iniezione, la prototipazione CNC può utilizzare più materiali, dalla plastica, al legno, ai metalli più resistenti e persino alla ceramica. Alcune opzioni di materiali adatte per i servizi di prototipazione CNC includono:
metalli
- Alluminio
- Acciaio
- Acciaio inossidabile
- Magnesio
- Titanio
- Zinco
- Ottone
- Bronzo
- Rame
plastica
- ABS
- PMMA
- PTFE
- PCGF
- PAG
- Polistirene (PS)
- Polipropilene (PP)
- Policarbonato (PC)
- Poliossimetilene (POM)
- Polietilene a bassa densità (LDPE)
- Polietilene ad alta densità (HDPE)
5. La lavorazione CNC è veloce
La lavorazione CNC per la produzione di massa è iniziata negli anni '1970 e, con l'evoluzione di macchine e software, è oggi uno dei modi più rapidi e affidabili per creare parti dalla forma complessa da metalli e plastica dura. Una volta programmato con il CNC, una buona fresatrice o un tornio può lavorare l'acciaio o l'alluminio con una velocità sorprendente, trasformando un pezzo grezzo di metallo in un pezzo finito in pochi minuti.
Limitazioni della prototipazione con lavorazione CNC
Sebbene la lavorazione CNC sia una delle migliori strategie per la produzione di prototipi, presenta ancora alcune limitazioni. Queste restrizioni includono:
accumulo di esperienza nel lungo periodo
Prima di prototipare una lavorazione CNC, è consigliabile avere conoscenze tecniche di progettazione CAD file e come generare file CAM da essi. L'installazione e la programmazione delle macchine utensili CNC richiedono una certa competenza tecnica ed esperienza di programmazione a lungo termine. Inoltre, le procedure di test, gli approcci innovativi e la visione creativa sono essenziali per la prototipazione CNC. Non tutti i fornitori di servizi di lavorazione CNC sono in grado di completare la programmazione CNC in modo impeccabile.
Rifiuti materiali
La prototipazione CNC è un processo sottrattivo in cui il materiale viene tagliato da barre o fogli durante la prototipazione. Di conseguenza, più parti vengono prodotte, più materiale viene sprecato, aumentandone i costi. Inoltre, potresti dover sostenere costi aggiuntivi e sprecare più materiale, non essendo sicuro che il prototipo CNC sarà perfetto al primo tentativo. Inoltre, anche se un piccolo lotto di prototipi soddisfa tutti i requisiti tecnici, le possibilità che vengano venduti sono relativamente piccole. Pertanto, aumentano la quantità di rifiuti materiali.
Vincoli geometrici
Uno dei principali ostacoli del processo di prototipazione CNC è l'incapacità di lavorare la geometria all'interno del prototipo, come gli spigoli vivi all'interno della parte. Le macchine utensili CNC lavorano principalmente solo la parte esterna del pezzo. Pertanto, lo sviluppo di un prototipo con componenti interni utilizzando la prototipazione CNC può essere impegnativo. Tuttavia, puoi scegliere un processo di prototipazione alternativo come la stampa 3D per creare un prototipo con componenti interni. La stampa 3D è ideale per produrre la geometria interna di un prototipo perché può lavorare dall'area interna del pezzo a quella esterna.
Più costoso della stampa 3D
In generale, la prototipazione CNC costa più dei processi di stampa 3D. Questo è uno dei motivi principali per cui un ingegnere potrebbe scegliere il processo di stampa 3D per realizzare un prototipo, anche se intende utilizzare la lavorazione CNC per la parte finale. È comprensibile che le aziende debbano tagliare le spese durante la fase (iniziale) di prototipazione.
Applicazioni della prototipazione CNC
La prototipazione CNC viene utilizzata in quasi tutte le industrie di lavorazione meccanica di precisione. Nella maggior parte di questi settori, hanno sempre bisogno di un prototipo funzionale o di un file . I prototipi lavorati a CNC sono la soluzione migliore. Nella maggior parte dei casi, gli strumenti di lavorazione CNC sono solitamente più adatti per questi prototipi funzionali che richiedono resistenza, stabilità meccanica o altre caratteristiche che i processi additivi non possono fornire, quindi vengono utilizzati in questi settori.
L’industria aerospaziale è uno dei settori con un alto tasso di utilizzo della prototipazione CNC. I macchinisti nel campo aerospaziale utilizzano questo processo per sviluppare prototipi funzionali con elevata precisione e accuratezza. Inoltre, gli ingegneri utilizzano la prototipazione CNC per testare la funzionalità dei componenti lavorati e altre innovazioni nel settore aerospaziale. Aiuta a garantire l'affidabilità di questi componenti e previene il malfunzionamento dell'aereo durante il volo. Componenti tipici di un aereo realizzato con tecniche di prototipazione CNC sono ali, boccole, collettori, ecc.
L'industria medica ha una forte domanda di parti e dispositivi medici con tolleranze e precisione ristrette. L'industria medica trae vantaggio dalla prototipazione CNC perché è compatibile con un'ampia varietà di materiali lavorati a CNC. Inoltre, con l’evolversi della tecnologia medica, aumenta la richiesta di componenti medici con le tolleranze più strette come protesi, stent impiantati, forbici chirurgiche, tubi per biopsia e altro ancora. Le macchine CNC producono prototipi funzionali di alta qualità con precisione e accuratezza eccezionali per l'industria medica.
L'industria automobilistica è uno dei settori con il maggior utilizzo di prototipi lavorati a controllo numerico, con tolleranze più strette ed elevata precisione. Ingranaggi, ruote, freni e componenti delle sospensioni sono tipici esempi di prototipazione CNC. Inoltre, questi componenti automobilistici richiedono le tolleranze più strette per garantire prestazioni e sicurezza ottimali del veicolo. L'industria automobilistica sviluppa prototipi e ne testa la funzionalità installandoli sui veicoli per garantire che servano allo scopo previsto. Tuttavia, la creazione di un prototipo automobilistico che soddisfi lo scopo e le specifiche previsti può essere difficile senza la prototipazione CNC. La lavorazione CNC è responsabile dello sviluppo di prototipi automobilistici secondo specifiche precise. La prototipazione CNC realizza anche parti per altri veicoli come barche, camion per le consegne e altro ancora.
L'industria petrolifera ha una forte domanda di componenti con una resistenza superiore che possano essere estratti in profondità nella superficie terrestre per estrarre risorse. Gli ingegneri utilizzano spesso prototipi di fresatura CNC o altri processi di lavorazione CNC personalizzati per creare queste parti e soddisfare i requisiti.
Industria militare
I reparti di ricerca e sviluppo traggono vantaggio dall’utilizzo di processi di prototipazione CNC in ambito militare. La ricerca e sviluppo militare utilizza questa tecnica di produzione per sviluppare aerei, veicoli da combattimento e altre parti lavorate a CNC. Ingegneri e sviluppatori di prodotti nel settore della difesa si affidano alla lavorazione CNC di prototipi perché consente la prototipazione rapida e la fabbricazione di parti indipendentemente dalla durezza del materiale. I prototipi lavorati a CNC sono perfetti per questo scopo. Esempi di apparecchiature prodotte per questo settore includono parti di aeromobili, componenti di trasporto, componenti di comunicazione, munizioni e altro ancora.
Suggerimenti per la prototipazione CNC
La prototipazione CNC è un metodo affidabile che consente ai produttori di garantire che le parti soddisfino i requisiti e la precisione prima della produzione di massa. AN-Prototype riassume alcuni suggerimenti per l'elaborazione di prototipi CNC come riferimento.
Ridurre la complessità del prototipo
Anche se un design complesso sembra una buona idea, in realtà non è proprio così. Una cosa da notare sulla prototipazione CNC è che maggiore è la complessità, maggiore è il costo della lavorazione CNC. Oltre ai costi, è necessario molto tempo per impostare una macchina per un progetto che richiede più angoli e sottosquadri, oltre al tempo impiegato nella lavorazione CNC. Pertanto, i progetti complessi aumentano i tempi di sviluppo, aumentando così i costi di sviluppo del prodotto e ritardando il time-to-market.
Tolleranza predefinita
Le tolleranze predefinite sono generalmente la migliore pratica per la prototipazione CNC. Il raggiungimento di tolleranze più strette può richiedere utensili da taglio specializzati e attrezzature aggiuntive, che influiscono sul costo della lavorazione CNC. Di solito è meglio lasciare che un ingegnere esperto lavori sul tuo progetto per determinare quale livello di tolleranza è migliore per il prototipo del tuo prodotto.
Progettare tenendo presente la geometria dell'utensile
Poiché il programma di lavorazione viene eseguito in rotazione, considerare le caratteristiche assiali dell'utensile da taglio o dell'oggetto lavorato durante la lavorazione CNC del prototipo. La maggior parte degli utensili da taglio hanno una lunghezza di taglio limitata e sono circolari. Pertanto, la geometria dell'utensile avrà un impatto su tutte le operazioni di taglio.
Collabora con un esperto creatore di prototipi CNC
Inoltre, dovresti lavorare con uno specialista esperto di prototipazione CNC. Perché possono concentrarsi sulla semplificazione del processo per creare prototipi di alta qualità. Gli esperti considerano anche i vincoli geometrici del processo di lavorazione necessario per realizzare il prototipo desiderato. Raccogliere i vantaggi dello sviluppo di prototipi utilizzando la lavorazione CNC può essere difficile senza un prototipista esperto.
Confronto tra prototipi lavorati a CNC e prototipi stampati ad iniezione
Sebbene entrambi i prototipi forniscano una rappresentazione visiva del prodotto finale, sono piuttosto diversi l’uno dall’altro. Ecco un confronto tra i due tipi di archetipi.
Tolleranza della parte
Le tolleranze delle parti per i prototipi stampati a iniezione vanno da ±. da 0.1 a 0.7 mm. La ragione di ciò è dovuta al restringimento dopo l'iniezione. D'altra parte, il prototipo della macchina CNC ha un livello di tolleranza estremamente elevato di ±0.01 mm, a dimostrazione della precisione e dell'accuratezza del processo di lavorazione.
Materiale prototipo
I prototipi stampati ad iniezione sono solitamente in plastica o elastomeri. Questo perché il processo di produzione richiede che il materiale fuso venga inserito negli stampi per formare prototipi. Al contrario, i prototipi lavorati a CNC possono essere in legno, plastica o metallo, a seconda del materiale scelto dal progettista.
Qualità della superficie
Nonostante la precisione del processo di stampaggio a iniezione, i prototipi prodotti possono presentare difetti minori come deformazioni, segni di avvallamento, linee di flusso, linee di saldatura, ecc. Questi difetti possono influenzare negativamente l'aspetto dei prototipi stampati a iniezione. D'altra parte, i prototipi lavorati a CNC hanno una migliore finitura superficiale grazie all'ampia gamma di strumenti utilizzati nel processo di lavorazione CNC.
Confronto tra prototipazione CNC e stampa 3D
Sebbene entrambi siano processi di prototipazione, sono molto diversi negli approcci e nelle soluzioni che offrono. Inoltre, entrambi i processi hanno i loro pro e contro.
Consumo di materiale
stampa 3D ha uno spreco di materiale notevolmente inferiore rispetto alla prototipazione CNC. Questo perché la stampa 3D utilizza solo i materiali necessari nel processo di produzione. La lavorazione CNC, invece, rimuove il materiale in eccesso dal blocco per ottenere la forma desiderata.
Costo di prototipazione
Il processo CNC è più costoso della stampa 3D. La differenza di prezzo è dovuta al numero di accessori necessari affinché la macchina CNC funzioni in modo ottimale. Questi accessori spaziano da attrezzature e utensili da taglio a sistemi di erogazione del fluido da taglio. Inoltre, l’elevato costo di acquisto delle macchine CNC influisce sul costo dei prototipi prodotti attraverso il processo di lavorazione, rendendoli più costosi.
Materiale di supporto
La lavorazione CNC supporta un'ampia gamma di materiali, dal legno e plastica ai metalli e le leghe. La stampa 3D, d’altro canto, generalmente favorisce i materiali termoplastici perché sono facili da riscaldare e modellare.
Tolleranza e tenacità della parte
Le macchine CNC hanno una tolleranza di ±0.01 mm, mentre le tecnologie di stampa 3D di nuova generazione come DMLS (Direct Metal Laser Sintering) hanno una tolleranza di ±0.1 mm. Inoltre, la prototipazione CNC produce parti più resistenti di quelle prodotte dalla stampa 3D.
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