A prototipagem CNC é uma parte importante do desenvolvimento de novos produtos, pois ajuda a avaliar se um projeto terá a aparência e o funcionamento esperado. A tecnologia de prototipagem CNC foi desenvolvida há mais de 70 anos e tem sido o esteio da produção moderna e é indispensável em todos os setores. A prototipagem CNC permite a fabricação de protótipos em um período de tempo relativamente curto e com baixo custo.
A prototipagem CNC é o processo de criação rápida de protótipos de alta qualidade usando máquinas-ferramentas CNC. Os designers e engenheiros de produto geralmente criam protótipos para futuras execuções de produção. O processo de usinagem CNC auxilia na criação da peça final, projetada para fornecer uma representação visual e funcional do produto final. Em outras palavras, a prototipagem CNC alcança o resultado físico de um projeto digital. Os projetistas podem detectar e eliminar facilmente falhas de projeto por meio da prototipagem CNC antes de iniciar a fabricação em alto volume. É claro que a produção se torna mais econômica quando as falhas de projeto são eliminadas durante a fase de prototipagem.
Por que a usinagem CNC é adequada para prototipagem?
A usinagem CNC é um processo ideal para prototipagem. Primeiro, o processo oferece um alto nível de exatidão e precisão devido ao uso de computadores para controlar o movimento da ferramenta e detectar a peça. Esses controles de computador consideram todos os ângulos do projeto, garantindo que os protótipos sejam criados com precisão de acordo com as especificações da peça final e que peças idênticas sejam fabricadas repetidamente.
Outra razão pela qual o CNC é bom para prototipagem é a sua velocidade. A prototipagem CNC é muito diferente de processos como a moldagem por injeção, onde os fabricantes e desenvolvedores de produtos devem esperar semanas ou até meses para que os moldes estejam prontos.
Processo de prototipagem CNC
Utilizando um sistema CNC, a prototipagem começa com a criação de um modelo CAD 3D da peça final e a conversão para um arquivo CAM. Os arquivos CAM contêm código G, incluindo muitas instruções diferentes, que controlam o movimento da máquina CNC durante a criação do protótipo. A máquina CNC cortará o material seguindo estas instruções. Graças ao sistema CNC, há muito pouca supervisão humana durante todo o processo de prototipagem. Esta é uma grande vantagem em relação à usinagem tradicional, que consome tempo e requer supervisão rigorosa.
Ao contrário da impressão 3D, a prototipagem CNC é um método subtrativo que requer menos material. Partes individuais do bloco original são cortadas pouco a pouco até que a forma desejada seja criada. Como a máquina CNC é controlada por um computador, o processo é caracterizado por alta precisão. Além disso, projetos complexos e geometrias intrincadas também podem ser facilmente usinados em CNC para prototipagem rápida.
Operações de prototipagem CNC
Os fabricantes rápidos podem usar diferentes operações de prototipagem CNC dependendo do design da peça final. A operação específica a ser escolhida geralmente depende de vários fatores, incluindo especificações de projeto e materiais utilizados, entre outros. AN-Prototype resume as seguintes operações comuns de processamento de protótipos CNC com base em anos de experiência em processamento CNC.
A fresagem CNC, operação mais comum de usinagem CNC, refere-se à criação de protótipos com o auxílio de uma fresadora CNC. O processo de fresamento CNC é um processo subtrativo porque a máquina remove material da peça para criar protótipos de diferentes geometrias. As fresadoras possuem ferramentas de corte multiponto, cada uma das quais faz cortes afiados de diferentes formatos e comprimentos em uma peça rotativa. A profundidade de corte e o perfil de movimento da ferramenta e os eixos utilizados pela máquina dependem da complexidade do projeto. Para obter maior precisão de corte, as fresadoras CNC também são equipadas com eixos adicionais para aprimorar suas capacidades de movimento, como máquinas CNC de 4 e 5 eixos.
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A usinagem CNC de 5 eixos permite que peças complexas com vários recursos laterais usinem até cinco lados em uma única configuração. Isso traz enormes benefícios em termos de maior utilização da máquina CNC, redução dos tempos de configuração e ciclo e melhoria da qualidade. A usinagem CNC de 5 eixos pode produzir peças de alta precisão com geometrias extremamente complexas.
A usinagem CNC Swiss é uma técnica de fabricação que utiliza ferramentas de corte especializadas projetadas para usinar peças brutas de metal ou plástico em componentes complexos, delgados ou delicados que exigem tolerâncias rígidas. A tecnologia de usinagem CNC Swiss é amplamente utilizada na indústria médica, aeroespacial, TI, eletrônica, sistemas de energia e combustível, relógios de precisão e defesa militar.
Vantagens da prototipagem CNC
Existem centenas de vantagens na prototipagem CNC. Vamos listar alguns deles:
1. Alta exatidão e precisão
A usinagem CNC facilita a fabricação de protótipos com alta precisão, tolerância e exatidão. Essa precisão e exatidão se devem ao controle do movimento da ferramenta de corte pelo computador. Devido à exatidão e precisão do processo de usinagem CNC, grande parte dos erros ou falhas nos protótipos fabricados tem origem no próprio projeto.
2. Custo-efetividade
A prototipagem CNC pode economizar dinheiro para os designers de produtos a longo prazo. Isso porque eventuais falhas e erros podem ser corrigidos no protótipo em vez de serem descartados na massa de peças finais produzidas na fase de produção.
Além disso, alterações futuras requerem apenas pequenas modificações no arquivo CAD, em vez de criar um novo design do zero.
3. Consistência e repetibilidade
A prototipagem CNC é altamente repetível. As peças usinadas em protótipo CNC são consistentes e imitarão com precisão o original, não importa quantas cópias sejam produzidas. Isto é muito diferente de outros processos de prototipagem, como moldagem por injeção, onde o molde se deprecia após muitas repetições, enquanto os protótipos de usinagem CNC não.
4. Versatilidade de materiais
Em comparação com outros processos de fabricação, como impressão 3D e moldagem por injeção, a prototipagem CNC pode usar mais materiais, desde plásticos, madeira até os metais mais resistentes e até mesmo cerâmica. Algumas opções de materiais adequados para serviços de prototipagem CNC incluem:
Metais
- Alumínio
- Aço
- Aço inoxidável
- Magnésio
- Titânio
- zinco
- Resina
- Bronze
- Cobre
Plásticos
- ABS
- PMMA
- PTFE
- PCGF
- PAGF
- Poliestireno (PS)
- Polipropileno (PP)
- Policarbonato (PC)
- Polioximetileno (POM)
- Polietileno de baixa densidade (LDPE)
- Polietileno de alta densidade (HDPE)
5. A usinagem CNC é rápida
A usinagem CNC para produção em massa começou na década de 1970 e, à medida que as máquinas e o software evoluíram, é agora uma das maneiras mais rápidas e confiáveis de criar peças de formatos complexos a partir de metais e plásticos duros. Uma vez programado o CNC, uma boa fresadora ou torno pode usinar aço ou alumínio com velocidade surpreendente, transformando uma peça metálica em uma peça acabada em minutos.
Limitações da prototipagem de usinagem CNC
Embora a usinagem CNC seja uma das melhores estratégias para a fabricação de protótipos, ela ainda apresenta certas limitações. Essas restrições incluem:
longo período de acumulação de experiência
Antes de prototipar a usinagem CNC, é aconselhável ter conhecimentos técnicos de projeto CAD arquivos e como gerar arquivos CAM a partir deles. A instalação e programação de máquinas-ferramentas CNC requerem um certo conhecimento técnico e experiência de programação de longo prazo. Além do mais, procedimentos de teste, abordagens inovadoras e visão criativa são essenciais para a prototipagem CNC. Nem todos os prestadores de serviços de usinagem CNC podem concluir a programação CNC perfeitamente.
Resíduos de materiais
A prototipagem CNC é um processo subtrativo no qual o material é cortado de barras ou folhas durante a prototipagem. Como resultado, quanto mais peças são fabricadas, mais material é desperdiçado, aumentando os custos de material. Além disso, você pode incorrer em custos adicionais e desperdiçar mais material, sem ter certeza se o protótipo CNC ficará perfeito na primeira tentativa. Além disso, mesmo que um pequeno lote de protótipos atenda a todos os requisitos técnicos, as chances de serem vendidos são relativamente pequenas. Portanto, aumentam a quantidade de desperdício de material.
Restrições geométricas
Um dos principais obstáculos do processo de prototipagem CNC é a incapacidade de usinar a geometria dentro do protótipo, como cantos vivos dentro da peça. As máquinas-ferramentas CNC processam principalmente apenas a parte externa da peça de trabalho. Portanto, desenvolver um protótipo com componentes internos utilizando prototipagem CNC pode ser um desafio. No entanto, você pode escolher um processo alternativo de prototipagem, como a impressão 3D, para criar um protótipo com componentes internos. A impressão 3D é ideal para fabricar a geometria interna de um protótipo porque pode trabalhar desde a área interna da peça até a área externa.
Mais caro que a impressão 3D
Em geral, a prototipagem CNC custa mais do que os processos de impressão 3D. Este é um dos principais motivos pelos quais um engenheiro pode optar pelo processo de impressão 3D para fabricar um protótipo, mesmo que pretenda utilizar usinagem CNC na peça final. É compreensível que as empresas precisem cortar despesas durante a fase (inicial) de prototipagem.
Aplicações de prototipagem CNC
A prototipagem CNC é usada em quase todas as indústrias de usinagem de precisão. Na maioria dessas indústrias, eles sempre precisam de um protótipo funcional ou de um arquivo . Protótipos usinados CNC são os mais adequados. Na maioria das vezes, as ferramentas de usinagem CNC costumam ser mais adequadas para esses protótipos funcionais que exigem resistência, estabilidade mecânica ou outras características que os processos aditivos não podem fornecer, por isso são utilizadas nessas indústrias.
A indústria aeroespacial é uma das indústrias com alta taxa de utilização de prototipagem CNC. Os maquinistas da área aeroespacial utilizam esse processo para desenvolver protótipos funcionais com alta precisão e exatidão. Além disso, os engenheiros utilizam prototipagem CNC para testar a funcionalidade de componentes usinados e outras inovações na indústria aeroespacial. Ajuda a garantir a confiabilidade desses componentes e evita o mau funcionamento da aeronave durante o vôo. Os componentes típicos de uma aeronave fabricados com técnicas de prototipagem CNC são asas, buchas, coletores, etc.
A indústria médica tem uma alta demanda por peças e dispositivos médicos com tolerâncias e precisão rígidas. A indústria médica se beneficia da prototipagem CNC porque ela é compatível com uma ampla variedade de materiais usinados CNC. Além disso, à medida que a tecnologia médica evolui, há uma procura por componentes médicos com as tolerâncias mais rigorosas, tais como próteses, stents implantados, tesouras cirúrgicas, tubos de biópsia e muito mais. As máquinas CNC produzem protótipos funcionais de alta qualidade com precisão e exatidão excepcionais para a indústria médica.
A indústria automotiva é uma das indústrias que mais utiliza protótipos usinados em CNC, com tolerâncias mais restritas e alta precisão. Engrenagens, rodas, freios e componentes de suspensão são exemplos típicos de prototipagem CNC. Além disso, esses componentes automotivos exigem as tolerâncias mais rigorosas para garantir o desempenho e a segurança ideais do veículo. A indústria automotiva desenvolve protótipos e testa sua funcionalidade instalando-os em veículos para garantir que atendam ao propósito pretendido. No entanto, criar um protótipo automotivo que atenda à finalidade e às especificações pretendidas pode ser um desafio sem a prototipagem CNC. A usinagem CNC é responsável pelo desenvolvimento de protótipos automotivos com especificações precisas. A prototipagem CNC também fabrica peças para outros veículos, como barcos, caminhões de entrega e muito mais.
A indústria do petróleo tem grande demanda por peças com resistência superior que possam ser extraídas nas profundezas da superfície da Terra para extrair recursos. Os engenheiros costumam usar protótipos de fresagem CNC ou outros processos de usinagem CNC personalizados para criar essas peças que atendam aos requisitos.
Industria militar
Os departamentos de pesquisa e desenvolvimento se beneficiam do uso de processos de prototipagem CNC na área militar. A P&D militar utiliza esta técnica de fabricação para desenvolver aeronaves, veículos de combate e outras peças usinadas em CNC. Engenheiros e desenvolvedores de produtos na indústria de defesa confiam na usinagem CNC de protótipos porque ela permite a prototipagem rápida e a fabricação de peças, independentemente da dureza do material. Protótipos usinados em CNC são perfeitos para essa finalidade. Exemplos de equipamentos fabricados para esta indústria incluem peças de aeronaves, componentes de transporte, componentes de comunicações, munições e muito mais.
Dicas para prototipagem CNC
A prototipagem CNC é um método confiável para os fabricantes garantirem que as peças atendam aos requisitos e à precisão antes da produção em massa. AN-Prototype resume algumas sugestões para processamento de protótipos CNC para sua referência.
Reduza a complexidade do protótipo
Embora um design complexo pareça uma boa ideia, na verdade não é bem assim. Uma coisa a se notar sobre a prototipagem CNC é que quanto maior a complexidade, maior será o custo da usinagem CNC. Além do custo, leva muito tempo para configurar uma máquina para um projeto que requer vários ângulos e recortes, aumentando o tempo gasto na usinagem CNC. Portanto, projetos complexos aumentam o tempo de desenvolvimento, aumentando assim os custos de desenvolvimento do produto e atrasando o tempo de lançamento no mercado.
Tolerância padrão
As tolerâncias padrão geralmente são as melhores práticas para prototipagem CNC. Alcançar tolerâncias mais restritas pode exigir ferramentas de corte especializadas e acessórios adicionais, o que afeta o custo da usinagem CNC. Geralmente é melhor deixar um engenheiro experiente trabalhar em seu projeto para determinar qual nível de tolerância é melhor para o protótipo do seu produto.
Projete com a geometria da ferramenta em mente
Como o programa de usinagem é executado em rotação, considere as características axiais da ferramenta de corte ou objeto usinado durante a usinagem CNC do protótipo. A maioria das ferramentas de corte tem comprimento de corte limitado e são circulares. Portanto, a geometria da ferramenta terá impacto em todas as operações de corte.
Trabalhe com um fabricante de protótipos CNC experiente
Além do mais, você deve trabalhar com um especialista experiente em prototipagem CNC. Porque eles podem se concentrar na simplificação do processo para criar protótipos de alta qualidade. Os especialistas também consideram as restrições geométricas do processo de usinagem necessárias para fabricar o protótipo desejado. Colher os benefícios do desenvolvimento de protótipos usando usinagem CNC pode ser difícil sem um fabricante de protótipos experiente.
Comparação entre protótipos de usinagem CNC e protótipos moldados 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 arquétipos.
Tolerância da peça
As tolerâncias das peças para protótipos moldados por injeção variam de ±. 0.1 a 0.7 mm. A razão para isto é devido ao encolhimento após a injeção. Por outro lado, o protótipo da máquina CNC possui um nível de tolerância extremamente alto de ±0.01 mm, comprovando a precisão e exatidão do processo de usinagem.
Material protótipo
Os protótipos moldados por injeção são geralmente de plástico ou elastômeros. Isso ocorre porque o processo de produção exige que o material fundido seja colocado em moldes para formar protótipos. Por outro lado, os protótipos usinados em CNC podem ser de madeira, plástico ou metal, dependendo do material escolhido pelo projetista.
Qualidade da superfície
Apesar da precisão do processo de moldagem por injeção, os protótipos produzidos podem apresentar pequenos defeitos, como empenamento, marcas de afundamento, linhas de fluxo, linhas de solda, etc. Esses defeitos podem afetar negativamente a aparência dos protótipos moldados por injeção. Por outro lado, os protótipos usinados CNC apresentam melhor acabamento superficial devido à ampla gama de ferramentas utilizadas no processo de usinagem CNC.
Comparação entre prototipagem CNC e impressão 3D
Embora ambos sejam processos de prototipagem, eles são muito diferentes nas abordagens e soluções que oferecem. Além disso, ambos os processos têm seus prós e contras.
Consumo de material
impressão 3D tem consideravelmente menos desperdício de material do que a prototipagem CNC. Isso ocorre porque a impressão 3D utiliza apenas os materiais necessários no processo de fabricação. A usinagem CNC, por outro lado, remove o excesso de material do bloco para atingir o formato desejado.
Custo de prototipagem
O processo CNC é mais caro que a impressão 3D. A diferença de preço se deve à quantidade de acessórios necessários para o ótimo funcionamento da máquina CNC. Esses acessórios variam desde acessórios e ferramentas de corte até sistemas de distribuição de fluidos de corte. Além disso, o alto custo de aquisição de máquinas CNC afeta o custo dos protótipos produzidos através do processo de usinagem, tornando-os mais caros.
Material de apoio
A usinagem CNC suporta uma ampla variedade de materiais, desde madeira e plásticos até metais e ligas. A impressão 3D, por outro lado, geralmente favorece os termoplásticos porque são fáceis de aquecer e moldar.
Tolerância e resistência das peças
As máquinas CNC têm uma tolerância de ±0.01 mm, enquanto as tecnologias de impressão 3D de última geração, como DMLS (Direct Metal Laser Sintering), têm uma tolerância de ±0.1 mm. Além disso, a prototipagem CNC produz peças mais resistentes do que as produzidas pela impressão 3D.
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