Mecanizado de prototipos:ventajas y desventajas del CNC para la creación de prototipos

¿Qué es el mecanizado CNC?

El mecanizado de control numérico por computadora (CNC) es un proceso de fabricación en el que las entradas de la computadora se utilizan para controlar las herramientas de mecanizado, como taladros y tornos. Se utiliza en muchas industrias para una variedad de prototipos y piezas de uso final.

El proceso comienza con un diseño digital en 3D, creado con un software CAD, que una computadora puede traducir en una serie de instrucciones para las herramientas de corte de la máquina. Estas instrucciones se conocen como código G. Una vez que se envía el código G a la máquina, se necesita muy poca supervisión manual, ya que la máquina sabe cuándo y dónde cortar y realiza el mecanizado de forma autónoma. Esto da como resultado un ahorro significativo de tiempo y dinero en comparación con el mecanizado tradicional, en el que un maquinista experto corta la pieza de trabajo con herramientas de corte operadas manualmente.

El mecanizado es un proceso sustractivo, lo que significa que el equipo elimina el material existente en lugar de introducir material nuevo. A diferencia de la fabricación aditiva, en la que una impresora 3D deposita material en capas para formar un objeto, el mecanizado CNC implica cortar secciones de un bloque sin forma conocido como "pieza de trabajo". El exceso de material se descarta o recicla, y eventualmente deja atrás una pieza completa. Las máquinas CNC más complejas, aquellas con una mayor cantidad de ejes, son capaces de cortar la pieza de trabajo de formas más complejas, produciendo piezas con geometrías más complejas.

El mecanizado CNC es un proceso de fabricación ampliamente utilizado gracias a su versatilidad, precisión, consistencia y amplia gama de materiales compatibles:aunque las aleaciones de aluminio son el material más común para el mecanizado, también se pueden utilizar muchos otros metales y plásticos.

¿El mecanizado CNC es bueno para la creación de prototipos?

Aunque ahora muchos consideran que la impresión 3D es la forma dominante de creación rápida de prototipos, el mecanizado CNC también es un proceso importante para crear prototipos. Para entender por qué, es beneficioso considerar las diferentes formas que puede tomar un prototipo y considerar por qué existen estos prototipos.

Los prototipos pueden tener muchas funciones diferentes. En su forma más básica, actúan como marcadores de posición o accesorios:representaciones sueltas de una parte final que se utilizan para transmitir información visual sobre cómo se verá o se comportará la parte final. Estos prototipos parecidos se puede utilizar para guiar el proceso de I+D o proporcionar una prueba de concepto. Si se fabrican con un alto estándar estético, también se pueden utilizar para presentar un nuevo producto a posibles inversores. Dichos prototipos pueden ser muy importantes, pero no necesariamente deben fabricarse con equipos profesionales de alta gama:se pueden fabricar a mano o imprimir con una impresora 3D de escritorio de gama baja.

Sin embargo, algunos prototipos se utilizan para algo más que una simple representación visual. Dependiendo de la etapa de desarrollo del producto, las empresas pueden necesitar crear prototipos de ingeniería o prototipos de producción :prototipos que no sólo aspecto como la parte final, pero funcionan como ella también, actuando como un sustituto lo más cerca posible de la cosa real. Si bien la impresión 3D puede ser una gran opción para la creación de prototipos de apariencia, el mecanizado CNC suele ser preferible para estos prototipos funcionales que requieren resistencia, estabilidad mecánica u otras características que no ofrecen los procesos aditivos. Después de todo, no se fabrican muchas piezas de uso final con una impresora 3D.

El mecanizado CNC puede ser una excelente opción para la creación de prototipos, pero su idoneidad depende de la naturaleza del prototipo. ¿Con qué propósito se utilizará el prototipo? ¿De qué material estará hecho? ¿Y de qué material será el final parte ser hecho? Estas y otras preguntas guiarán en última instancia al usuario hacia el método de creación de prototipos más apropiado.

Prototipo de aluminio mecanizado CNC

Ventajas del prototipado con mecanizado CNC

Existen numerosas razones por las que una empresa puede utilizar el mecanizado CNC para producir un prototipo, incluida la velocidad de producción, la calidad de la pieza, las opciones de materiales y la similitud con la pieza final.

Del archivo al prototipo

Una de las mayores ventajas del mecanizado CNC es el elemento "CNC". Dado que el mecanizado CNC es un proceso digital que crea una pieza a partir de un archivo de computadora, los ingenieros saben que un prototipo mecanizado coincidirá estrechamente con el diseño 3D digital y que el mismo diseño digital se puede usar más tarde para crear una pieza final con dimensiones idénticas. El grado de repetibilidad es particularmente alto.

Además, el uso de diseños digitales en 3D permite modificaciones rápidas y precisas. Si un prototipo mecanizado presenta una falla física como resultado de un mal diseño, el ingeniero puede regresar al software CAD para realizar los cambios adecuados para el próximo prototipo. Se pueden comparar diferentes versiones una al lado de la otra, y el software de simulación incluso se puede usar para probar de forma preventiva cómo se comportará una pieza en el mundo real.

Archivo CAD 3D

Prototipo realizado mediante mecanizado CNC de 5 ejes

Calidad y consistencia

Las computadoras no son perfectas, pero la maquinaria controlada por computadora tiende a funcionar exactamente como se supone que debe hacerlo, a menos que se descomponga. Si bien muchos procesos de creación de prototipos dependen de la habilidad humana (y, por lo tanto, son susceptibles al error humano), las máquinas CNC siguen sus instrucciones con una precisión de fracción de milímetro.

Es importante destacar que también pueden hacerlo una y otra vez. Si bien es posible que una empresa solo esté fabricando un único prototipo, una máquina CNC puede, si es necesario, ejecutar el mismo trabajo una segunda vez con una desviación mínima del primero. Esto es increíblemente útil para desarrollar nuevas iteraciones de un prototipo y para pasar a la producción con la misma maquinaria. (Los procesos manuales son increíblemente importantes, pero es más fácil garantizar la coherencia con una máquina automatizada).

Gama de materiales resistentes

Si un prototipo no tiene un propósito mecánico, puede ser adecuado para la impresión 3D, que, aunque no es conocida por producir piezas de alta resistencia, cuesta muy poco y se puede realizar en un corto espacio de tiempo. Sin embargo, para la mayoría de los procesos de impresión 3D, las opciones de materiales son más estrechas que para el mecanizado.

El mecanizado CNC no solo ofrece una amplia gama de materiales compatibles, sino que también ofrece algunos extremadamente fuertes y duraderos, incluida una amplia gama de metales. También es posible imprimir en 3D con metales, pero no con una impresora FDM de bajo costo.

Los materiales de mecanizado CNC comunes incluyen:

Metales	Plásticos
Aluminio	ABS
Acero	PC
Acero inoxidable	PP
Magnesio	PD
Titanio	POM
Zinc	PMMA
Latón	PAGF30
Bronce	PCGF30
Cobre	Teflón
	LDPE
	HDPE

Similitud con la parte final

Otra gran ventaja de utilizar el mecanizado CNC para prototipos es la capacidad de crear prototipos similares a la pieza final. Dado que los centros de mecanizado son totalmente capaces de producir piezas de uso final, así como prototipos, es posible crear prototipos que estén cerca del producto final, una hazaña que rara vez es posible con la impresión 3D u otros métodos.

Parte de esto se debe a los materiales. Muchos metales de ingeniería son altamente mecanizables, lo que permite a los ingenieros hacer prototipos con los mismos (o similares) materiales que usarán para la pieza final. Pero la calidad del proceso en sí también es un factor:las piezas mecanizadas son fuertes y no muestran debilidad en ciertos ejes, como las piezas impresas, mientras que el proceso de mecanizado en sí puede incluso utilizarse para replicar otros procesos, como la formación de chapa.

Además, la creación de un prototipo que sea similar en apariencia y comportamiento a la pieza final facilita el paso a la producción de puentes, ya que hay menos cambios significativos que realizar.

Desventajas de la creación de prototipos con mecanizado CNC

A pesar de sus ventajas, el mecanizado CNC tiene ciertas limitaciones como método de creación de prototipos, lo que puede llevar a las empresas a favorecer un enfoque alternativo.

Más caro que la impresión 3D

Uno de los inconvenientes obvios de los prototipos de mecanizado CNC es el costo del proceso. Los centros de mecanizado son grandes piezas de maquinaria que requieren una potencia significativa y una mayor supervisión humana que las impresoras 3D. Los metales mecanizables también tienen un precio más alto que los materiales de impresión comunes como el PLA.

Esta es una de las principales razones por las que los ingenieros pueden elegir procesos de creación de prototipos alternativos, incluso si tienen la intención de utilizar el mecanizado para sus piezas finales. El desarrollo puede ser una pérdida de recursos, y es comprensible que las empresas necesiten reducir todos los gastos durante la etapa (temprana) de creación de prototipos.

Algunas restricciones geométricas

Los centros de mecanizado de 4 y 5 ejes ofrecen un alto grado de flexibilidad geométrica, pero incluso estas máquinas tienen sus limitaciones. Para estructuras elaboradas con geometrías internas complejas, los procesos de fabricación aditiva pueden ser más adecuados, ya que no están restringidos por los ángulos de las herramientas de corte.

Sin embargo, tenga en cuenta que los prototipos impresos en 3D pueden ser engañosos:un diseño digital en 3D que sale perfectamente de una impresora 3D puede ser imposible de fabricar con el equipo de producción elegido, ya sean centros de mecanizado, equipos de moldeo por inyección u otros. La flexibilidad geométrica para prototipos solo es útil si esa flexibilidad se puede replicar en la pieza final.

Material de desecho

Dado que el mecanizado CNC es un proceso sustractivo, requiere más material del que realmente entra en la pieza. Parte del material se corta y termina como virutas de metal o plástico, que luego deben desecharse. Esto es diferente a los procesos de creación de prototipos aditivos, que no producen material de desecho a menos que la impresión falle y deba repetirse.

El uso del mecanizado como proceso de creación de prototipos puede incurrir en mayores costos de materiales debido al mayor uso y desperdicio de materiales. Sin embargo, los chips a menudo se pueden reciclar, por lo que el impacto ambiental del proceso no tiene por qué ser grave. (Vender material de desecho reciclable también puede ayudar a recuperar algunos costos de materiales).

Material eliminado del bloque sólido

Herramientas rápidas:prototipos moldeados por inyección mediante mecanizado CNC

Hemos visto cómo el mecanizado CNC puede ser un excelente proceso de creación de prototipos. Pero el mecanizado también se puede utilizar indirectamente para crear prototipos moldeados por inyección.

Mediante herramientas o moldes de mecanizado CNC, las empresas obtienen una forma más rentable de crear el aparato necesario para el moldeo por inyección. Este herramental mecanizado por CNC se puede crear más rápidamente que el herramental tradicional y, por lo tanto, es un atajo para los prototipos moldeados. (Para las piezas moldeadas finales después de la etapa de creación de prototipos, se pueden emplear métodos de herramientas tradicionales).

El uso del proceso de herramientas rápido es mucho más rentable cuando se piden volúmenes más grandes de piezas moldeadas, ya que las herramientas mecanizadas cuestan mucho más fabricar que las propias piezas de resina moldeada. Y aunque las grandes cantidades pueden no ser particularmente deseables durante la etapa de creación de prototipos, los prototipos moldeados auténticos serán más representativos de una pieza moldeada que, por ejemplo, una alternativa impresa en 3D.

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