Impresión 3D frente a fresado CNC:¿Qué necesita al configurar un laboratorio de creación de prototipos?

Para evaluar con precisión lo que necesita al configurar un laboratorio de creación de prototipos, la primera orden del día es decidir entre la impresión 3D o el fresado CNC.

Ambas opciones han demostrado ser críticas para los procesos de fabricación modernos, y cada una presenta una lista de beneficios sobre los métodos de fabricación tradicionales. En última instancia, cuando se trata de impresión 3D versus fresado CNC, “La elección de hacer un prototipo con una máquina CNC o una impresora 3D depende de algunas cosas; el rango de precios, el tamaño de la pieza/prototipo y el tipo de materiales utilizados”.

Es por eso que hemos decidido dejar las cosas claras y aclarar algunos malentendidos. Aunque la impresión 3D sin duda tiene su lugar, es importante no ser miope al evaluar los méritos de las fresadoras CNC con respecto a la creación de prototipos industriales.

Lo que sigue es un desglose de las definiciones, historias, aplicaciones y proyecciones para ambos procesos a medida que la fabricación moderna sigue evolucionando. En última instancia, esperamos que esta información guíe su decisión cuando se trata de lo que su negocio, específicamente, necesita al configurar un laboratorio de creación de prototipos.

Definición de impresión 3D versus fresado CNC

Una explicación simple de la impresión 3D “es un proceso de fabricación a través del cual se crean objetos sólidos tridimensionales (3D). Permite la creación de modelos 3D físicos de objetos utilizando una serie de marcos de desarrollo aditivos o en capas, donde las capas se colocan en sucesión para crear un objeto 3D completo”. Por este motivo, la impresión 3D también se conoce como fabricación aditiva.

Según Investopedia, "la tecnología de impresión 3D ya está aumentando la productividad de fabricación y tiene un potencial tal que podría alterar enormemente las industrias de gestión de inventario y logística de fabricación, si se puede utilizar con éxito en la producción en masa y si la fabricación se vuelve más local". /P>

Por otro lado, “Las máquinas de control numérico por computadora (CNC) automatizan el control de las máquinas herramienta mediante el uso de un software integrado en una microcomputadora adjunta a la herramienta. Se usa comúnmente en la fabricación para mecanizar piezas de metal y plástico”.

Un concepto erróneo común sobre CNC es que este control automatizado tiene un costo, literalmente. A menudo se supone erróneamente que CNC es más costoso, en parte debido a la creencia de que se requiere mano de obra altamente calificada. En realidad, el mecanizado CNC se ha alejado significativamente de estas verdades iniciales.

Impresión 3D:una breve historia

Las aplicaciones modernas de la impresión 3D tienen sus raíces en la década de 1980. La historia de la impresión 3D es un estudio en rápida evolución. Tras el inicio de la impresión 3D en 1981, llegó la creación de la estereolitografía en 1984, que es “una forma de tecnología de impresión 3D que se utiliza para crear modelos, prototipos, patrones y piezas de producción capa por capa utilizando procesos fotoquímicos mediante los cuales la luz genera monómeros químicos. unirse para formar polímeros.”

La industria médica pronto aprovechó los avances de la impresión 3D; primero en 1999, cuando el Wake Forest Institute for Regenerative Medicine, dirigido por Anthony Atala, MD, anunció la exitosa impresión y generación de tejido de vejiga humana, que luego se transfirió a individuos con poco riesgo de que sus sistemas inmunológicos rechazaran el implante porque era construidos a partir de su propia estructura celular o andamios.

Avance rápido hasta 2016 cuando “el instituto anunció el éxito de la impresión de estructuras de tejido vivo utilizando una impresora 3D especializada que sus investigadores diseñaron durante una década. Los científicos imprimieron estructuras de oídos, huesos y músculos que, cuando se implantaron en animales, maduraron hasta convertirse en tejido funcional y desarrollaron un sistema de vasos sanguíneos”.

Actualmente, “La aplicación de impresión 3D más avanzada que se anticipa es la bioimpresión de órganos complejos. Se ha estimado que estamos a menos de 20 años de un corazón imprimible en pleno funcionamiento”.

Con respecto al uso industrial de la creación rápida de prototipos a través de la impresión 3D, "los fabricantes están aumentando su confianza en la impresión 3D como parte de sus estrategias de fabricación más amplias, con un uso de producción de hasta el 51 % de todos los encuestados frente al 38,7 % en 2018".

Esto no debería sorprender, especialmente si considera algunos aspectos destacados publicados por The State of 3D Printing, 2019 de Forbes:

Según este informe, ocho industrias aparecen en el estudio de diseño de investigación:bienes industriales (13,6 %), alta tecnología (10,6 %), servicios (9,9 %), bienes de consumo (8,6 %), salud y medicina (6,2 %), automotriz (5,7 %), aeroespacial y defensa (5,5 %) y educación (4,9 %), lo que ilustra el potencial diverso de la impresión 3D para apoyar y beneficiar a varios sectores verticales.

Sin embargo, en The Battle of Manufacturing:Additive vs. Subtractive, las máquinas CNC dominan:“Aunque la fabricación aditiva ha logrado avances impresionantes en las industrias aeroespacial y automotriz, el mecanizado CNC sigue siendo la opción para la gran mayoría de los fabricantes”.

Cómo surgieron las fresadoras CNC

Como se describe en Historia y definición de CNC 100, las máquinas CNC, originalmente conocidas como máquinas NC, estaban “controladas por circuitos eléctricos complejos. Las máquinas NC leen y ejecutan una línea de código a la vez desde un programa de pieza perforado en una cinta de papel o cinta mylar”.

A medida que evolucionó la tecnología de las computadoras pequeñas, las computadoras comenzaron a controlar las máquinas herramienta; de ahí el nacimiento del CNC como proceso de fabricación. A partir de esa primera línea de código, las máquinas CNC han desarrollado la capacidad de almacenar cientos de programas.

Para una historia detallada de las máquinas herramienta CNC, Encyclopedia.com cubre todas las bases. Es interesante notar que:

Sin embargo, podemos establecer varios aspectos destacados críticos destacados en la siguiente cronología:

• Las máquinas herramienta, como los tornos para trabajar la madera, son bíblicas, pero no fue hasta 1800 que Henry Maudslay inventó un torno para trabajar los metales.
• Poco después, en 1818, Eli Whitney (mejor conocido por su invención de la desmotadora de algodón) presentó la primera máquina de molienda.
• Estas dos máquinas requerían operadores humanos para operarlas, lo que resultó en un error humano en el producto terminado.
• Después de la Segunda Guerra Mundial, John T. Parsons introdujo la primera máquina fresadora moderna, incorporando una de las primeras computadoras IBM en estos planes.
• La década de 1960 trajo consigo puntos de precio más bajos y máquinas de más fácil acceso, lo que las convirtió en parte integral de aplicaciones e industrias adicionales.
• A medida que avanzaba la electrónica integrada, se eliminó la cinta de papel o mylar (mencionada anteriormente), y ahora las máquinas modernas pueden leer datos de la memoria de la computadora del programa.

Actualmente, “los procesos de fabricación comunes que utilizan máquinas CNC incluyen plegado, taladrado, perforado, pegado, rectificado, corte por láser, corte por llama y plasma, enrutamiento, selección y colocación, soldadura ultrasónica y más. Las fresadoras, los tornos, el mecanizado por descarga eléctrica y las cortadoras por chorro de agua a menudo funcionan con CNC”.

Una revisión rápida de las historias de la impresión 3D y las máquinas CNC evidencia el potencial de cualquiera de ellas para optimizar sus procesos de fabricación al configurar un laboratorio de creación de prototipos.

Evaluación de los procesos de fabricación aditivos y sustractivos

Para determinar si su laboratorio de creación de prototipos requiere impresión 3D o fresadoras CNC, primero debe considerar si sus productos están diseñados para ser entregados de manera más efectiva y eficiente de acuerdo con los procesos de fabricación aditivos frente a los sustractivos.

Un beneficio clave de los procesos sustractivos sobre los aditivos es que, “Además de eliminar la estratificación de los procesos aditivos, los procesos sustractivos tienen otras ventajas. Ofrecen una variedad de acabados superficiales, eliminando las superficies "escalonadas" que a menudo se encuentran en muchos procesos aditivos. El acabado puede ser funcionalmente importante si las piezas deben deslizarse y estéticamente importante si los prototipos se van a utilizar en pruebas de mercado”.

Es útil considerar los tipos de aplicaciones que admiten estos procesos.

Comprensión de las aplicaciones aditivas frente a las sustractivas

Aunque el recién llegado entre los dos, "la fabricación aditiva ya se usa para producir una impresionante variedad de productos". Estos productos se encuentran principalmente en las siguientes industrias:aeroespacial, automotriz, atención médica y desarrollo de productos.

A pesar de la naturaleza de tendencia de la impresión 3D en varias industrias, el hecho es que “la fabricación sustractiva le brinda la oportunidad de diseñar, crear prototipos y fabricar en materiales de uso final. Es una elección adecuada para piezas utilizadas para series de producción de pequeño y gran volumen, para obtener acabados específicos o para obtener propiedades mecánicas específicas.”

Por ello, “los procesos sustractivos son muy utilizados en la fabricación… Torneado, fresado, taladrado, aserrado, tallado de roscas y tallado de engranajes son algunos ejemplos de procesos sustractivos de corte de metales que tradicionalmente se realizan en máquinas especializadas. ”

Aparte de las aplicaciones, hay otros factores a considerar al sopesar la impresión 3D y el mecanizado CNC.

Sintonice el ruido y la vibración

Cuando piensa en algunas de las herramientas básicas utilizadas en el mecanizado CNC:fresadora, torno, cortadora de plasma, mecanizado por descarga eléctrica, máquina multihusillo, cortadora por chorro de agua, no es difícil imaginar que los procesos de fabricación sustractivos producen más ruido y vibración en- sitio que la fabricación aditiva como la impresión 3D. Dependiendo de su ubicación, esto probablemente le informará lo que necesita para configurar su laboratorio de creación de prototipos óptimo.

¿Cuál es más fácil de operar? Impresoras 3D o Máquinas CNC

En general, la impresión 3D se promociona como una operación más fácil en comparación con los CNC. La razón principal es “porque una vez que se prepara el archivo, solo necesita elegir la orientación de la pieza, el relleno y los soportes si es necesario. Luego, una vez que ha comenzado la impresión, no se requiere ningún supervisor y se puede dejar la impresora hasta que la pieza esté terminada”.

Debido a que los CNC están más involucrados, con respecto a la mano de obra, existe la creencia generalizada de que el mecanizado CNC requiere un maquinista capacitado. Si bien ese podría haber sido el caso en el pasado, los tiempos han cambiado.

Nuestra máquina DATRON incorpora múltiples características que permiten una fácil configuración. De hecho, la máquina puede guiar a un usuario novato a través de todo el proceso de ocho pasos para configurar una máquina CNC por primera vez. En última instancia, se necesita un promedio de solo uno o dos días de entrenamiento para sentirse cómodo y seguro al usar la tecnología.

La interfaz está diseñada para parecer y funcionar de manera similar a un teléfono inteligente, completa con una cámara y un sistema de sonda mecánica que registra automáticamente la pieza, mitigando la necesidad de que un técnico capacitado ingrese esta información. Las soluciones integradas de sujeción de piezas y la tecnología de herramientas de corte son inclusivas y mantienen todo el proceso internamente al eliminar la necesidad de especificar y comprar componentes similares en otro lugar.

Conoce tus limitaciones:precisión, tamaño y complejidad geométrica

Al considerar la impresión 3D frente al mecanizado CNC, ¿cuál es la mejor opción para su prototipo? Josh Biggs afirma:“Para uno, el mecanizado CNC es una excelente opción si busca una gran precisión dimensional. Además, el mecanizado CNC puede trabajar con materiales que aún no se pueden imprimir, como la madera, por ejemplo. El mecanizado CNC también supera a la impresión 3D cuando se trata de trabajar con metales y funciona igual de bien con plásticos”.

Continúa afirmando que, “Además, las máquinas CNC suelen ofrecer resultados más precisos. Las máquinas CNC son la mejor opción si necesita piezas muy estrechas o tiene tolerancias increíblemente estrictas. Nada más coincide con las tolerancias de 0,01 mm".

Incluso el equipo de 3Dnatives, que se dedica a los detalles de fabricación aditiva y todo lo relacionado con la impresión 3D, informa de una ventaja considerable de la fabricación sustractiva:"En términos de tolerancia, el mecanizado CNC es superior a todos los procesos de impresión 3D".

Sin embargo, cuando se encarga de fabricar piezas con una gran complejidad geométrica, la impresión 3D tiene la ventaja.

Sopesando los costes:impresión 3D vs. CNC

Como puede ver, la fabricación no es una propuesta de solución única. La cantidad de dinero requerida para su laboratorio de creación de prototipos dependerá no solo de lo que esté produciendo, sino también del tamaño y la cantidad de artículos que produzca.

Por ejemplo, según el simple análisis de costo-beneficio de Biggs:

Interesting Engineering publicó Conceptos erróneos comunes sobre la producción de mecanizado CNC, disipando el mito sobre los costosos procesos CNC:

Obviamente, la ruta más rentable para su negocio está mejor determinada por sus planes y diseños de productos específicos.

Cuando se trata de impresoras 3D, las opciones, los tamaños y el rango de precios abarcan toda la gama, al igual que lo que cada uno puede imprimir de varios materiales. Además de los costos de materiales desconocidos o mal definidos, los operadores generalmente requieren capacitación de un experto residente, lo que representa una inversión en educación del personal.

Con el equipo DATRON, nuestras máquinas de corte aceptan plástico, madera, aluminio y acero de cualquier proveedor, lo que le permite estimar y establecer el costo de los materiales por adelantado. Como hemos explicado, no se requiere capacitación avanzada para operar nuestras máquinas, lo que le ahorra personal y hace que las máquinas CNC de DATRON sean una alternativa más rentable.

No desperdiciar, no querer

Dada la naturaleza de la fabricación sustractiva (quitar capas de material para crear un producto), sin mencionar los tipos de herramientas de mecanizado CNC requeridas, no debería sorprender que las máquinas CNC puedan dejar un poco de desorden.

La cantidad de desorden y lo que podría significar ese desperdicio es algo que Energy.gov evaluó en la revisión de 2015, Tecnologías innovadoras de energía limpia en la fabricación avanzada. El informe destaca un beneficio de la fabricación aditiva como su potencial para "ahorrar energía al eliminar pasos de producción, usar una cantidad sustancialmente menor de material, permitir la reutilización de subproductos y producir productos más livianos".

El informe continúa:

Presentación de una Ley más Limpia

En DATRON, hemos perfeccionado nuestro equipo de mecanizado de alta velocidad para eliminar el desorden, haciendo posible eliminar las piezas terminadas sin desbarbar ni desengrasar.

Además, las herramientas y accesorios CNC de DATRON ofrecen las RPM más altas disponibles en la máquina de menor tamaño del mercado; considérelo nuestra propia iniciativa ecológica.

Por lo general, las fresadoras CNC con capacidades industriales cuentan con grandes motores que generan una gran cantidad de calor, lo que requiere aceite para enfriar y lubricar los componentes de la máquina. Es necesario desechar el aceite, pero el proceso representa un riesgo para el medio ambiente, como hemos visto en derrames importantes en el pasado.

Dado que no requerimos la misma cantidad de calor, aceite o refrigerante de inundación para mantener las máquinas, ofrecemos mejores ahorros de energía con un espacio mucho más pequeño.

El veredicto:impresión 3D versus mecanizado CNC

Lo que necesita en su laboratorio de creación de prototipos profesional, ya sea impresión 3D o mecanizado CNC, lo determina mejor su producto específico. Si bien esperamos que la información compartida aquí proporcione algo de claridad, la verdad es que tanto la impresión 3D como el mecanizado CNC pueden funcionar, o incluso complementarse entre sí, según sus necesidades de fabricación.

De hecho, hay varios casos en los que debe combinar la impresión 3D y el mecanizado CNC, principalmente debido a las tolerancias, el tiempo y/o una pieza de trabajo de tamaño significativo; además, “La combinación de estos dos procesos no requiere el flujo de trabajo complejo que podría estar imaginando. Igual de importante, puede ofrecer varios beneficios significativos para su empresa de fabricación”.

Para una discusión más profunda sobre el proceso de fabricación o la combinación de procesos ideales para su laboratorio de creación de prototipos, contáctenos. Respondemos rápidamente y estamos ansiosos por compartir nuestra experiencia.