Elegir entre impresión 3D y fresado CNC para su laboratorio de prototipado: Guía práctica

Para evaluar con precisión lo que necesita al configurar un laboratorio de prototipado, el primer orden del día es decidir entre impresión 3D vs. fresado CNC.

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

Por eso hemos decidido poner las cosas en claro y aclarar algunos malentendidos. Aunque la impresión 3D indudablemente tiene su lugar, es importante no ser miope al evaluar los méritos de las fresadoras CNC con respecto al prototipado industrial.

Lo que sigue es un desglose de las definiciones, historias, aplicaciones y proyecciones para ambos procesos a medida que la fabricación moderna continúa 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 prototipado.

Definiendo impresión 3D vs. fresado CNC

Una explicación simple de impresión 3D "es un proceso de fabricación a través del cual se crean objetos sólidos tridimensionales (3D). Permite la creación de modelos físicos 3D de objetos usando una serie de marco de desarrollo aditivo o por capas, donde las capas se depositan en sucesión para crear un objeto 3D completo." Por esta razón, la impresión 3D también se conoce como fabricación aditiva.

Según Investopedia, "la tecnología de impresión 3D ya está aumentando la productividad de la fabricación, y tiene tal potencial que podría alterar masivamente las industrias de logística de fabricación y gestión de inventario — si puede usarse exitosamente en producción en masa, y si la fabricación se vuelve más local."

Por otro lado, "Las máquinas de control numérico computarizado (CNC) automatizan el control de herramientas de máquina a través del uso de software incrustado en un microcomputador adjunto a la herramienta. Se usa comúnmente en fabricación para mecanizar piezas de metal y plástico."

Una concepción errónea común sobre CNC es que este control automatizado viene a un costo — literalmente. CNC a menudo se asume incorrectamente como más caro, en parte por la creencia de que se requiere mano de obra altamente calificada. En realidad, el mecanizado CNC ha hecho avances significativos lejos de estas verdades iniciales.

Impresión 3D — Una breve historia

Las aplicaciones modernas de impresión 3D tienen raíces en los años 80 tempranos. La historia de la impresión 3D es un estudio en evolución rápida. Tras la creación de la impresión 3D en 1981 vino la creación de estereolitografía en 1984, que es "una forma de tecnología de impresión 3D usada para crear modelos, prototipos, patrones y piezas de producción de manera capa por capa usando procesos fotoquímicos por los cuales la luz causa que monómeros químicos se unan para formar polímeros."

La industria médica pronto capitalizó los avances de la impresión 3D; primero en 1999, cuando el Instituto Wake Forest de Medicina Regenerativa, liderado por Anthony Atala, MD, anunció la impresión y generación exitosa de tejido de vejiga humana, que luego se transfirió a individuos con poco riesgo de que sus sistemas inmunológicos rechazaran el implante porque fue construido a partir de su propia estructura celular o andamios.

Avance rápido a 2016 cuando "el instituto anunció éxito imprimiendo estructuras de tejido vivo usando una impresora 3D especializada que sus investigadores diseñaron durante más de una década. Los científicos imprimieron estructuras de oído, hueso y músculo que, cuando se implantaron en animales, maduraron en tejido funcional y desarrollaron un sistema de vasos sanguíneos."

Actualmente, "La aplicación de impresión 3D más avanzada que se anticipa es la bioprinting de órganos complejos. Se ha estimado que estamos a menos de 20 años de un corazón imprimible completamente funcional."

Con respecto al uso industrial de prototipado rápido vía impresión 3D, "Los fabricantes están aumentando su dependencia en la impresión 3D como parte de sus estrategias de fabricación más amplias, con uso de producción hasta 51% de todos los encuestados desde 38,7% en 2018."

Esto no debería ser sorprendente, particularmente cuando considera algunos aspectos destacados publicados por The State of 3D Printing de Forbes, 2019:

Según este informe, ocho industrias figuraron 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 Médico (6,2%), Automotriz (5,7%), Aeroespacial y Defensa (5,5%), y Educación (4,9%), ilustrando el potencial diverso de la impresión 3D para apoyar y beneficiar varios verticales.

Sin embargo, en La Batalla de la Fabricación: Aditivo vs. Sustractivo, las máquinas CNC reinan supremas: "Aunque la fabricación aditiva ha estado haciendo avances impresionantes en las industrias aeroespacial y automotriz, el mecanizado CNC sigue siendo la opción preferida para la gran mayoría de fabricantes."

Cómo llegaron a ser las fresadoras CNC

Como se describe en la Historia y Definición de CNC 100, las máquinas CNC, originalmente conocidas como máquinas NC, eran "controladas por circuitos eléctricos complejos. Las máquinas NC leían y ejecutaban una línea de código a la vez desde un programa de pieza perforado en una cinta de papel o mylar."

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

Para una historia en profundidad de herramientas de máquina CNC, Encyclopedia.com cubre todas las bases. Es interesante notar que:

Sin embargo, podemos establecer varios hitos críticos en la siguiente línea de tiempo:

• Herramientas de máquina como tornos de carpintería son bíblicas, pero no fue hasta 1800 que Henry Maudslay inventó un torno de trabajo de metal.
• Poco después, en 1818, Eli Whitney (mejor conocido por su invención de la desmotadora de algodón) introdujo la primera máquina de fresar.
• Ambas máquinas requerían operadores humanos para ejecutarlas, lo que resultaba en error humano en el producto terminado.
• Post-Segunda Guerra Mundial, John T. Parsons introdujo la primera máquina de fresar moderna, incorporando una computadora IBM temprana en estos planes.
• Los años 60 trajeron puntos de precio más bajos y máquinas más accesibles, haciéndolas integrales a aplicaciones e industrias adicionales.
• A medida que la electrónica integrada avanzó, la cinta de papel o mylar (referenciada arriba) fue eliminada, con máquinas modernas ahora capaces de leer datos de la memoria del computador de programa.

Actualmente, "Procesos de fabricación comunes que usan máquinas CNC incluyen doblado, taladrado, punzonado, pegado, rectificado, corte por láser, corte por llama y plasma, enrutado, selección y colocación, soldadura ultrasónica y más. Fresadoras, tornos, mecanizado por descarga eléctrica y cortadores de chorro de agua a menudo operan usando CNC."

Una rápida revisión de las historias de tanto impresión 3D como máquinas CNC evidencia el potencial para que cualquiera optimice sus procesos de fabricación al configurar un laboratorio de prototipado.

Evaluando procesos de fabricación aditiva vs. sustractiva

Para determinar si su laboratorio de prototipado requiere impresión 3D o fresadoras CNC, primero necesita considerar si sus productos están diseñados para ser entregados de manera más efectiva y eficiente según procesos de fabricación aditiva vs. sustractiva.

Un beneficio clave de sustractivo sobre aditivo es que, "Además de eliminar el estratificado de procesos aditivos, los procesos sustractivos tienen otras ventajas. Ofrecen una variedad de acabados superficiales, eliminando las superficies "escalonadas" a menudo encontradas en muchos procesos aditivos. El acabado puede ser funcionalmente importante si las piezas deben deslizarse e importante cosméticamente si los prototipos se van a usar en pruebas de mercado."

Ayuda considerar los tipos de aplicaciones que estos procesos soportan.

Entendiendo aplicaciones aditivas vs. sustractivas

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

A pesar de la naturaleza tendencia de la impresión 3D en varias industrias, el hecho permanece, "La fabricación sustractiva le da la oportunidad de diseñar, prototipar y fabricar en materiales de uso final. Es una opción apropiada para piezas usadas para tiradas de producción de volumen pequeño y grande, para obtener acabados específicos, o para obtener propiedades mecánicas específicas."

Por esta razón, "Los procesos sustractivos son muy ampliamente usados en fabricación... Torneado, fresado, taladrado, aserrado, corte de roscas y corte de engranajes son algunos ejemplos de procesos sustractivos que involucran corte de metal que tradicionalmente se llevan a cabo en máquinas especializadas."

Además de aplicaciones, hay otros factores a considerar al sopesar impresión 3D y mecanizado CNC.

Sintonice con ruido y vibración

Cuando piensa en algunas de las herramientas básicas usadas en mecanizado CNC: fresadora, torno, cortador de plasma, mecanizado por descarga eléctrica, máquina multi-husillo, cortador de chorro de agua, no es difícil imaginar que los procesos de fabricación sustractiva producen más ruido y vibración in situ que la fabricación aditiva como la impresión 3D. Dependiendo de su ubicación, esto probablemente informará lo que necesita para configurar su laboratorio de prototipado óptimo.

¿Qué es más fácil de operar? ¿Impresoras 3D o máquinas CNC?

En general, la impresión 3D se promociona como una operación más fácil comparada con CNC. La razón principal es "porque una vez que el archivo está preparado, solo necesita elegir la orientación de la pieza, relleno, y soportes si se necesitan. Luego, una vez que la impresión ha comenzado, no se requiere supervisor y la impresora puede dejarse hasta que la pieza termine."

Porque los CNC son más involucrados, con respecto a mano de obra, hay una creencia generalizada de que el mecanizado CNC requiere un maquinista entrenado. Aunque eso pudo haber sido el caso en el pasado, los tiempos han cambiado.

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

La interfaz está diseñada para aparecer y funcionar similar a un smartphone, completa con cámara y sistema de sonda mecánica que registra automáticamente la pieza, mitigando la necesidad de un técnico calificado para ingresar esta información. Soluciones de sujeción integradas y tecnología de herramientas de corte son inclusivas, manteniendo todo el proceso interno al eliminar la necesidad de especificar y comprar componentes similares en otro lugar.

Conozca sus limitaciones: Precisión, tamaño y complejidad geométrica

Al considerar Impresión 3D vs Mecanizado CNC — ¿Cuál es la Mejor Opción para Su Prototipo? Josh Biggs afirma: "Por un lado, el mecanizado CNC es una gran opción si busca gran precisión dimensional. Además, el mecanizado CNC puede trabajar con materiales que aún no se pueden imprimir, como 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 ofrecen resultados más precisos usualmente. Las máquinas CNC son la mejor opción si necesita piezas muy estrechas o tiene tolerancias increíblemente ajustadas. Nada más iguala las tolerancias de 0,01 mm."

Incluso el equipo de 3Dnatives, dedicado a detalles de fabricación aditiva y todo lo relacionado con impresión 3D, reporta una ventaja considerable de 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 alta complejidad geométrica, la impresión 3D tiene la ventaja.

Sopesa los costos: Impresión 3D vs. CNC

Como puede ver, la fabricación no es una proposición de solución única. La cantidad de dinero requerida para su laboratorio de prototipado dependerá no solo de lo que esté produciendo, sino del tamaño y cuántos artículos producirá.

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

Interesting Engineering publicó Conceptos Erróneos Comunes sobre Producción de Mecanizado CNC, desmintiendo el mito sobre procesos CNC costosos:

Obviamente, la ruta más rentable para su negocio se determina mejor por sus diseños de producto y planes específicos.

Cuando se trata de impresoras 3D, las opciones, tamaños y rango de precios corren la gama y también lo que cada una puede imprimir realmente de varios materiales. Además de costos de materiales desconocidos o mal definidos, los operadores usualmente requieren formación de un experto residente, lo que representa una inversión en educación de personal.

Con equipos DATRON, nuestras máquinas de corte acomodan plástico, madera, aluminio y acero de cualquier proveedor, permitiéndole estimar y establecer su costo de materiales por adelantado. Como hemos explicado, no se requiere formación avanzada para operar nuestras máquinas, ahorrándole en personal, haciendo que las máquinas CNC DATRON sean una alternativa más rentable.

No desperdiciar, no necesitar

Dada la naturaleza de la fabricación sustractiva — quitando capas de material para crear un producto — sin mencionar los tipos de herramientas de mecanizado CNC requeridas, no debería ser sorpresa que las máquinas CNC puedan dejar un pequeño desorden atrás.

Cuánto desorden y qué podría significar ese desperdicio es algo que Energy.gov evaluó en la revisión de 2015, Innovando Tecnologías de Energía Limpia en Fabricación Avanzada. El informe destaca un beneficio de la fabricación aditiva como su potencial para "ahorrar energía eliminando pasos de producción, usando sustancialmente menos material, permitiendo reutilización de subproductos, y produciendo productos más ligeros."

El informe continúa:

Introduciendo un acto más limpio

En DATRON, hemos afinado nuestro equipo de mecanizado de alta velocidad para eliminar el desorden, haciendo posible remover piezas terminadas sin desbarbado o desengrasado.

Además, las herramientas y accesorios CNC de DATRON ofrecen las RPM más altas disponibles en la máquina de huella más pequeña en el mercado — considérelo nuestra propia iniciativa verde.

Típicamente, las máquinas de fresado CNC con capacidades industriales cuentan con motores grandes que generan mucho calor, lo que requiere aceite para enfriar y lubricar componentes de la máquina. La eliminación de aceite es necesaria, pero el proceso representa un riesgo para el medio ambiente como hemos visto de derrames mayores en el pasado.

Como no requerimos la misma cantidad de calor, aceite, o refrigerante por inundación para mantener las máquinas, ofrecemos mejor ahorro de energía desde una huella mucho más pequeña.

El veredicto: Impresión 3D vs. Mecanizado CNC

Lo que necesita en su laboratorio de prototipado profesional, ya sea impresión 3D o mecanizado CNC, se determina mejor por su producto específico. Aunque esperamos que la información compartida aquí proporcionó algo de claridad, la verdad es que tanto la impresión 3D como el mecanizado CNC pueden funcionar — o incluso complementarse, basándose en sus necesidades de fabricación.

De hecho, hay varios casos para Cuándo Debería Combinar Impresión 3D y Mecanizado CNC, principalmente debido a tolerancias, tiempo, y/o una pieza de trabajo significativamente dimensionada; además, "Combinar estos dos procesos no requiere el flujo de trabajo complejo que podría estar imaginando. Tan importante, puede entregar varios beneficios significativos para su empresa de fabricación."

Para una discusión más profunda sobre el proceso de fabricación o combinación de procesos ideal para su laboratorio de prototipado, contáctenos. Somos rápidos para responder y ansiosos por compartir nuestra experiencia.