Impresión 3D frente a mecanizado CNC

Introducción

El mecanizado CNC es una fabricación sustractiva común tecnología. A diferencia de la impresión 3D, el proceso generalmente comienza con un bloque sólido de material (en blanco) y elimina el material para lograr la forma final requerida, utilizando una variedad de cortadores o herramientas giratorias afiladas.

CNC es uno de los métodos de fabricación más populares tanto para trabajos pequeños únicos como para producción de volumen medio a alto. Ofrece una excelente repetibilidad, alta precisión y una amplia gama de materiales y acabados superficiales.

Los procesos de fabricación aditiva (AM) o impresión 3D construyen piezas agregando material una capa a la vez. Los procesos de AM no requieren herramientas ni accesorios especiales, por lo que los costos de configuración inicial se reducen al mínimo.

En este artículo, presentamos las consideraciones tecnológicas clave para ayudarlo a elegir la tecnología adecuada para su aplicación. Nos enfocamos en piezas funcionales y prototipos hechos de metales o plásticos. Los procesos de impresión 3D más adecuados para este fin son SLS o FDM para plásticos y SLM/DMLS o Binder Jetting para metales.

Selección de la tecnología adecuada

Al elegir entre CNC y fabricación aditiva (AM), existen algunas pautas simples que se pueden aplicar al proceso de toma de decisiones.

Como regla general, todas las piezas que se pueden fabricar con un esfuerzo limitado a través de un proceso sustractivo generalmente deben mecanizarse con CNC. Por lo general, solo tiene sentido utilizar la impresión 3D en los siguientes casos:

• Cuando los métodos tradicionales no pueden producir la parte, por ejemplo para alta complejidad, topología optimizada geometrías.
  
• Cuando un respuesta rápida el tiempo es crítico; Las piezas impresas en 3D se pueden entregar en 24 horas.
  
• Cuando bajo costo es esencial; para volúmenes pequeños, la impresión 3D es generalmente más económica que la CNC.
  
• Cuando hay un pequeño número de partes idénticas requeridas (menos de 10).
  
• Cuando materiales se requieren que no se puedan mecanizar fácilmente, como superaleaciones metálicas o TPU flexible.
  
  

CNC ofrece una mayor precisión dimensional y produce piezas con mejores propiedades mecánicas en las 3 dimensiones, pero esto suele tener un costo mayor, especialmente cuando los volúmenes son pequeños.

Si se necesitan cantidades de piezas más altas (cientos o más), entonces ni CNC ni AM pueden ser una opción competitiva en costos. Las tecnologías de conformado tradicionales, como el microfundido o el moldeado por inyección, suelen ser la opción más económica, debido a los mecanismos de economías de escala (ver figura).

Tabla de referencia de procesos recomendados

^{*:muy dependiente de la geometría de la pieza}

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Características del proceso

Precisión dimensional

El mecanizado CNC ofrece tolerancia estricta y excelente repetibilidad . Las piezas muy grandes a muy pequeñas se pueden mecanizar con CNC con precisión. Debido a la forma de la herramienta de corte, las esquinas internas siempre tendrán un radio, pero las superficies externas pueden tener bordes afilados y se pueden mecanizar muy delgadas.

Los diferentes sistemas de impresión 3D ofrecen diferentes precisiones dimensionales. Las máquinas industriales pueden producir piezas con muy buenas tolerancias . Si se requieren espacios reducidos, las dimensiones críticas pueden imprimirse en 3D sobredimensionadas y luego mecanizarse durante el procesamiento posterior.

El espesor mínimo de pared de las piezas impresas en 3D está restringida por el tamaño del efector final (por ejemplo, el diámetro de la boquilla en FDM o el tamaño del punto láser en SLS). Dado que las piezas se fabrican una capa a la vez, las líneas de las capas pueden ser visibles, especialmente en las superficies curvas. El tamaño máximo de pieza es relativamente pequeño, ya que el procesamiento de impresión 3D a menudo requiere un estrecho control ambiental.

No. de piezas	1	10	100	1000
Plástico	Impresión 3D	Impresión 3D (considere:CNC)	CNC (considere:moldeo por inyección)	Moldeo por inyección
Metal	Impresión 3D y CNC*	CNC (considere:Impresión 3D)	CNC (considere:fundición de inversión)	Inversión o fundición a presión

	Tolerancia	Mín. espesor de pared	Tamaño máximo de pieza
CNC	± 0,025 - 0,125 mm *	0,75 mm	Fresado:2000 x 800 x 1000 mm Torno:Ø 500 mm
SLS	± 0,300 mm	0,7 - 1,0 mm	300 x 300 x 300 mm
FDM	Industrial:± 0,200 mm Sobremesa:± 0,500 mm	0,8 - 1,0 mm	Industrial:900 x 600 x 900 mm Sobremesa:200 x 200 x 200 mm
SLM/DMLS	± 0,100 mm	0,40 mm	230 x 150 x 150 mm
Lavado de ligantes	± 0,200 mm	2,0 mm	380 x 355 x 735 mm

^{* :Según el nivel de tolerancia especificado.}

Materiales

CNC se utiliza principalmente para el mecanizado de metales. También se puede utilizar para mecanizar termoplásticos, acrílicos, maderas blandas y duras, espumas para modelar y cera para mecanizar.

• Excelentes propiedades mecánicas y térmicas con comportamiento totalmente isotrópico.
• Restricciones dimensionales debido al tamaño del espacio en blanco (usar un tamaño de espacio en blanco no estándar aumentará el costo).

	Materiales CNC comunes
Plásticos	ABS, nailon, policarbonato, PEEK
Metales	Aluminio, Acero inoxidable, Titanio, Latón

La impresión 3D se usa predominantemente con plásticos y en menor medida para los metales. Algunas tecnologías pueden producir piezas de cerámica, cera, arena y compuestos. Los materiales de impresión 3D son un tema complejo que se analiza con más detalle en artículos específicos de la base de conocimientos.

• Amplia variedad de materiales con una amplia gama de propiedades físicas.
• Los materiales que son difíciles de mecanizar (como TPU y superaleaciones metálicas) se pueden imprimir en 3D.
• Puede tener propiedades mecánicas menores en comparación con las piezas CNC (por lo general, no son completamente isotrópicas).

	Materiales de impresión 3D comunes
Plásticos	Nailon, PLA, ABS, ULTEM, ASA, TPU
Metales	Aluminio, Acero inoxidable, Titanio, Inconel

Complejidad del modelo

Hay una serie de limitaciones que deben tenerse en cuenta al diseñar piezas para el mecanizado CNC, incluido el acceso y las holguras de la herramienta, los puntos de sujeción o montaje, así como la incapacidad de mecanizar esquinas cuadradas debido a la geometría de la herramienta.

Algunas geometrías son imposibles de mecanizar CNC (incluso con sistemas CNC de 5 ejes) ya que la herramienta no puede acceder a todas las superficies de un componente. La mayoría de las geometrías requieren la rotación de la pieza para acceder a los diferentes lados. El reposicionamiento aumenta el tiempo de procesamiento y mano de obra y es posible que se requieran plantillas y accesorios personalizados, lo que afecta el precio final.

La impresión 3D tiene muy pocas restricciones de geometría en comparación con CNC. Se requieren estructuras de soporte en la mayoría de las tecnologías, como FDM o SLM/DMLS, y se eliminan durante el procesamiento posterior.

Geometrías orgánicas de forma libre de plástico se puede fabricar fácilmente con procesos de fusión de lecho de polvo a base de polímeros, como SLS o Multi Jet Fusion (MJF), ya que no requieren soporte. La capacidad de producir geometrías muy complejas es uno de los puntos fuertes de la impresión 3D.

Flujo de trabajo de fabricación

Esto es lo que sucede detrás de escena cuando se realiza un pedido de impresión CNC o 3D:

En CNC, un operador o ingeniero experto primero debe considerar la selección de herramientas, la velocidad del husillo, la ruta de corte y el reposicionamiento de la pieza. Todos estos factores tienen un gran impacto en la calidad de la pieza final y el tiempo de construcción. El proceso de fabricación requiere mucha mano de obra, ya que el bloque debe configurarse manualmente en la máquina. Después del mecanizado, los componentes están listos para su uso o procesamiento posterior.

En la impresión 3D, el operador de la máquina primero prepara el archivo digital (elige la orientación y agrega soporte) y luego lo envía a la máquina, donde se imprime con poca intervención humana. Cuando se completa la impresión, la pieza debe limpiarse y procesarse posteriormente, que es el aspecto que requiere más mano de obra del flujo de trabajo de fabricación de impresión 3D.

Posprocesamiento

Se pueden aplicar una serie de métodos de posprocesamiento a las piezas impresas en 3D y CNC que mejoran la funcionalidad o la estética del componente construido. Las técnicas de posprocesamiento más comunes se enumeran a continuación:

	Métodos de procesamiento posterior
CNC	Granallado, anodizado (tipo II o tipo III), recubrimiento en polvo
Impresión 3D	Granallado, lijado y pulido, micropulido, metalizado

Estudio de caso:prototipo de una caja de plástico

Al diseñar un nuevo dispositivo electrónico, la fabricación de prototipos para la carcasa es clave para finalizar el producto antes de la fabricación en masa. Para acelerar el tiempo de desarrollo, tiempo de entrega rápido y bajo costo son los principales objetivos.

Los gabinetes electrónicos a menudo tienen ajustes a presión, bisagras vivas u otras juntas y sujetadores entrelazados. Todas estas características se pueden mecanizar con CNC o imprimir en 3D con FDM o SLS.

CNC y SLS se pueden utilizar para crear prototipos de alta precisión y atractivo estético, pero FDM de escritorio tiene un tiempo de entrega mucho más corto y un costo más bajo. Dado que el rendimiento mecánico no es el objetivo principal de este proyecto, los beneficios de CNC y SLS generalmente no compensan el costo y el tiempo adicionales.

	CNC	FDM de escritorio	SLS
Coste	$$	$	$$
Materiales comunes	ABS, nailon	PLA, ABS, nailon	Nailon
Tiempo de entrega	1 - 2 semanas	1 - 3 días	Menos de una semana
Precisión	± 0,125 mm	± 0,500 mm	± 0,300 mm

Estudio de caso:fabricación de brackets y componentes metálicos

Los soportes metálicos y otros componentes mecánicos pueden soportar grandes cargas y funcionar a temperaturas elevadas. En este caso, precisión dimensional y buenas propiedades materiales son los principales objetivos.

Si la geometría del modelo es simple (como los componentes de la imagen de arriba), entonces el CNC es la mejor opción en términos de precisión, propiedades mecánicas y costo.

Cuando la complejidad geométrica aumenta o cuando se requieren materiales más exóticos, se debe considerar la impresión 3D en metal. Los componentes optimizados para el peso y la resistencia (como los soportes de la imagen a continuación) tienen estructuras orgánicas que son muy difíciles y costosas de mecanizar.

La impresión 3D CNC y metal se puede combinar para fabricar piezas con forma orgánica y tolerancias muy estrechas en las ubicaciones críticas.

	CNC	SLM/DMLS	Lanzamiento de aglutinante
Coste	$$	$$$$	$$$
Materiales comunes	Aluminio Acero Inoxidable Latón	Acero Inoxidable Aluminio Titanio Inconel Cobalto-Cromo	Acero inoxidable Inconel Cobalto-Cromo Carburo de tungsteno
Precisión	± 0,025 mm	± 0,100 mm	± 0,200 mm
Propiedades mecánicas	Muy bien	Muy bien	Bien

Reglas generales

Seleccionar la tecnología adecuada para su aplicación es crucial y se puede resumir en las siguientes reglas generales:

• El mecanizado CNC es más adecuado para cantidades medias a altas (menos de 250-500 piezas) y geometrías relativamente simples.
  
• La impresión 3D suele ser mejor para cantidades pequeñas (o prototipos únicos) y geometrías complejas.
  
• Al considerar los metales, el CNC puede tener un precio competitivo incluso para cantidades pequeñas, pero aún se aplican limitaciones de geometría.
  
• Cuando las cantidades son altas (más de 250 - 500 piezas), otras tecnologías de formación son más adecuadas.