Dominar el mecanizado de prototipos CNC:conocimientos de expertos y guía práctica

La creación de prototipos es uno de los pasos principales en el desarrollo de productos, ya que ayuda a evaluar la apariencia y funcionalidad de un diseño. Realizar este proceso utilizando métodos de mecanizado tradicionales es caro y requiere mucho tiempo. Sin embargo, el mecanizado de prototipos CNC permite realizar prototipos de forma económica y en un período relativamente corto.

En este artículo, analizaremos el mecanizado de prototipos y examinaremos las diferentes aplicaciones del mecanizado de prototipos CNC, consideraciones y consejos para el proceso.

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¿Qué es el mecanizado de prototipos?

El mecanizado de prototipos es un proceso utilizado para crear prototipos rápidamente utilizando una máquina CNC. El lote de producción suele ser pequeño, con el objetivo de proporcionar una representación visual y funcional del producto final. En otras palabras, el mecanizado de prototipos determina cómo resultaría físicamente un diseño digital.

Con el mecanizado de prototipos, a los fabricantes les resulta más fácil detectar defectos de diseño y eliminarlos antes del comienzo de la producción a gran escala. Eliminar los defectos en esta etapa del desarrollo del producto ayuda a que la producción sea rentable.

¿Por qué el mecanizado CNC es bueno para los procesos de creación de prototipos?

Varias razones hacen que el mecanizado CNC sea el proceso ideal para la creación de prototipos. En primer lugar, este proceso ofrece un alto nivel de exactitud y precisión debido al uso de controles computarizados que supervisan el movimiento de la pieza de trabajo y la herramienta de corte. Estos controles computarizados consideran todos los ángulos de su diseño, asegurando que el prototipo generado sea su réplica.

Otra razón por la que el CNC es bueno para la creación de prototipos es su velocidad. Es bastante diferente de procesos como el moldeo por inyección, donde el fabricante y el desarrollador del producto tendrían que esperar unos meses para que las tolerancias y el molde estuvieran listos.

Con el sistema CNC, la creación de prototipos comienza con la creación de un modelo CAD 3D del producto final y su conversión en archivos CAM. Los archivos CAM contienen el Código G, que controla el movimiento de la máquina CNC durante el proceso de creación de prototipos.

Diferentes operaciones de creación de prototipos CNC

Hay diferentes operaciones de mecanizado CNC de prototipos disponibles para los fabricantes. La operación específica elegida para un diseño a menudo depende de varios factores, incluidas las especificaciones del diseño y los materiales utilizados.

A continuación se detallan las operaciones comunes de mecanizado de prototipos CNC.

Fresado

Esta operación consiste en crear un prototipo con la ayuda de una fresadora. El proceso de fresado CNC es sustractivo ya que la máquina corta materiales de una pieza de trabajo para crear un prototipo fresado por CNC de diferentes geometrías. La fresadora cuenta con herramientas de corte multipunto, en las que cada punto de corte realiza cortes afilados de diferentes formas y longitudes en la pieza de trabajo a medida que gira.

La profundidad y el tipo de corte realizado en la pieza y los ejes utilizados por la máquina dependen de la complejidad del diseño. Para una mayor precisión de corte, la fresadora también cuenta con ejes adicionales que mejoran su movimiento.

Girando

Este proceso consiste en realizar prototipos utilizando un torno con una herramienta de torno. Esta herramienta es ideal para realizar prototipos detallados, así como productos finales con características cilíndricas. La herramienta de corte del torno está estacionaria en esta operación de mecanizado mientras la pieza de trabajo gira cerca de ella.

A diferencia de la fresadora, el torno crea piezas cilíndricas utilizando una herramienta de corte de un solo punto para eliminar materiales de una barra. El torneado CNC es ideal para crear características lineales en el exterior de un prototipo, así como ranuras, roscas y conos en sus bordes interiores.

Mecanizado multieje

Se trata de una operación de creación rápida de prototipos más versátil, ideal para realizar prototipos con especificaciones complejas, ya que abarca más ejes que las operaciones convencionales. Aquí hay máquinas de 4 ejes, 5 ejes y hasta 9 ejes. Además, cuanto mayor sea el número de ejes que tenga en cuenta la máquina, mayor será su capacidad para proporcionar tolerancias altas y piezas de máquina difíciles.

Ventajas del mecanizado CNC para prototipos

En cuanto a si elegir el proceso CNC para tus prototipos, aquí tienes algunas ventajas de realizar prototipos mediante mecanizado CNC.

1. Alta exactitud y precisión

El mecanizado CNC facilita la producción de prototipos con alta precisión, tolerancias y exactitud. Esta precisión y exactitud se deben al control computarizado colocado sobre el movimiento de las herramientas de corte.

Dado que el proceso de mecanizado es exacto y preciso, los errores o defectos en el prototipo fabricado suelen deberse al diseño mismo.

2. Rentable

El CNC para la creación rápida de prototipos se produce en lotes únicos o pequeños para que el fabricante pueda evaluar el producto visual y funcionalmente. La producción en lotes pequeños es un mecanismo de seguridad que protege al fabricante o desarrollador de productos de la ruina financiera. Si el fabricante encuentra un defecto durante la evaluación, la pérdida sería mínima en comparación con detectar un defecto después de la producción a gran escala.

3. Consistencia y repetibilidad

La creación de prototipos CNC tiene un alto grado de repetibilidad. En otras palabras, utilizar el mismo proceso y diseño utilizado en la fabricación de un producto terminado en particular produciría una réplica de ese producto.

Además, las máquinas de creación de prototipos CNC son consistentes y ofrecen imitaciones exactas del diseño original independientemente de cuántas copias se produzcan. Esto es bastante diferente de otros procesos de creación de prototipos, como el moldeo por inyección, donde después de varias repeticiones, el molde se deprecia, provocando cambios mínimos en el diseño.

4. Versatilidad de materiales

Si bien existe un límite en la cantidad de materiales con los que pueden funcionar los procesos de fabricación y mecanizado, como la impresión 3D y el moldeo por inyección, la creación de prototipos CNC ofrece más versatilidad. Con la creación de prototipos CNC, es posible mecanizar diversos materiales, desde plásticos y madera hasta el prototipo de metal más resistente.

Las opciones de materiales que puede utilizar con el mecanizado de prototipos CNC incluyen plásticos como PS, LDPE, HDPE, PC, PP, PMMA, POM, PAGF, PCGF, ABS y teflón.

Los metales y aleaciones metálicas ideales para el mecanizado de prototipos CNC incluyen aluminio, acero, acero inoxidable, magnesio, titanio, zinc, cobre, bronce y latón.

5. Proceso que ahorra tiempo

Hacer prototipos utilizando CNC es un proceso que ahorra tiempo ya que no requiere la producción de moldes ni otros requisitos previos. Además, la modificación de diseños es rápida, ya que el fabricante necesita modificar los archivos CAD y CAM y producir el prototipo nuevamente utilizando la máquina CNC.

Limitaciones de la creación de prototipos con mecanizado CNC

La creación de prototipos con mecanizado CNC sigue siendo una de las mejores formas de producir prototipos, pero todavía existen limitaciones en el uso de este proceso. A continuación se detallan algunas de estas limitaciones;

1. Restricciones geométricas

Una limitación importante del proceso de creación de prototipos CNC es su incapacidad para trabajar en geometrías interiores. Esto se debe principalmente a que la máquina sólo funciona en el exterior.

En otras palabras, sería difícil generar prototipos que tengan componentes internos utilizando el mecanizado de prototipos CNC. Para realizar prototipos con componentes internos lo mejor es utilizar procesos de fabricación aditiva como la impresión 3D que funcionan desde el interior hacia el exterior ya que fabrican mejor las geometrías internas.

2. Experiencia técnica

Diseñar un archivo CAD y generar un archivo CAM a partir de él requiere conocimientos técnicos. Además, configurar y operar la máquina CNC requiere cierta experiencia. La creación de prototipos CNC requiere conocimiento de los procedimientos de prueba, enfoques innovadores, experiencia y visión creativa.

Además, no todos los fabricantes que realizan mecanizado CNC pueden realizar prototipos CNC sin formación. Es por eso que a menudo es aconsejable subcontratar los trabajos de mecanizado de prototipos CNC a expertos como WayKen con años de experiencia en la industria de creación de prototipos.

3. Proceso de Fabricación Sustractiva y Desperdicio de Materiales

El mecanizado CNC elimina materiales de la pieza de trabajo durante el proceso de producción o creación de prototipos, lo que lo convierte en un proceso de fabricación sustractivo. En consecuencia, aumentar la cantidad de material utilizado durante el proceso de fabricación aumenta el coste del material.

Además, como es muy poco probable que un prototipo sea ideal en el primer intento, esto aumenta el desperdicio de materiales y el costo asociado. Además, dado que hay pocas posibilidades de vender el pequeño lote de prototipos producidos, incluso si cumplen con todos los requisitos técnicos, todavía se considera un desperdicio de materiales.

4. Cuesta más que la impresión 3D

Los costos de material incurridos durante el mecanizado de prototipos CNC hacen que el proceso sea mucho más costoso que la impresión 3D SLS. Además, al crear prototipos, la atención se centra a menudo en los detalles más que en la optimización de costes, razón por la cual los precios a veces son altísimos.

Sin embargo, el precio suele merecer la pena, ya que la precisión y exactitud del prototipo son mayores y la gama de materiales es más amplia.

Aplicaciones del mecanizado de prototipos CNC

El mecanizado de prototipos CNC es un proceso de creación de prototipos con amplia aceptabilidad en todas las industrias. Sin embargo, algunas industrias utilizan este proceso más que otras; Estas son algunas de estas industrias.

Industria del automóvil

La industria automotriz requiere piezas y modelos con alta precisión y tolerancias estrictas. Estas piezas suelen ir desde los frenos y las marchas hasta los componentes de la suspensión e incluso las ruedas. Todas estas piezas requieren tolerancias ultra estrictas para garantizar la seguridad de los vehículos.

Esta industria fabrica estos prototipos y los instala en vehículos para garantizar que encajen y funcionen correctamente antes de la producción en masa. Sin el mecanizado de prototipos CNC, sería un desafío desarrollar prototipos de automóviles que se ajusten consistentemente a las especificaciones deseadas.

Industria médica

Esta industria necesita piezas y equipos con precisión y exactitud microscópicas. La industria médica también disfruta de la versatilidad en la elección de materiales que ofrece el mecanizado de prototipos CNC con requisitos para piezas fabricadas de metal y plástico.

Además, con el avance de la tecnología médica, existen necesidades de prótesis, tubos de biopsia, tijeras quirúrgicas, portaimplantes, etc., piezas que requieren las tolerancias más estrictas. El proceso de mecanizado CNC proporciona a esta industria prototipos funcionales de alta calidad con alta precisión y exactitud.

Industria aeroespacial

Esta industria utiliza la tecnología de creación de prototipos CNC para dos propósitos principales. En primer lugar, desarrollar piezas con un alto grado de precisión y exactitud. Otra razón es probar el rendimiento de estas piezas y otras innovaciones en la industria aeroespacial para comprobar su funcionalidad, garantizando que estas piezas no fallarán cuando una aeronave esté en el aire. Las piezas de aviones que a menudo se fabrican mediante mecanizado de prototipos CNC incluyen colectores, casquillos, perfiles aerodinámicos, etc.

Industria militar

El departamento de investigación y desarrollo (I+D) utiliza principalmente esta tecnología en la industria militar. La I+D militar utiliza el mecanizado de prototipos CNC para producir vehículos de guerra, aviones y otras piezas. Confían en este proceso ya que facilita la rápida producción de piezas independientemente de la dureza del material utilizado.

Consideraciones y consejos para la creación de prototipos CNC

La creación de prototipos CNC es un método confiable utilizado por los fabricantes para garantizar que las piezas cumplan con los requisitos y la precisión antes de la producción en masa. ¿Quiere crear un prototipo CNC de su diseño? Aquí tienes algunos consejos.

Reducir la complejidad del prototipo

Si bien un diseño complejo puede parecer una buena idea, normalmente no lo es. Una cosa a tener en cuenta sobre el mecanizado de prototipos CNC es que cuanto mayor sea la complejidad, mayor será el costo del mecanizado CNC. Aparte del coste, lleva mucho tiempo configurar la máquina para un diseño que requiere varios ángulos y socavados, lo que aumenta en consecuencia el tiempo de desarrollo.

Por lo tanto, un diseño complejo aumenta el costo de desarrollo de su producto y su tiempo de comercialización al aumentar el tiempo de desarrollo.

Usar tolerancias predeterminadas

Las tolerancias predeterminadas suelen ser las mejores prácticas, que se obtienen después de años de trabajar con un material en particular. Lograr tolerancias más estrictas puede requerir herramientas de corte especializadas y accesorios adicionales, lo que afectaría el costo de producción. A menudo es mejor dejar que los ingenieros experimentados que trabajan en su diseño decidan qué nivel de tolerancia sería ideal para el prototipo de su producto.

Tenga en cuenta la geometría de la herramienta al diseñar

Considere las características axiales de las herramientas de corte o del mecanizado durante el mecanizado CNC del prototipo, ya que los procedimientos de mecanizado funcionan de forma giratoria. La mayoría de las herramientas de corte tienen longitudes de corte limitadas y son redondas. Por lo tanto, la geometría de la herramienta tendrá un impacto en todas las operaciones de corte.

Utilice un fabricante de prototipos CNC con experiencia

Más importante aún, debería colaborar con un especialista experimentado en creación de prototipos CNC. Ya que pueden centrarse en optimizar los procesos para crear prototipos de alta calidad. El especialista también considera las limitaciones geométricas del proceso de mecanizado necesario para fabricar el prototipo deseado. Sin un fabricante de prototipos experimentado, sería difícil aprovechar los beneficios del desarrollo de prototipos mediante mecanizado CNC.

Comparación entre prototipos mecanizados por CNC y prototipos de moldeo por inyección

Si bien ambos prototipos proporcionan una representación visual del producto final, son bastante diferentes entre sí. Aquí tienes una comparativa entre ambos tipos de prototipos.

Tolerancia de piezas

Los prototipos moldeados por inyección tienen una tolerancia de piezas que oscila entre ±. 0,1 a 0,7 mm. El bajo nivel de tolerancia obtenido con los prototipos moldeados por inyección se debe a la contracción tras la inyección.

Por otro lado, los prototipos de máquinas CNC tienen un nivel de tolerancia muy alto de ± 0,01 mm, un testimonio de la precisión y exactitud del proceso de mecanizado.

Material del prototipo

Los prototipos moldeados por inyección suelen ser plásticos o elastómeros. Esto se debe al proceso de producción que requiere materiales fundidos en un molde para formar los prototipos. Por el contrario, los prototipos mecanizados por CNC pueden ser de madera, plástico o metal, según el material elegido por el fabricante.

Calidad de la superficie

Aunque el proceso de moldeo por inyección es preciso, los prototipos producidos pueden tener defectos menores como deformaciones, marcas de hundimiento, líneas de flujo, líneas de soldadura, disparos de vacío, cortocircuitos y chorros. Estos defectos impactan negativamente en la apariencia de los prototipos moldeados por inyección.

Por otro lado, los prototipos mecanizados por CNC tienen un mejor acabado superficial debido a la gran cantidad de herramientas empleadas durante el proceso.

Comparación entre la creación de prototipos CNC y la impresión 3D

Si bien ambos son procesos de creación de prototipos, son bastante diferentes entre sí tanto en el método como en la solución proporcionada. Además, ambos procesos tienen sus fortalezas, debilidades y escenarios ideales. Sin embargo, para este artículo, aquí hay una comparación entre ambos procesos;

Consumo de materiales

En comparación con el mecanizado de prototipos CNC, el desperdicio de material de la impresión 3D es bastante bajo. Esto se debe a que la impresión 3D sólo utiliza el material necesario durante el proceso de fabricación. Por otro lado, el mecanizado CNC corta el exceso de materiales de un bloque para lograr la forma deseada.

Costo de creación de prototipos

Los procesos CNC son más costosos que la impresión 3D. La diferencia de precio se debe a la cantidad de accesorios que requiere una máquina CNC para funcionar de manera óptima. Estos accesorios van desde accesorios y herramientas de corte hasta sistemas de suministro de fluido de corte.

Además, el alto coste de adquisición de la máquina de prototipado CNC influye en el coste de los prototipos producidos mediante el proceso de mecanizado, encareciendo considerablemente.

Materiales compatibles

El mecanizado CNC admite materiales que van desde madera y plástico hasta metales y aleaciones. La impresión 3D, por otro lado, comúnmente admite termoplásticos debido a su facilidad de calentamiento y reformado.

Tolerancia y dureza de la pieza

Las máquinas CNC tienen una tolerancia de ±0,01 mm, mientras que las tecnologías de impresión 3D de siguiente nivel como DMLS (Sinterización directa por láser de metal) tienen un nivel de tolerancia de ±0,1 mm. Además, las máquinas de creación de prototipos CNC producen piezas que son más resistentes que las producidas por la impresión 3D.

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Preguntas frecuentes

¿Cuáles son los materiales para los prototipos CNC?

Los materiales para los prototipos CNC son metales:bronce, zinc, magnesio, titanio, cobre, latón, acero inoxidable y aluminio.

Acrílico, ABS, PP, nailon, PC, teflón, HDPE, LDPE y PVC son ejemplos de materiales plásticos ideales para la creación de prototipos CNC.

¿Existen mejores opciones para la creación de prototipos que el mecanizado de prototipos CNC?

El mecanizado de prototipos CNC es una de las mejores opciones si desea un prototipo muy duradero. Sin embargo, el material para la tarea, qué tan estructuralmente robusto desea que sea el prototipo y algunos otros criterios jugarán un papel importante en su decisión de elegir qué procesos de creación de prototipos.

¿Qué factores afectan el coste de la creación de prototipos CNC?

Los factores que influyen en el costo de la creación de prototipos CNC incluyen la complejidad del diseño, las tolerancias y la elección del material. Otros factores incluyen el tipo de máquina CNC utilizada y la opción de acabado de superficie elegida.