La creación de prototipos es uno de los pasos más importantes en el desarrollo de productos, ya que ayuda a evaluar la apariencia y funcionalidad de un diseño. Este proceso que utiliza métodos de mecanizado tradicionales es caro y requiere mucho tiempo. Sin embargo, con el mecanizado de prototipos CNC, los prototipos se pueden producir de forma económica y en un período de tiempo relativamente corto.
En este artículo, analizamos el mecanizado de prototipos y exploramos las diversas aplicaciones del mecanizado de prototipos CNC, así como consideraciones y consejos sobre el proceso.
¡Ve ahora!
¿Qué es el procesamiento de prototipos?
La creación de prototipos es un proceso que se utiliza para crear rápidamente prototipos utilizando una máquina CNC. El lote de producción suele ser pequeño y está destinado a proporcionar una representación visual y funcional del producto final. En otras palabras, la edición de prototipos determina la apariencia física de un diseño digital.
El mecanizado de prototipos facilita a los fabricantes identificar y eliminar errores de diseño antes de que comience la producción en masa. Eliminar errores en esta etapa del desarrollo del producto ayuda a que la producción sea más rentable.
¿Por qué el mecanizado CNC es adecuado para procesos de creación de prototipos?
El mecanizado CNC es el método ideal para la creación de prototipos por varias razones. Primero, este proceso proporciona un alto nivel de exactitud y precisión mediante el uso de controles computarizados que monitorean el movimiento de la pieza y la herramienta de corte. Estos controles computarizados tienen en cuenta todos los ángulos de su proyecto y garantizan que el prototipo creado sea una copia del mismo.
Otra razón por la que el CNC es adecuado para la creación de prototipos es su velocidad. Se diferencia significativamente de procesos como el moldeo por inyección, donde los fabricantes y desarrolladores de productos tienen que esperar unos meses hasta que las tolerancias y los moldes estén 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.
Varias operaciones de creación de prototipos CNC.
Los fabricantes tienen varios procesos de mecanizado CNC disponibles para la creación de prototipos. El método elegido para un proyecto a menudo depende de varios factores, incluidas las especificaciones del proyecto y los materiales utilizados.
A continuación se detallan operaciones comunes de mecanizado de prototipos CNC.
Moler
Este proceso implica la creación de un prototipo utilizando una fresadora. El proceso de fresado CNC es sustractivo porque la máquina corta materiales de una pieza para crear un prototipo fresado CNC con diferentes geometrías. La fresadora tiene herramientas de corte con múltiples hojas, y cada punto de corte produce cortes afilados de diferentes formas y longitudes a medida que gira la pieza.
La profundidad y tipo de corte de la pieza, así como los ejes utilizados por la máquina, dependen de la complejidad del proyecto. Para una mayor precisión de corte, la fresadora también cuenta con ejes adicionales que mejoran su movimiento.
Doblar
En este proceso se fabrican prototipos en un torno utilizando una herramienta de torneado. Esta herramienta es ideal para producir prototipos detallados, así como productos finales con características cilíndricas. Durante este proceso de mecanizado, la herramienta de torneado permanece estacionaria mientras la pieza de trabajo gira en su entorno.
A diferencia de la fresadora, el torno produce piezas cilíndricas utilizando una herramienta de corte de un solo filo que elimina material 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 los bordes interiores.
Mecanizado multieje
Esta es una operación de creación rápida de prototipos más versátil e ideal para producir prototipos con especificaciones complejas porque involucra más ejes que las operaciones tradicionales. Aquí hay máquinas de 4, 5 e incluso 9 ejes. Y cuanto mayor sea el número de ejes considerados por la máquina, mayor será su capacidad para producir altas tolerancias y piezas difíciles.
Beneficios del mecanizado CNC para prototipos
Al considerar si debe elegir el mecanizado CNC para sus prototipos, le presentamos a continuación algunos de los beneficios de la creación de prototipos mediante mecanizado CNC.
1. Alta exactitud y precisión
El mecanizado CNC permite la producción de prototipos con alta precisión, tolerancias y exactitud. Esta precisión y exactitud se debe al control computacional del movimiento de las herramientas de corte.
Como el proceso de mecanizado es exacto y preciso, los errores o defectos en el prototipo fabricado muchas veces se deben al propio diseño.
2. Relación calidad-precio
El CNC para la creación rápida de prototipos se realiza individualmente o en pequeñas series para que el fabricante pueda evaluar el producto visual y funcionalmente. La producción en pequeñas series es una solución a prueba de fallos que protege al fabricante o desarrollador de productos de la ruina financiera. Si el fabricante encuentra un defecto durante la evaluación, la pérdida será mínima en comparación con descubrir un defecto después de la producción en serie.
3. Consistencia y repetibilidad
La creación de prototipos CNC tiene un alto grado de repetibilidad. En otras palabras, si utiliza el mismo proceso y diseño utilizado para producir un producto final específico, puede hacer una copia de ese producto.
Además, las máquinas de creación de prototipos CNC son consistentes y proporcionan réplicas exactas del diseño original, independientemente de cuántas copias se hagan. Esto es bastante diferente de otros procesos de creación de prototipos, como el moldeo por inyección, donde el molde pierde valor después de varias iteraciones, lo que requiere cambios menores de diseño.
4. Variedad de materiales
Si bien la cantidad de materiales con los que pueden funcionar los procesos de fabricación y mecanizado, como la impresión 3D y el moldeo por inyección, es limitada, la creación de prototipos CNC ofrece más versatilidad. Con el prototipado CNC es posible mecanizar diversos materiales, desde plásticos y madera hasta el prototipo metálico más resistente.
Las opciones de materiales que puede utilizar en el mecanizado de prototipos CNC incluyen plásticos como PS, LDPE, HDPE, PC, PP, PMMA, POM, PAGF, PCGF, ABS y teflón.
Los metales y aleaciones ideales para la creación de prototipos CNC incluyen aluminio, acero, acero inoxidable, magnesio, titanio, zinc, cobre, bronce y latón.
5. Proceso de ahorro de tiempo
Producir prototipos con CNC es un proceso que ahorra tiempo, ya que elimina la necesidad de producción de moldes y otros requisitos. Cambiar los diseños también es rápido, ya que el fabricante necesita cambiar los archivos CAD y CAM y volver a crear el prototipo en la máquina CNC.
Limitaciones en 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 la incapacidad de trabajar en geometrías internas. Esto se debe principalmente a que la máquina sólo funciona externamente.
En otras palabras, sería difícil producir prototipos con componentes internos utilizando el mecanizado de prototipos CNC. Para la fabricación de prototipos con componentes internos lo mejor es utilizar técnicas de fabricación aditiva, como la impresión 3D, que trabajan de adentro hacia afuera, ya que son más adecuadas para la producción de geometrías internas.
2. Conocimiento técnico
Diseñar un archivo CAD y generar un archivo CAM a partir de él requiere conocimientos técnicos. Además, configurar y operar la máquina CNC requiere algunos conocimientos especializados. La creación de prototipos CNC requiere conocimiento de los procedimientos de prueba, enfoques innovadores, experiencia y visión creativa.
3. Proceso de fabricación sustractivo y desperdicio de material.
El mecanizado CNC implica eliminar material de la pieza durante el proceso de creación de prototipos o de producción, lo que lo convierte en un proceso de fabricación sustractivo. En consecuencia, un aumento en la cantidad de material consumido durante el proceso de fabricación aumenta el coste del material.
Además, como es muy poco probable que un prototipo sea perfecto la primera vez, esto contribuye al desperdicio de material y a los costes asociados. Además, como es poco probable que se venda el pequeño número de prototipos producidos, incluso si cumplen todos los requisitos técnicos, esto sigue considerándose un desperdicio de materiales.
4. Cuesta más que la impresión 3D
Los costes de material del procesamiento de prototipos CNC hacen que el proceso sea significativamente más caro que la impresión 3D SLS. Además, al crear prototipos, la atención se centra a menudo más en los detalles que en la optimización de costes, por lo que los precios a veces son astronómicamente altos.
Sin embargo, el precio suele justificarse porque la precisión y exactitud de los prototipos son mayores y se dispone de una mayor selección de materiales.
Aplicaciones de mecanizado de prototipos CNC
El mecanizado de prototipos CNC es un proceso de creación de prototipos ampliamente aceptado en todas las industrias. Sin embargo, este proceso se utiliza con más frecuencia en algunas industrias que en otras. Estas son algunas de estas industrias.
Industria automobilística
La industria automotriz exige piezas y modelos con alta precisión y tolerancias estrictas. Estas piezas suelen variar desde frenos y transmisiones hasta componentes de suspensión e incluso ruedas. Todas estas piezas requieren tolerancias extremadamente 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 cumplan consistentemente con las especificaciones deseadas.
Industria médica
Esta industria requiere piezas y equipos con precisión y exactitud microscópicas. La industria médica también se beneficia de la versatilidad en la selección de materiales que ofrece la creación de prototipos CNC, que requieren piezas de metal y plástico.
Además, con los avances de la tecnología médica, existe la necesidad 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 por dos razones principales. En primer lugar, desarrollar piezas con un alto nivel de precisión y exactitud. Otra razón es probar la funcionalidad de estas piezas y otras innovaciones en la industria aeroespacial y garantizar que estas piezas no fallen una vez que la aeronave esté en el aire. Las piezas de aviones que a menudo se fabrican mediante prototipos CNC incluyen colectores, casquillos, alas, etc.
industria militar
El departamento de investigación y desarrollo (I+D) utiliza esta tecnología principalmente en la industria militar. La investigación y el desarrollo militares utilizan el mecanizado de prototipos CNC para producir vehículos de guerra, aviones y otras piezas. Confían en este proceso porque permite la fabricación rápida 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 que utilizan los fabricantes para garantizar que las piezas cumplan con los requisitos y sean precisas antes de la producción en masa. ¿Quieres crear tu proyecto con un prototipo CNC? Aquí tienes algunos consejos.
Reducir la complejidad del prototipo
Si bien un diseño complejo puede parecer una buena idea, normalmente no lo es. Cuando se trata de mecanizado de prototipos CNC, es importante tener en cuenta que el costo del mecanizado CNC aumenta a medida que aumenta la complejidad. Además del costo, se necesita mucho tiempo para configurar la máquina para un proyecto que requiere múltiples ángulos y socavados, lo que aumenta el tiempo de desarrollo.
Por lo tanto, un diseño complejo aumenta el costo de desarrollo de su producto y el tiempo de comercialización porque aumenta el tiempo de desarrollo.
Utilice tolerancias estándar
Las tolerancias estándar suelen ser las mejores prácticas logradas después de años de trabajar con un material específico. Para obtener tolerancias más estrictas, es posible que se requieran herramientas de corte especiales y accesorios adicionales, lo que afectaría los costos de producción. A menudo es mejor dejar que los ingenieros experimentados que trabajan en su proyecto decidan qué nivel de tolerancia sería ideal para el prototipo de su producto.
Considere la geometría de la herramienta al diseñar
Considere las características axiales de las herramientas de corte o piezas mecanizadas en el mecanizado de prototipos CNC porque los procesos de mecanizado son rotativos. La mayoría de las herramientas de corte tienen longitudes de corte limitadas y son redondas. Por tanto, la geometría de la herramienta afecta a todas las operaciones de corte.
Utilice un fabricante de prototipos CNC experimentado
Lo más importante es que debe trabajar con un experto en creación de prototipos CNC. Porque puede centrarse en optimizar procesos para crear prototipos de alta calidad. El especialista también tiene en cuenta las limitaciones geométricas del proceso de mecanizado necesario para producir el prototipo deseado. Sin un fabricante de prototipos experimentado, sería difícil aprovechar los beneficios del desarrollo de prototipos mediante mecanizado CNC.
Comparación entre prototipos fresados por CNC y prototipos moldeados por inyección
Aunque estos dos prototipos proporcionan una representación visual del producto final, son muy diferentes entre sí. A continuación se muestra una comparación entre los dos tipos de prototipos.
Tolerancia parcial
Los prototipos moldeados por inyección tienen una tolerancia de pieza de ±0,1 a 0,7 mm. La baja tolerancia en los prototipos moldeados por inyección se debe a la contracción después de la inyección.
Por otro lado, los prototipos de máquinas CNC presentan una tolerancia muy alta de ±0,01 mm, un testimonio de la precisión y exactitud del proceso de mecanizado.
Material prototipo
Los prototipos moldeados por inyección suelen estar hechos de plástico o elastómeros. Esto se debe a que el proceso de producción requiere colocar material fundido en un molde para formar prototipos. Los prototipos fresados por CNC se pueden fabricar en 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 fabricados pueden tener defectos menores como deformaciones, marcas de hundimiento, líneas de flujo, líneas de soldadura, golpes de vacío, cortocircuitos y salpicaduras. Estos defectos tienen un impacto negativo en la apariencia de los prototipos moldeados por inyección.
Por otro lado, los prototipos mecanizados por CNC tienen un mejor acabado superficial debido al amplio utillaje utilizado durante el proceso.
Comparación entre la creación de prototipos CNC y la impresión 3D
Aunque ambos son procesos de creación de prototipos, difieren significativamente 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 los dos procesos:
Material de consumo
En comparación con el mecanizado de prototipos CNC, el desperdicio de material en la impresión 3D es bastante pequeño. Esto se debe a que la impresión 3D utiliza sólo el material necesario durante el proceso de fabricación. El mecanizado CNC, por otro lado, implica cortar el exceso de material de un bloque para obtener la forma deseada.
Costos de creación de prototipos
Los procesos CNC son más caros que la impresión 3D. La diferencia de precio proviene de la cantidad de accesorios que una máquina CNC necesita para funcionar de manera óptima. Estos accesorios van desde plantillas y herramientas de corte hasta sistemas de distribución de fluidos de corte.
Además, los altos costos de compra de máquinas de creación de prototipos CNC afectan los costos de los prototipos producidos por el proceso de corte de metal y los encarecen significativamente.
Materiales compatibles
El mecanizado CNC soporta materiales desde madera y plástico hasta metales y aleaciones. Los termoplásticos, por otro lado, se utilizan a menudo en la impresión 3D porque son fáciles de calentar y moldear.
Tolerancia y tenacidad de las piezas.
Las máquinas CNC tienen una tolerancia de ±0,01 mm, mientras que las tecnologías de impresión 3D de alta gama como DMLS (Sinterización directa por láser de metal) tienen una tolerancia de ±0,1 mm. Además, las máquinas de creación de prototipos CNC producen piezas más robustas que las fabricadas mediante impresión 3D.
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Preguntas frecuentes
¿Qué materiales se necesitan 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 utilizado para la tarea, la robustez estructural deseada del prototipo y algunos otros criterios juegan un papel importante en la decisión sobre qué método de creación de prototipos elegir.
¿Qué factores afectan el costo de la creación de prototipos CNC?
Los factores que influyen en los costos de creación de prototipos CNC incluyen la complejidad del diseño, las tolerancias y la selección de materiales. Otros factores incluyen el tipo de máquina CNC utilizada y el acabado superficial elegido.
