A prototipagem é uma das etapas mais importantes no desenvolvimento de produtos, pois ajuda a avaliar a aparência e a funcionalidade de um design. Este processo que utiliza métodos de usinagem tradicionais é caro e demorado. No entanto, com a usinagem de protótipos CNC, os protótipos podem ser produzidos de forma barata e em um período de tempo relativamente curto.
Neste artigo, discutimos a usinagem de protótipos e exploramos as diversas aplicações da usinagem de protótipos CNC, bem como considerações e dicas sobre o processo.
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O que é processamento de protótipo?
A prototipagem é um processo usado para criar protótipos rapidamente usando uma máquina CNC. O lote de produção é normalmente pequeno e destina-se a proporcionar uma representação visual e funcional do produto final. Em outras palavras, a edição do protótipo determina a aparência física de um design digital.
A usinagem de protótipos torna mais fácil para os fabricantes identificar e eliminar erros de projeto antes do início da produção em massa. A eliminação de erros nesta fase do desenvolvimento do produto ajuda a tornar a produção mais econômica.
Por que a usinagem CNC é adequada para processos de prototipagem?
A usinagem CNC é o método ideal para prototipagem por vários motivos. Primeiro, este processo proporciona um alto nível de exatidão e precisão através do uso de controles computadorizados que monitoram o movimento da peça e da ferramenta de corte. Esses controles computadorizados levam em consideração todos os ângulos do seu projeto e garantem que o protótipo criado seja uma cópia dele.
Outra razão pela qual o CNC é adequado para prototipagem é a sua velocidade. Difere significativamente de processos como moldagem por injeção, onde os fabricantes e desenvolvedores de produtos têm que esperar alguns meses até que as tolerâncias e os moldes estejam prontos.
Com o sistema CNC, a prototipagem começa com a criação de um modelo CAD 3D do produto final e a conversão em arquivos CAM. Os arquivos CAM contêm o código G que controla o movimento da máquina CNC durante o processo de criação do protótipo.
Várias operações de prototipagem CNC
Os fabricantes têm vários processos de usinagem CNC disponíveis para protótipos. O método escolhido para um projeto geralmente depende de vários fatores, incluindo a especificação do projeto e os materiais utilizados.
Abaixo estão as operações comuns de usinagem de prototipagem CNC.
Moer
Este processo envolve a criação de um protótipo usando uma fresadora. O processo de fresamento CNC é subtrativo, pois a máquina corta materiais de uma peça para criar um protótipo fresado CNC com diferentes geometrias. A fresadora possui ferramentas de corte com múltiplas lâminas, com cada ponto de corte produzindo cortes afiados de diferentes formatos e comprimentos à medida que a peça é girada.
A profundidade e o tipo de corte da peça, bem como os eixos utilizados pela máquina, dependem da complexidade do projeto. Para maior precisão de corte, a fresadora também possui eixos adicionais que melhoram seu movimento.
Vez
Nesse processo, os protótipos são fabricados em torno com ferramenta de torneamento. Esta ferramenta é ideal para produzir protótipos detalhados, bem como produtos finais com características cilíndricas. Durante este processo de usinagem, a ferramenta de torneamento fica estacionária enquanto a peça gira em sua vizinhança.
Ao contrário da fresadora, o torno produz peças cilíndricas usando uma ferramenta de corte de aresta única que remove material de uma barra. O torneamento CNC é ideal para criar recursos lineares na parte externa de um protótipo, bem como ranhuras, roscas e cones nas bordas internas.
Usinagem multieixos
Esta é uma operação de prototipagem rápida mais versátil e ideal para produzir protótipos com especificações complexas porque envolve mais eixos do que as operações tradicionais. Existem máquinas de 4, 5 e até 9 eixos aqui. E quanto maior o número de eixos considerados pela máquina, maior será sua capacidade de produzir altas tolerâncias e peças difíceis.
Benefícios da usinagem CNC para protótipos
Ao considerar se você deve escolher a usinagem CNC para seus protótipos, aqui estão alguns benefícios da prototipagem usando usinagem CNC.
1. Alta exatidão e precisão
A usinagem CNC permite a produção de protótipos com alta precisão, tolerâncias e exatidão. Essa precisão e exatidão se devem ao controle computacional do movimento das ferramentas de corte.
Como o processo de usinagem é exato e preciso, erros ou defeitos no protótipo fabricado são muitas vezes devidos ao próprio projeto.
2. Custo-benefício
O CNC para prototipagem rápida é feito individualmente ou em pequenas séries para que o fabricante possa avaliar o produto visual e funcionalmente. A produção em pequenas séries é uma solução à prova de falhas que protege o fabricante ou desenvolvedor do produto da ruína financeira. Se o fabricante encontrar um defeito durante a avaliação, a perda será mínima em comparação com a descoberta de um defeito após a produção em série.
3. Consistência e repetibilidade
A prototipagem CNC possui um alto grau de repetibilidade. Em outras palavras, se você usar o mesmo processo e design usado na produção de um produto final específico, poderá fazer uma cópia desse produto.
Além disso, as máquinas de prototipagem CNC são consistentes e fornecem réplicas exatas do design original, independentemente de quantas cópias sejam feitas. Isto é bastante diferente de outros processos de prototipagem, como a moldagem por injeção, onde o molde perde valor após várias iterações, necessitando de pequenas alterações no design.
4. Variedade de materiais
Embora o número de materiais com os quais os processos de fabricação e usinagem, como impressão 3D e moldagem por injeção, possam trabalhar seja limitado, a prototipagem CNC oferece mais versatilidade. Com a prototipagem CNC torna-se possível usinar diversos materiais, desde plásticos e madeira até o mais resistente protótipo de metal.
As opções de materiais que você pode usar na usinagem de protótipos CNC incluem plásticos como PS, LDPE, HDPE, PC, PP, PMMA, POM, PAGF, PCGF, ABS e Teflon.
Metais e ligas metálicas ideais para prototipagem CNC incluem alumínio, aço, aço inoxidável, magnésio, titânio, zinco, cobre, bronze e latão.
5. Processo de economia de tempo
Produzir protótipos com CNC é um processo que economiza tempo, pois elimina a necessidade de produção de moldes e outros requisitos. A alteração dos projetos também é rápida, pois o fabricante precisa alterar os arquivos CAD e CAM e fazer o protótipo novamente na máquina CNC.
Limitações na prototipagem com usinagem CNC
A prototipagem com usinagem CNC continua sendo uma das melhores formas de produzir protótipos, mas ainda existem limitações para a utilização deste processo. Abaixo estão algumas dessas limitações:
1. Restrições geométricas
Uma grande limitação do processo de prototipagem CNC é a incapacidade de trabalhar em geometrias internas. Isto ocorre principalmente porque a máquina só funciona externamente.
Em outras palavras, seria difícil produzir protótipos com componentes internos utilizando usinagem de protótipos CNC. Para a fabricação de protótipos com componentes internos, o melhor é utilizar técnicas de manufatura aditiva, como a impressão 3D, que funcionam de dentro para fora, pois são mais adequadas para a produção de geometrias internas.
2. Conhecimento técnico
Projetar um arquivo CAD e gerar um arquivo CAM a partir dele requer conhecimento técnico. Além disso, configurar e operar a máquina CNC requer algum conhecimento especializado. A prototipagem CNC requer conhecimento de procedimentos de teste, abordagens inovadoras, experiência e visão criativa.
3. Processo de fabricação subtrativo e desperdício de material
A usinagem CNC envolve a remoção de material da peça durante o processo de prototipagem ou produção, tornando-a um processo de fabricação subtrativo. Consequentemente, um aumento na quantidade de material consumido durante o processo de fabricação aumenta o custo do material.
Além disso, como é muito improvável que um protótipo seja perfeito à primeira tentativa, isto contribui para o desperdício de material e custos associados. Além disso, como o pequeno número de protótipos produzidos dificilmente será vendido, mesmo que atendam a todos os requisitos técnicos, isso ainda é considerado um desperdício de materiais.
4. Custa mais que a impressão 3D
Os custos de material do processamento do protótipo CNC tornam o processo significativamente mais caro do que a impressão 3D SLS. Além disso, na prototipagem, muitas vezes o foco está mais nos detalhes do que na otimização de custos, razão pela qual os preços às vezes são astronomicamente altos.
No entanto, o preço é muitas vezes justificado porque a precisão e exatidão dos protótipos são maiores e uma maior seleção de materiais está disponível.
Aplicações de usinagem de prototipagem CNC
A usinagem de protótipos CNC é um processo de prototipagem amplamente aceito em todos os setores. No entanto, este processo é usado com mais frequência em algumas indústrias do que em outras. Aqui estão algumas dessas indústrias.
Indústria automobilística
A indústria automotiva exige peças e modelos com alta precisão e tolerâncias restritas. Essas peças geralmente variam desde freios e transmissões até componentes de suspensão e até mesmo rodas. Todas essas peças exigem tolerâncias extremamente rígidas para garantir a segurança dos veículos.
Esta indústria fabrica esses protótipos e os instala em veículos para garantir que se encaixem e funcionem adequadamente antes da produção em massa. Sem a usinagem de protótipos CNC, seria um desafio desenvolver protótipos automotivos que atendessem consistentemente às especificações desejadas.
Indústria médica
Esta indústria requer peças e equipamentos com precisão e exatidão microscópicas. A indústria médica também se beneficia da versatilidade na seleção de materiais que a prototipagem CNC oferece, exigindo peças metálicas e plásticas.
Além disso, com os avanços da tecnologia médica, há necessidade de próteses, tubos de biópsia, tesouras cirúrgicas, porta-implantes, etc., peças que exigem as tolerâncias mais rigorosas. O processo de usinagem CNC fornece a esta indústria protótipos funcionais de alta qualidade com alta precisão e exatidão.
Indústria aeroespacial
Esta indústria utiliza tecnologia de prototipagem CNC por dois motivos principais. Em primeiro lugar, desenvolver peças com alto nível de precisão e exatidão. Outro motivo é testar o desempenho dessas peças e de outras inovações na indústria aeroespacial quanto à sua funcionalidade e garantir que essas peças não falharão quando uma aeronave estiver no ar. As peças de aeronaves frequentemente fabricadas com prototipagem CNC incluem coletores, buchas, asas, etc.
indústria militar
O departamento de pesquisa e desenvolvimento (P&D) utiliza essa tecnologia principalmente na indústria militar. A pesquisa e desenvolvimento militar utiliza usinagem de protótipos CNC para produzir veículos de guerra, aeronaves e outras peças. Eles contam com esse processo porque permite a fabricação rápida de peças independente da dureza do material utilizado.
Considerações e dicas para prototipagem CNC
A prototipagem CNC é um método confiável que os fabricantes usam para garantir que as peças atendam aos requisitos e à precisão antes da produção em massa. Gostaria de criar seu projeto com um protótipo CNC? Aqui está algumas dicas pra você.
Reduza a complexidade do protótipo
Embora um design complexo possa parecer uma boa ideia, geralmente não é. Quando se trata de usinagem de protótipos CNC, é importante observar que o custo da usinagem CNC aumenta à medida que a complexidade aumenta. Além do custo, leva muito tempo para configurar a máquina para um projeto que requer vários ângulos e cortes inferiores, o que aumenta o tempo de desenvolvimento.
Portanto, um design complexo aumenta o custo de desenvolvimento do seu produto e o tempo de lançamento no mercado porque aumenta o tempo de desenvolvimento.
Use tolerâncias padrão
As tolerâncias padrão costumam ser as melhores práticas alcançadas após anos de trabalho com um material específico. Para obter tolerâncias mais rigorosas, podem ser necessárias ferramentas de corte especiais e acessórios adicionais, o que afetaria os custos de produção. Muitas vezes é melhor deixar que os engenheiros experientes que trabalham no seu projeto decidam qual nível de tolerância seria ideal para o protótipo do seu produto.
Considere a geometria da ferramenta ao projetar
Considere as características axiais das ferramentas de corte ou peças usinadas na usinagem de protótipos CNC porque os processos de usinagem são rotativos. A maioria das ferramentas de corte tem comprimentos de corte limitados e são redondas. Portanto, a geometria da ferramenta afeta todas as operações de corte.
Use um fabricante experiente de protótipos CNC
Mais importante ainda, você deve trabalhar com um especialista experiente em prototipagem CNC. Porque ele pode se concentrar na otimização dos processos para criar protótipos de alta qualidade. O especialista também leva em consideração as limitações geométricas do processo de usinagem necessário para produzir o protótipo desejado. Sem um fabricante de protótipos experiente, seria difícil perceber os benefícios do desenvolvimento de protótipos utilizando usinagem CNC.
Comparação entre protótipos fresados CNC e protótipos moldados por injeção
Embora estes dois protótipos forneçam uma representação visual do produto final, eles são muito diferentes um do outro. Aqui está uma comparação entre os dois tipos de protótipos.
Tolerância de peça
Os protótipos moldados por injeção têm uma tolerância de peça de ±0,1 a 0,7 mm. A baixa tolerância em protótipos moldados por injeção se deve ao encolhimento após a injeção.
Por outro lado, os protótipos das máquinas CNC apresentam uma tolerância muito elevada de ± 0,01 mm, uma prova da precisão e exatidão do processo de usinagem.
Material protótipo
Os protótipos moldados por injeção são geralmente feitos de plástico ou elastômeros. Isso ocorre porque o processo de produção exige a colocação de material fundido em um molde para formar os protótipos. Já os protótipos fresados CNC podem ser feitos de madeira, plástico ou metal, dependendo do material escolhido pelo fabricante.
Qualidade da superfície
Embora o processo de moldagem por injeção seja preciso, os protótipos fabricados podem apresentar pequenos defeitos como deformações, marcas de afundamento, linhas de fluxo, linhas de solda, disparos de vácuo, curtos e respingos. Esses defeitos têm um impacto negativo na aparência dos protótipos moldados por injeção.
Por outro lado, os protótipos usinados em CNC apresentam melhor acabamento superficial devido ao extenso ferramental utilizado durante o processo.
Comparação entre prototipagem CNC e impressão 3D
Embora ambos sejam processos de prototipagem, eles diferem significativamente tanto no método quanto na solução fornecida. Além disso, ambos os processos possuem seus pontos fortes, fracos e cenários ideais. Porém, para este artigo, segue uma comparação entre os dois processos:
Consumo de material
Comparado à usinagem de protótipos CNC, o desperdício de material na impressão 3D é bastante pequeno. Isso ocorre porque a impressão 3D utiliza apenas o material necessário durante o processo de fabricação. A usinagem CNC, por outro lado, envolve o corte do excesso de material de um bloco para obter o formato desejado.
Custos de prototipagem
Os processos CNC são mais caros que a impressão 3D. A diferença de preço vem da quantidade de acessórios que uma máquina CNC precisa para funcionar de maneira ideal. Esses acessórios variam desde gabaritos e ferramentas de corte até sistemas de distribuição de fluidos de corte.
Além disso, os elevados custos de aquisição da máquina de prototipagem CNC afetam os custos dos protótipos produzidos pelo processo de corte de metal e os tornam significativamente mais caros.
Materiais suportados
A usinagem CNC suporta materiais de madeira e plástico a metais e ligas. Os termoplásticos, por outro lado, são frequentemente usados na impressão 3D porque são fáceis de aquecer e moldar.
Tolerância e tenacidade das peças
As máquinas CNC têm uma tolerância de ±0,01 mm, enquanto as tecnologias de impressão 3D de última geração, como DMLS (Direct Metal Laser Sintering), têm uma tolerância de ±0,1 mm. Além disso, as máquinas de prototipagem CNC produzem peças mais robustas do que aquelas feitas com impressão 3D.
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Perguntas frequentes
Quais materiais são necessários para protótipos CNC?
Os materiais para os protótipos CNC são metais: bronze, zinco, magnésio, titânio, cobre, latão, aço inoxidável e alumínio.
Acrílico, ABS, PP, Nylon, PC, Teflon, HDPE, LDPE e PVC são exemplos de materiais plásticos ideais para prototipagem CNC.
Existem opções melhores para prototipagem do que usinagem de protótipos CNC?
A usinagem de protótipo CNC é uma de suas melhores opções se você deseja um protótipo altamente durável. No entanto, o material utilizado para a tarefa, a robustez estrutural desejada do protótipo e alguns outros critérios desempenham um papel importante na sua decisão sobre qual método de prototipagem escolher.
Que fatores afetam o custo da prototipagem CNC?
Os fatores que influenciam os custos de prototipagem CNC incluem complexidade do projeto, tolerâncias e seleção de materiais. Outros fatores incluem o tipo de máquina CNC utilizada e o acabamento superficial escolhido.
