Usinagem de protótipos CNC

Um processo de usinagem de protótipos, como o CNC, envolve a produção de peças prototipadas usando máquinas controladas por computador em vez dos métodos de produção em larga escala normalmente empregados. Os protótipos CNC normalmente são operacionais e resistentes e são produzidos com materiais de grau de produção, ao contrário da prototipagem rápida com impressão 3D, que permite que o engenheiro faça experimentos com o comportamento, as tolerâncias e o comportamento do material no mundo real.

A prototipagem não tem apenas o aspecto de garantir a aparência, mas também o ajuste, a forma e a viabilidade, a descoberta de dificuldades na fabricação e a prevenção de erros dispendiosos na produção.

O que é usinagem CNC?

A usinagem CNC (Controle Numérico Computadorizado) é um processo de fabricação subtrativo. Uma peça bruta é cortada em camadas com as ferramentas de corte girando sob o controle de um computador, criando peças incrivelmente precisas com tolerâncias muito restritas.

Ofertas de usinagem CNC:

• Boa precisão dimensional (+-0,01 mm ou mais)
• Excelente acabamento de superfície
• Capacidade de criar geometrias complexas.
• Repetibilidade de execução de lotes pequenos ou grandes.

A importância da prototipagem no desenvolvimento de produtos

A criação de protótipos permite às empresas:

Verificar a funcionalidade e a aparência dos projetos.

• Determinar as restrições na fabricação nos estágios iniciais.
• Testar o desempenho do material
• Informar os requisitos de design às partes interessadas.
• Minimizar as despesas e o tempo de desenvolvimento.

Os protótipos de protótipos CNC são especialmente úteis, pois podem ser testados em ambientes de operação reais.

Processo completo de usinagem de protótipos CNC

O processo de usinagem de protótipos CNC é um processo de trabalho sistemático que converte um projeto digital em um protótipo físico utilizável. Cada estágio é de importante consideração em termos de precisão dimensional, desempenho e capacidade de fabricação.

1. Projeto CAD (projeto auxiliado por computador)

Quando a operação de prototipagem CNC está em andamento, ela começa com o estabelecimento de um modelo CAD, que é usado como a base digital de todo o processo de fabricação. Trata-se de um modelo 3D que estabelece a geometria, as dimensões, as tolerâncias e os recursos funcionais da peça.

Objetivos importantes do projeto de CAD de prototipagem.

• Descreva adequadamente a finalidade real do componente.
• Estabelecer tolerâncias críticas e não críticas.
• Garanta a compatibilidade com os componentes da montagem.
• Determinar antecipadamente as restrições de fabricação.

Projeto para manufaturabilidade (DFM)

Ao projetar o CAD, os engenheiros devem ter em mente os princípios do DFM para que a peça possa ser usinada com eficiência. Isso inclui:

• Isso evita paredes muito finas, que provavelmente se deformarão durante a usinagem.
• Minimizar bolsos profundos e estreitos para os quais serão necessárias ferramentas longas.
• Redução dos ângulos internos rígidos (o filete os direciona)
• Acessibilidade dos recursos usando ferramentas de corte normais.

Também é possível usar o software atual de projeto auxiliado por computador para verificar a interferência, a espessura da parede ou a análise de esboço para ajudar os projetistas a criar uma peça sem problemas antes da oficina mecânica.

2. Programação CAM (manufatura assistida por computador)

Após a conclusão do modelo CAD, ele é convertido em um programa CAM, que é convertido em códigos legíveis por máquina (código G). Na programação CAM, é definida a produção da peça na máquina CNC.

Geração do caminho da ferramenta

Os caminhos de ferramenta produzidos pelo software CAM definem:

• Corte de direção e sequência.
• Profundidade de corte por passagem
• Estratégias de entrada e saída
• Solicitar recursos de usinagem.

Os movimentos ideais da ferramenta minimizam o tempo de usinagem, o desgaste e as falhas.

Parâmetros de corte

Os parâmetros críticos de usinagem também seguem na programação CAM e incluem:

• Velocidade do fuso (RPM)
• Taxa de alimentação
• Profundidade de corte
• Uso do líquido de arrefecimento

Esses parâmetros dependem do material, do tipo de ferramenta e do acabamento superficial necessário.

Simulação e verificação

A simulação é um dos aspectos mais importantes do CAM. Simula todo o processo com antecedência para que:

• Detectar colisões de ferramentas
• Evite falhas ou correções na máquina.
• Determine as regiões de sobrecarga da ferramenta.
• Verifique a precisão dimensional.

Isso ajudará muito a minimizar o risco de sucata de peças e danos à máquina - o que é de vital importância, especialmente na usinagem de protótipos, em que as peças geralmente são complexas e caras.

3. Seleção de materiais

A escolha do material é uma decisão muito importante na usinagem de protótipos com máquinas CNC, pois tem relação direta com a usinabilidade, o custo, o desempenho e a validade do teste.

Fatores que influenciam a escolha do material

• Propriedades mecânicas (resistência, dureza, flexibilidade)
• Características térmicas (resistência ao calor, expansão)
• Usinabilidade (desgaste da ferramenta, velocidade de corte)
• Custo e disponibilidade
• Material de produção semelhante.

Materiais comuns para protótipos CNC

Esses materiais podem incluir;

Materiais de prototipagem vs. materiais de produção

Os protótipos podem até ser feitos de materiais substitutos mais baratos para serem testados primeiro. Em outras aplicações, especialmente na área aeroespacial ou médica, o protótipo precisa ser usinado com material de grau de produção para testar o desempenho de forma realista.

A escolha dos materiais influencia a escolha da ferramenta, os parâmetros de corte e os requisitos do pós-processamento.

4. Operações de usinagem

As operações de usinagem são operações físicas reais nas quais o material é removido da peça de trabalho para moldá-la ao protótipo final. Um protótipo pode envolver várias operações e configurações de máquina, dependendo do nível de complexidade.

4.1 Fresagem

Usamos ferramentas de corte rotativas para esculpir:

• Superfícies planas
• Slots e bolsos
• Formas 3D curvas e livres.

O fresamento multieixos permite que geometrias complexas sejam esculpidas usando menos configurações. Portanto, aumenta a precisão e a relação custo-benefício.

4.2 Torneamento

Os componentes rotacionais aos quais o torneamento CNC é aplicado incluem:

• Eixos
• Buchas
• Alojamentos cilíndricos
• Peças rosqueadas

A ferramenta de corte não se move e a peça de trabalho gira, resultando em uma concentricidade e um acabamento superficial superiores.

4.3 Perfuração e rosqueamento

• A perfuração produz furos exatos para encaixar fixadores ou vias de fluido.
• O rosqueamento corta a rosca interna de parafusos e porcas.
• O posicionamento dos furos, a profundidade e a perpendicularidade são particularmente preocupantes em protótipos funcionais.

4.4 Esmerilhamento e polimento

Os processos secundários, como esmerilhamento e polimento, são usados em peças que têm tolerâncias apertadas ou acabamentos de superfície lisos. Essas são operações típicas de:

• Peças mecânicas precisas.
• Peças médicas e ópticas
• Superfícies de vedação ou de alto desgaste.

4.5 Usinagem e fixação em várias etapas

Podem ser necessários protótipos complexos:

• Configurações de várias máquinas
• Dispositivos ou gabaritos personalizados
• Reorientação da peça

Em toda instalação, há um possível erro, e o planejamento e o alinhamento adequados serão necessários para manter a precisão.

5. Pós-processamento

O pós-processamento aprimora as operações, a estabilidade e a aparência dos protótipos CNC. Enquanto a forma e o tamanho são moldados durante a usinagem, o pós-processamento garante que a peça atenda aos requisitos.

5.1 Rebarbação

Bordas afiadas ou rebarbas são resultados comuns da usinagem. Rebarbação:

1. Melhora a segurança
2. Melhora o ajuste da montagem
3. Evita concentrações de estresse.
4. Isso pode ser feito manual ou automaticamente.

5.2 Acabamento de superfície

Os tratamentos de superfície aumentam o desempenho e a aparência, como:

• Jateamento de areia
• Polimento
• Escovação
• Anodização (para alumínio)

O acabamento da superfície pode influenciar a resistência ao desgaste, a qualidade visual e o atrito.

5.3 Tratamento térmico

No caso da prototipagem de metal, pode haver necessidade de tratamento térmico:

• Aumentar a dureza
• Melhorar a força
• Aliviar as tensões internas

Isso é particularmente necessário quando o desempenho mecânico está sendo testado.

5.4 Revestimentos e chapeamento

Os revestimentos têm outras propriedades, que incluem:

• Resistência à corrosão
• Condutividade elétrica
• Maior resistência ao desgaste
• Aparência decorativa

Os mais populares são o revestimento em pó, a galvanoplastia e o revestimento PVD.

Considerações sobre o projeto de protótipos CNC

Para obter eficiência no processo de usinagem de uma peça e, ao mesmo tempo, manter as necessidades funcionais e de desempenho, a prototipagem CNC precisa ser projetada de modo que possa ser usinada com eficiência.

1. Tolerâncias

Nos protótipos CNC, a precisão dimensional é controlada com tolerâncias que são essenciais para o ajuste e a funcionalidade.

2. Acabamento da superfície

O acabamento da superfície influencia o desempenho, a montagem e a aparência dos protótipos CNC. Ele depende dos parâmetros da máquina, das ferramentas e das características do material. Processos secundários como polimento, jateamento de areia ou revestimento são empregados para melhorar a qualidade da superfície quando a usinagem não é suficiente para atender à demanda.

3. Geometria da peça

A geometria da peça é um fator muito importante que influencia a usinabilidade e a precisão. As paredes podem ser profundas, os cantos internos podem ser afiados e espessos, o que pode levar à deflexão da ferramenta e à deformação das peças. A produção de uma espessura de parede semelhante e a simplificação de características complicadas melhoram a usinagem estável e reduzem os custos.

4. Acessibilidade dos recursos

As ferramentas de corte devem ter a capacidade de acessar todos os recursos sem colidir ou se reposicionar com frequência. A falta de acessibilidade pode envolver arranjos extras, fixações complexas ou usinagem com vários eixos. A criação de caminhos de ferramenta distintos aumenta a precisão e a eficiência da máquina.

5. Propriedades do material

Os parâmetros e as tolerâncias de corte podem depender das propriedades de dureza, expansão térmica e usinabilidade do material. Metais como o alumínio são facilmente usinados, enquanto os metais titânio e aço inoxidável exigem ferramentas especializadas, velocidades mais baixas e configurações mais rígidas para garantir a precisão.

Tipos de usinagem de protótipos CNC

A usinagem de protótipos CNC tem uma variedade de técnicas de usinagem, cada uma delas apropriada para geometrias de peças específicas e necessidades funcionais. A escolha do tipo certo de usinagem proporciona uma remoção eficiente do item, alta precisão e o uso de um prazo de entrega mais curto e a qualidade do protótipo.

1. Fresagem

A fresagem CNC é perfeita para a fabricação de superfícies planas, bolsos, ranhuras e geometrias 3D complexas. Ela envolve instrumentos de corte rotativos para aparar materiais e pode ser realizada em uma máquina de 3, 4 ou 5 eixos com base na complexidade da peça. A fresagem também é comum em protótipos com contornos importantes, recursos finos e dimensões pequenas.

2. Giro

O torneamento CNC é altamente aplicável a peças usinadas cilíndricas e rotativas, como eixos, buchas, peças rosqueadas etc. A peça de trabalho é girada nesse processo, e a ferramenta de corte é mantida em repouso, o que permite alta concentricidade e acabamento superficial suave, além de precisão na produção de ranhuras e roscas.

3. Usinagem multieixos

A usinagem de vários eixos aumenta a flexibilidade e a precisão por meio da geometria. A usinagem com vários eixos é usada para cortar a peça ao longo de vários ângulos e pode ser aplicada em formas mais simples, enquanto a usinagem com 5 eixos oferece a capacidade de girar a ferramenta de corte e, normalmente, são usados eixos mais simples, mas com maior precisão, para cortar formas complicadas, rebaixos e recursos angulares.

Ferramentas e dispositivos de fixação para protótipos

A usinagem de protótipos CNC requer usinagem precisa, estável e repetível, o que exige ferramentas e fixações eficazes.

1. Seleção de ferramentas

A escolha da ferramenta se baseia no tipo de material, na geometria das características e no acabamento da superfície. As mais usadas são fresas de topo, fresas esféricas, brocas e fresas especiais de características complexas. A vida útil da ferramenta é aprimorada pelo revestimento de ferramenta especializado no material, por exemplo, TiAlN aplicado ao aço ou revestimento específico de alumínio, e o acúmulo de calor, bem como o comportamento de corte, são mantidos constantes.

2. Fixação

Durante a usinagem, a fixação adequada garante que a peça de trabalho não se mova, o que é muito importante para a precisão dimensional. As soluções comuns de fixação de trabalho são as morsas, os grampos e a mesa de vácuo, além dos gabaritos para fins especiais. As fixações feitas adequadamente minimizam a vibração, aumentam a repetibilidade e também permitem menos configurações em protótipos complicados.

3. Estratégias de usinagem

Os planos de usinagem geralmente são divididos em usinagem de desbaste e usinagem de acabamento. O desbaste é muito eficiente na extração de material em massa com parâmetros de corte brutos, enquanto o acabamento é projetado para extrair tolerâncias precisas e acabamentos de superfície finos. Os caminhos de ferramenta adaptáveis de ponta são usados para otimizar as cargas de corte, minimizar o tempo de ciclo e prolongar a vida útil das ferramentas, o que os torna particularmente úteis na usinagem de protótipos CNC.

Usinagem de protótipos CNC vs. impressão 3D: Principais diferenças

Tanto a usinagem de protótipos por CNC quanto a impressão 3D são técnicas de prototipagem amplamente difundidas, embora ambas difiram no processo, nas características do material e na adequação da aplicação:

Vantagens da usinagem de protótipos CNC

Seus prós podem incluir;

• Alta precisão e exatidão
• Protótipos funcionais de nível de produção.
• Repetição de pequenos lotes.
• Ampla seleção de materiais.
• Oferece suporte a geometrias multifacetadas.

Desafios e limitações

Seus contras podem incluir;

• Mais caro do que certos tipos de prototipagem aditiva.
• Desperdício de materiais devido à subtração.
• Envolve programação CAM e conhecimento do operador.
• A configuração e a fixação são demoradas.

Aplicações industriais

Veja a seguir as diferentes aplicações da usinagem de protótipos CNC;

1. Autopeças: suportes, carcaças, peças do motor.
2. Aeroespacial: Lâminas de turbina, estrutura.
3. Médico: implantes, equipamentos cirúrgicos.
4. Eletrônicos: Carcaças, conectores.
5. Produtos de consumo: Protótipos, testes de produtos.

Fatores de custo e otimização

A seguir, apresentamos diferentes técnicas de otimização relacionadas ao custo;

• A complexidade das peças aumenta o custo.
• O orçamento é afetado pela escolha do material.
• A usinagem multieixos é mais cara.
• O pós-processamento gera despesas extras.

Práticas recomendadas: Projeto Devem ser feitas opções de projeto simplificadas, vários protótipos devem ser operados de uma só vez e materiais econômicos devem ser usados sempre que possível.

Dicas para uma usinagem de protótipos CNC bem-sucedida

Siga as dicas abaixo para obter sucesso na usinagem de protótipos CNC.

• Parceria com lojas CNC desenvolvidas.
• Maximize os designs de fácil fabricação.
• Simulação para evitar colisões.
• Leve em conta as ferramentas, a fixação e o acabamento durante a fase de projeto.
• Validação antecipada de tolerâncias e propriedades de materiais.

 Tendências futuras em prototipagem CNC

Eles podem incluir;

• Usinagem aditiva-subtrativa, usinagem híbrida.
• Eficiência: Programação CAM baseada em IA.
• Robotização e automação.
• Processamento de ligas e compostos de alta tecnologia.
• Prototipagem rápida por meio de máquinas multieixos de alta capacidade.

Por que escolher a CNM TECH Co., Ltd?

Escolha-nos por causa de;

• Conhecimento no setor: Muitos anos de experiência em alta precisão, fundição sob pressão e máquinas CNC garantem um bom desempenho.
• Alta tecnologia: Equipado com os mais avançados equipamentos e processos para proporcionar a mais alta precisão e acabamento de superfície.
• Versatilidade do material: Em condições de trabalhar com zinco, alumínio e outros tipos de ligas.
• Garantia de qualidade: Diretrizes de inspeção rigorosas são direcionadas a um nível estrito de tolerâncias e padrões em cada peça.
• Soluções personalizadas: Oferece soluções personalizadas de fundição e usinagem para atender a necessidades especiais de projeto.

Conclusão

Em conclusão, a usinagem de protótipos CNC é uma combinação de precisão, multifuncionalidade e eficiência e, portanto, uma etapa indispensável no desenvolvimento de um produto moderno. Por meio do conhecimento do design, do comportamento do material e do processamento de ferramentas e usinagem, os engenheiros poderão produzir protótipos funcionais que sejam semelhantes e mais representativos das peças de produção para minimizar os erros e reduzir o tempo de lançamento no mercado. Com o avanço da tecnologia, a prototipagem CNC continua a ampliar os limites da inovação nos setores.

Perguntas frequentes

1. O que é a usinagem de protótipos CNC?

É o procedimento de fazer protótipos precisos e práticos em máquinas controladas por computador para que os testes possam ser feitos antes da produção em escala total.

2. Quais são os materiais de prototipagem CNC?

Normalmente, são metais (alumínio, aço, titânio), plásticos (ABS, policarbonato, PEEK) e compostos (fibra de carbono) de uso comum.

3. Quais são as tolerâncias do protótipo CNC?s?

As tolerâncias normais estão entre +-0,01 mm e peças de alta precisão e +- 0,05 mm em peças gerais.

4. Qual é a diferença entre prototipagem CNC e impressão 3D?

O CNC é mais estável e tem um acabamento de superfície superior, além de peças funcionais e de nível de produção, enquanto a impressão 3D é mais rápida e menos robusta para testes.

5. O que influencia o custo do protótipo CNC?

A complexidade das peças, a seleção de materiais, os protótipos, o tipo de máquina (3 ou 5 eixos) e o pós-processamento determinam os custos.

6. Quais são as considerações de projeto na prototipagem CNC?

O design é importante para a capacidade de fabricação, a eliminação de colisões de ferramentas, a minimização do tempo de usinagem e a precisão dimensional.