Breve guía del mecanizado CNC de 5 ejes

La fresadora CNC de 5 ejes demuestra cómo un complejo control computacional puede facilitar capacidades de fabricación sin parangón y, francamente, es fascinante verla moverse y girar alrededor de los ejes. Es capaz de manejar geometrías que las fresadoras de 3 ejes no pueden manejar, y tiene el grado de libertad que las impresoras 3D apenas están empezando a tener.

En este artículo, aprenderemos juntos los puntos clave del mecanizado CNC de 5 ejes.

¿No basta con 3 ejes?

CNC (Control Numérico por Ordenador), más comúnmente conocido por sus siglas en inglés CNC, hace referencia a cualquier sistema mediante el cual un cabezal de herramienta se desplaza a lo largo de una trayectoria predefinida para realizar diversas tareas como taladrar, cortar, imprimir o fresar.

A menudo se asocia "CNC" con el fresado CNC, que utiliza un husillo como cabezal de corte, pero el CNC es mucho más que fresado. Hay varias aplicaciones en las que el CNC es beneficioso más allá del fresado.

Sin embargo, en este artículo nos centraremos en el fresado CNC: el proceso de eliminación sistemática de material de una herramienta de corte para producir una forma geométrica final. En este proceso de reducción de material, el ordenador se encarga de convertir los diseños CAD en coordenadas, que la herramienta de corte puede utilizar como instrucciones para saber dónde eliminar material y revelar el objeto final.

Índice

Descubra los secretos del fresado CNC de 5 ejes

Una fresadora CNC de 5 ejes es una versión avanzada de las fresadoras tradicionales en la que su herramienta de corte tiene la libertad de moverse en cinco ejes simultáneamente, lo que ofrece la oportunidad de crear formas geométricas complejas.

La fresadora CNC de 3 ejes convencional, muy popular entre los aficionados, no puede mover el husillo de corte de forma que se creen cavidades parciales y salientes, por ejemplo, si el material no se ajusta manualmente durante el proceso de mecanizado.

Los materiales de fresado CNC habituales suelen ser plástico, metal, resina, cera o madera. Dado que las fresadoras CNC pueden equiparse con casi cualquier tipo de broca, también pueden procesar cualquier material que pueda taladrarse de forma razonable y segura.

Gracias a su capacidad para fabricar piezas complejas con materiales robustos y duraderos, el fresado CNC de 5 ejes se ha convertido en una solución de fabricación y prototipado habitual en la industria aeroespacial, que sin duda requiere geometrías complejas de alta resistencia para satisfacer aplicaciones exigentes.

Más allá del tercer eje

Los lectores a los que les gusten las matemáticas se preguntarán de dónde salen estos dos ejes adicionales. Después de todo, el sistema de coordenadas cartesianas sólo tiene 3 ejes: X, Y y Z. La respuesta es sorprendentemente sencilla. El CNC de 5 ejes añade un eje de rotación adicional alrededor de los ejes X e Y. Estos ejes se denominan ejes de rotación. Éstos se denominan ejes de rotación, mientras que las direcciones X, Y y Z estándar se denominan ejes de traslación.

La imagen anterior muestra cinco ejes. De hecho, hay ejes Z giratorios en algunas máquinas, pero en realidad, las fresadoras CNC de 6 ejes son una raza rara, ya que el sexto eje proporciona poco beneficio fuera de las aplicaciones de gama alta o de nicho. Sin embargo, siguen existiendo, ya que estas máquinas CNC de 6 ejes ofrecen un tercer eje de rotación.

5 ejes en un mundo de 3 ejes

Las fresadoras CNC pueden alcanzar su capacidad de 5 ejes mediante dos métodos mecánicos: girando el cabezal de corte o moviendo el banco de trabajo (así como el bloque de material).

Como su nombre indica, la máquina de cabezal giratorio puede manipular el cabezal de la herramienta alrededor del bloque de material, entrando en espacios estrechos desde distintos ángulos. Este método puede procesar objetos más grandes y pesados porque el bloque de material permanece inmóvil durante todo el proceso.

Por otro lado, las fresadoras CNC que desplazan objetos sobre una mesa (también conocidas como trunnions) consiguen dos ejes de libertad adicionales mediante la rotación de la mesa sobre la que se coloca el material. La ventaja de este método es la velocidad y la estabilidad, aunque los objetos demasiado grandes o pesados no pueden girar de esta manera.

Fresadora CNC de 5 ejes

El mecanizado en 5 ejes es una tecnología compleja pero factible. Algunas máquinas están diseñadas específicamente para esta tarea y emplean métodos de control numérico continuo. Esto implica ajustar constantemente la herramienta de corte en los 5 ejes para mantener una perpendicularidad óptima entre la broca y la superficie de corte.

Por otra parte, algunas máquinas (como la Haas VF-4) pueden modificarse añadiendo muñones para obtener dos ejes adicionales. Se trata de un método de mecanizado de 3+2 ejes, que bloquea la pieza en un ángulo determinado por los ejes de rotación en torno a X e Y, mientras que el cabezal de la herramienta se desplaza sobre los 3 ejes para cortar la pieza.

Fresado continuo y fresado de 3+2 ejes

La principal ventaja del CNC continuo es la velocidad. Durante este proceso, no es necesario detener el corte para reposicionar la pieza varias veces, y un CNC continuo de 5 ejes puede completar el trabajo rápidamente. Sin embargo, cabe señalar que los cabezales de herramienta en movimiento continuo requieren más piezas móviles (es decir, más desgaste) y requieren una detección de colisiones más avanzada.

En una máquina de 3 ejes, la gravedad y las fijaciones trabajan conjuntamente para garantizar que los objetos permanezcan seguros durante el procesamiento. Por tanto, las piezas deben tener un grosor mínimo (en función del material) para garantizar que no se rompan al procesarlas desde una dirección específica. Para garantizar que la pieza se sujeta en la fresadora con la fuerza suficiente, se suelen utilizar herramientas como fijaciones hidráulicas o mordazas de punto cero.

Cuando se utilizan herramientas de corte pesadas, los fragmentos de material pueden volar a gran velocidad, por lo que es importante garantizar que el cabezal de corte no colisione con la materia prima en lugares inesperados. El seguimiento de todo en el espacio 3D ha demostrado ser un reto de programación importante.

El papel de la fresadora CNC de 5 ejes

El fresado en 5 ejes puede producir piezas de alta calidad, pero no es el único método para fabricarlas (Fuente: Jordan Hart vía YouTube)

¿Cuándo tiene sentido el mecanizado en 5 ejes? Es la mejor opción cuando las piezas deben tener una determinada resistencia, carecer por completo de orificios o estar fabricadas con materiales de stock únicos. En este caso, ni siquiera la impresora 3D DMLS más avanzada tecnológicamente puede satisfacer sus necesidades.

El mecanizado CNC de 5 ejes proporciona a los fabricantes un medio eficaz para modificar objetos existentes con características complejas que no pueden producirse mediante impresoras 3D; sin embargo, el mecanizado de 5 ejes por sí solo no siempre puede proporcionarles una solución ideal a sus dilemas.

Limitaciones

Se trata de un proceso más complejo. Aunque las impresoras 3D pueden encenderse y, por lo general, dejarse tranquilas, las fresadoras CNC de 5 ejes requieren más tiempo y atención. Esto se debe a que la pieza en bruto debe reposicionarse repetidamente, el cabezal de la herramienta debe calibrarse y sustituirse, y el CAM debe ejecutarse por pasos.

Sus capacidades geométricas siguen siendo relativamente limitadas. Aunque puede conseguir las formas geométricas más complejas, es más compleja que una fresadora de 3 ejes, pero sigue sin poder lograr los mismos resultados que muchas impresoras 3D. Por ejemplo, ni siquiera una fresadora CNC de 5 ejes puede fabricar esferas huecas a partir de piezas en bruto sólidas.

Durante el proceso de producción se desperdician materiales. Dependiendo de la tecnología de la impresora 3D, las fresadoras CNC pueden desperdiciar más materiales (al fin y al cabo, se trata de un proceso de fabricación sustractivo). Sin embargo, esta situación a veces puede paliarse porque los residuos de fábrica, como el aluminio y el acero, a menudo pueden recogerse y reciclarse en un nuevo inventario.

Obviamente, estas no son razones suficientes para evitar el mecanizado CNC de 5 ejes, pero aun así es mejor tenerlo en cuenta cuando se trate de proyectos que puedan beneficiarse de un enfoque de 5 ejes.