¿Qué es el mecanizado de prototipos CNC? Su proceso y ventajas

Para las pequeñas empresas y las empresas de nueva creación, las tecnologías de mecanizado tradicionales pueden resultar caras y llevar mucho tiempo. Sin embargo, el mecanizado de prototipos CNC ofrece a las empresas o compañías manufactureras que desean producir piezas y componentes una forma rápida y rentable que mantiene la precisión y la calidad.

Una de las principales razones por las que el mecanizado de prototipos CNC se está convirtiendo en la primera opción para la creación de prototipos es su flexibilidad. Con este método de creación de prototipos, los fabricantes pueden diseñar, desarrollar y modificar productos en poco tiempo.

¿Qué es el mecanizado de prototipos CNC?

El mecanizado de prototipos CNC es una combinación de dos procesos de fabricación principales: Mecanizado CNC superior y prototipado rápido. Este proceso emplea maquinaria de control numérico por ordenador (CNC) para convertir un modelo CAD o 3D en un modelo físico o prototipo de un producto.

La máquina CNC utiliza movimientos de precisión de la herramienta de corte para producir el prototipo. La máquina lee las instrucciones sobre cómo cortar la pieza a partir del código G suministrado mediante la conversión de CAD a CAM. El resultado del prototipado CNC es una pieza muy precisa y consistente que cumple unos requisitos específicos.

Por ello, la mayoría de las empresas que necesitan fabricar un pequeño lote de piezas antes de producir uno mayor recurren con frecuencia al mecanizado CNC de prototipos. La creación de prototipos permite a las empresas determinar el aspecto de sus productos, probarlos y asegurarse de que funcionan según lo previsto.

¿Por qué elegir las tecnologías CNC para la creación de prototipos?

Hay varias razones por las que el mecanizado de prototipos CNC es ideal para la creación de prototipos. Una de ellas es el uso de controles informatizados. Estos controles automatizados facilitan la supervisión del movimiento de la pieza de trabajo y la herramienta de corte, proporcionando un alto grado de exactitud y precisión en la creación de prototipos. Los controles automatizados tienen en cuenta cada elemento de su diseño para garantizar que el prototipo creado sea una buena réplica.

La velocidad del mecanizado CNC también lo convierte en un proceso excelente para la creación de prototipos, a diferencia de procesos tradicionales como el moldeo por inyección, que pueden llevar mucho tiempo.

Ventajas del mecanizado CNC para la fabricación de prototipos

El mecanizado CNC simplifica la creación de prototipos al tiempo que mejora la calidad de los prototipos fabricados. Estas son algunas de las ventajas de utilizar el mecanizado CNC para la creación de prototipos.

Mayor variedad de materiales

A diferencia de otras técnicas de fabricación como la impresión 3D, el mecanizado de prototipos CNC puede trabajar con una amplia gama de materiales altamente mecanizables, incluidos metales resistentes como el titanio y aleaciones, así como plásticos y madera. Por consiguiente, es posible utilizar el mismo material tanto para la creación de prototipos como para el producto final, lo que supone una gran ventaja.

El mecanizado de prototipos CNC puede aplicarse a materiales como PS, LDPE, HDPE, PC, PP, PMMA, POM, PA GF, PC GF, ABS y teflón, así como a metales y aleaciones metálicas como acero, acero inoxidable, titanio, aluminio, zinc, latón y bronce.

Repetible y coherente

Un prototipo CNC es altamente repetible, esto significa que cada producto final producido por Mecanizado CNC acrílico será un duplicado exacto de todos los demás producidos mediante el mismo proceso.

Alta precisión y exactitud

El mecanizado CNC ofrece tolerancias estrechas y gran precisión gracias al control preciso del movimiento de las herramientas de mecanizado CNC. Esto garantiza que las piezas y prototipos se ajusten a su finalidad prevista. Además, como el proceso de mecanizado CNC es preciso, los fabricantes saben que cualquier defecto en el prototipo producido se origina en la fase de diseño y no en la de producción propiamente dicha.

Rentable

Con el tiempo, el mecanizado CNC de prototipos reduce los costes de los fabricantes. Descubrir fallos o defectos en un pequeño lote de prototipos resulta más económico que abordar los problemas en la gran cantidad de piezas finales producidas durante la fase de fabricación.

Además, las revisiones posteriores sólo suelen requerir pequeños ajustes en los archivos CAD, lo que ahorra dinero en el diseño.

Flexibilidad e iterabilidad

El mecanizado de prototipos CNC no requiere un molde ni otras condiciones previas que requieran mucho tiempo, lo que agiliza el proceso. Los centros de mecanizado pueden producir prototipos rápidamente ajustándolos, pasándolos de nuevo por el proceso de mecanizado CNC y editando los archivos CAM/CAD.

Limitaciones del prototipado con mecanizado CNC

Aunque el mecanizado de prototipos CNC es uno de los mejores métodos para crear prototipos, tiene algunos inconvenientes.

Experiencia

Diseñar un archivo CAD y crear un archivo CAM a partir de él requiere conocimientos técnicos. Además, se necesita cierta experiencia para manejar y configurar la máquina CNC.

Además, no todos los fabricantes que aplican mecanizado CNC de metales pueden producir prototipos CNC sin la formación adecuada. Por este motivo, siempre es una buena idea contratar a profesionales para que se encarguen de las tareas de mecanizado de prototipos CNC.

Más caro que la impresión 3D

El mecanizado CNC de prototipos puede ser bastante más caro que la impresión 3D SLS debido a los costes de material y maquinaria que conlleva. Sin embargo, en la creación de prototipos suele primar la perfección funcional sobre la minimización de costes, por lo que estos a veces pueden ser muy elevados.

Residuos materiales

Como proceso sustractivo, el mecanizado CNC implica la eliminación de material de la pieza durante la fase de creación de prototipos o de producción. En consecuencia, los costes de material aumentan en correlación con la cantidad de material utilizado a lo largo del proceso de fabricación.

Además, esto puede dar lugar a un aumento del desperdicio de material y de los costes relacionados, sobre todo porque es muy poco probable que un prototipo sea perfecto en el primer intento.

Limitaciones geométricas

Dado que el mecanizado de prototipos CNC trabaja principalmente desde el exterior, la creación de geometrías internas puede resultar muy complicada. Para las geometrías internas, son más adecuadas otras tecnologías de fabricación como la impresión 3D, que destaca en la creación de geometrías internas.

Guía paso a paso de los procesos de prototipado rápido CNC

El proceso de creación de prototipos mecanizados con CNC implica múltiples pasos. A continuación se explica en profundidad cada uno de ellos.

Paso 1: Ideación del diseño

La etapa principal del mecanizado de prototipos CNC es la elaboración del diseño del modelo CAD. Debe producir varios diseños impecables para el producto. El diseño para pruebas (DFT), el diseño para fabricación (DFM) y el dimensionamiento y colocación del producto son algunos ejemplos de estas sesiones de ideación. La fase de ideación del diseño es crucial porque, si se hace bien, simplifica las demás fases.

Paso 2: Generación del archivo 3D

Un archivo 3D, como un diseño de modelo CAD, es necesario para el mecanizado CNC. Por eso es importante convertir los diseños autorizados en un archivo 3D legible por la máquina. Las medidas, características y estética de la pieza final vienen determinadas por estos diseños de modelos 3D.

Paso 3: Orden de la secuencia de mecanizado

En el mecanizado de prototipos CNC intervienen varias técnicas de fabricación, entre ellas Fresado CNCtorneado CNC y taladrado CNC. En consecuencia, deberá establecer el orden de mecanizado de las piezas en función de la pieza concreta.

Paso 4: Programación CNC

Los fabricantes proporcionan la secuencia de procesos de producción CNC y las instrucciones de funcionamiento de las herramientas con una aplicación CNC. El código G y el código M desempeñan un papel fundamental a la hora de informar a las máquinas CNC sobre la selección de herramientas, la trayectoria, los números de pasada, las profundidades de corte y las velocidades de avance.

Paso 5: Creación de prototipos

Una vez finalizada la programación, se introduce en el panel de control numérico de mecanizado de prototipos CNC. El prototipado comienza sin problemas cuando la pieza se monta en la herramienta y la máquina se pone en modo operativo. Los prototipos pueden ser productos de prueba o totalmente funcionales. Los fabricantes crean prototipos totalmente funcionales fresando los componentes individualmente y ensamblándolos después según los principios del Diseño para Ensamblaje (DFA).

Paso 6: Pruebas

La comprobación es la fase final y más crítica del mecanizado de prototipos CNC. Los objetivos son comprobar si hay defectos, evaluar el potencial de fallo y probar la capacidad operativa de la pieza. Los expertos en productos realizan pruebas rigurosas en el prototipo CNC y lo aprueban antes de pasar a la producción completa. Si un prototipo no cumple todas las especificaciones, se selecciona y mecaniza un diseño de prototipo alternativo.

Diversas operaciones que intervienen en el mecanizado CNC de prototipos

Los fabricantes disponen de múltiples operaciones de mecanizado CNC para crear prototipos. La elección de la operación CNC para la producción de prototipos suele depender de factores como el tipo de material y las especificaciones del diseño. Estas son las técnicas de mecanizado típicas utilizadas en la creación de prototipos CNC.

Fresado CNC

Este proceso utiliza una fresadora para crear prototipos eliminando material de una pieza de trabajo. La fresadora CNC está equipada con una herramienta de corte multipunto que gira para realizar cortes precisos de distintas longitudes y formas en la pieza.

El fresado CNC permite producir fácilmente elementos de precisión, como geometrías exactas, tolerancias estrechas y acabados superficiales superiores. Funciona especialmente bien para hacer agujeros intrincados, hendiduras y curvas tridimensionales.

Torneado CNC

En esta operación, se utiliza una herramienta de torno para el mecanizado de prototipos CNC. Es adecuada para crear prototipos complejos y productos acabados con características cilíndricas. Durante esta operación de mecanizado, la pieza gira cerca de la herramienta de corte de torno estacionaria.

La máquina de torneado utiliza una herramienta de corte de un solo punto, a diferencia de la fresadora, para eliminar material de la barra de material para fabricar piezas cilíndricas. Torneado CNC es ideal para crear ranuras, roscas y conos en los bordes interiores de un prototipo, así como características lineales en su superficie.

Mecanizado multieje

Este método flexible de creación de prototipos, que utiliza más ejes que los métodos tradicionales, es perfecto para crear prototipos con especificaciones complejas. Este proceso utiliza máquinas con cuatro, cinco o incluso nueve ejes para lograr los objetivos deseados.

Aplicaciones de los prototipos mecanizados con CNC

Un método de creación de prototipos ampliamente aceptado en todas las industrias es el mecanizado de prototipos CNC. A continuación se enumeran algunas de las industrias que utilizan este método con más frecuencia que otras.

Industria médica

Este sector requiere equipos y piezas increíblemente exactos y precisos. La industria médica se beneficia de las opciones de materiales que ofrece el mecanizado de prototipos CNC, dada su necesidad de piezas compuestas tanto de metal como de plástico.

Además, a medida que avanza la tecnología médica, aumenta la demanda de piezas con tolerancias estrechas. La industria médica utiliza el mecanizado CNC para crear prototipos de piezas como prótesis, tubos de biopsia, tijeras quirúrgicas, soportes de implantes, etc.

Industria del automóvil

Crear prototipos de vehículos que cumplan sistemáticamente las especificaciones requeridas sería difícil sin el mecanizado CNC de prototipos. La industria del automóvil requiere piezas y componentes de gran precisión y tolerancias estrictas, que pueden ir desde ruedas y suspensiones hasta frenos y engranajes. Para garantizar la seguridad de los vehículos, todas estas piezas deben cumplir unas tolerancias increíblemente precisas.

Industria militar

En la industria militar, esta tecnología se utiliza principalmente en el departamento de Investigación y Desarrollo (I+D). La I+D militar emplea el mecanizado de prototipos CNC para crear piezas para aviones, vehículos y otros equipos. Este método es el preferido porque permite la producción rápida de piezas, independientemente de la dureza de los materiales.

Industria aeroespacial

La tecnología de prototipado CNC cumple dos funciones principales en la industria aeroespacial. La primera es crear componentes extremadamente exactos y precisos. La segunda función es probar estos componentes y otras innovaciones aeroespaciales para garantizar que funcionan correctamente.

Consideraciones y consejos para el mecanizado de prototipos CNC

Hay que tener en cuenta varios factores esenciales para el éxito del prototipado CNC, ya que los fabricantes dependen del mecanizado de prototipos CNC para crear piezas que cumplan normas y exigencias estrictas.

Utilizar tolerancias estándar

Las tolerancias más estrictas suelen requerir dispositivos adicionales y herramientas de corte especializadas, lo que aumenta los costes de mecanizado CNC. Por ello, es preferible utilizar tolerancias estándar. Lo mejor sería consultar con el experto del servicio CNC que gestiona el diseño de su componente para determinar el nivel de tolerancia adecuado para sus prototipos.

Reducir la complejidad del diseño de prototipos

Otra consideración importante es la complejidad de su diseño. Recuerde que cuanto más complejo sea el diseño de su prototipo, mayores serán los costes de mecanizado CNC. Además, configurar la máquina para un modelo con varios ángulos y rebajes lleva más tiempo, lo que alarga el plazo de desarrollo. Por lo tanto, simplificar su prototipo es aconsejable para evitar aumentar los costes de producción y el tiempo de comercialización.

Tenga en cuenta la geometría de la herramienta

Dado que el prototipado CNC implica corte rotativo, compruebe las características axiales de las herramientas de corte. Tenga en cuenta la forma de la herramienta, así que evite las esquinas afiladas en sus prototipos. En este método se suelen utilizar instrumentos de corte circulares con longitudes de corte limitadas, lo que afecta a las operaciones de corte debido a la geometría de la herramienta.

Tenga en cuenta el grosor de la pared

Al desarrollar su diseño, tenga en cuenta el grosor de la pared del prototipo, ya que un grosor insuficiente puede provocar inestabilidad mecánica o el fallo de su producto o prototipo de mecanizado CNC. Como norma general, mantenga el grosor de pared de sus componentes metálicos en al menos 0,8 mm y asegúrese de que las paredes de los componentes de plástico no sean inferiores a 1,5 mm.

Asóciese con un experto en fabricación de prototipos CNC

Colaborar con un profesional experimentado en mecanizado CNC es importante para el éxito de su proyecto de creación de prototipos. Los expertos en fabricación se centran en optimizar los procesos de mecanizado para producir prototipos de alta calidad. Sin embargo, sin la ayuda de un fabricante de prototipos experimentado, aprovechar plenamente las ventajas del mecanizado CNC para la creación de prototipos sería todo un reto.

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

Los expertos debaten a menudo sobre cuál de las dos tecnologías -el mecanizado CNC o la impresión 3D- es mejor para la creación de prototipos. A continuación se resumen las diferencias entre ambas tecnologías en función de factores críticos.

Principio de funcionamiento de la técnica

El mecanizado CNC es un proceso de fabricación sustractivo que crea un producto eliminando el material sobrante de una pieza mediante una herramienta de corte. Por otro lado, la impresión 3D es un proceso aditivo, parte de la nada y construye el producto añadiendo y moldeando material gradualmente.

Materiales

La tecnología CNC puede mecanizar una gran variedad de materiales, incluidos metales, madera y polímeros, mientras que la impresión 3D tiene una compatibilidad de materiales más limitada debido al proceso de calentamiento y moldeado del material, más comúnmente utilizado para prototipos termoplásticos.

Utilización

Dado que el mecanizado CNC es sustractivo, tiende a generar más residuos. Sin embargo, los materiales de desecho reciclables pueden venderse para compensar los costes. En cambio, el mecanizado de prototipos CNC, como método de fabricación aditiva, da lugar a un mejor aprovechamiento del material.

Posibilidades geométricas

Las piezas mecanizadas con CNC suelen crearse desde fuera hacia dentro, lo que dificulta la producción de piezas con una geometría interior compleja. Por el contrario, las piezas impresas en 3D se construyen de dentro a fuera, lo que permite geometrías interiores complejas.

Comparación entre prototipos mecanizados por CNC y prototipos moldeados por inyección

Aunque estos dos tipos de prototipos ofrecen una representación visual del producto acabado, son diferentes. He aquí cómo se comparan:

Material utilizado para la creación de prototipos

Los prototipos fabricados mediante moldeo por inyección suelen estar hechos de polímeros o caucho. Esto se debe a que los prototipos se forman vertiendo materiales fundidos en un molde durante el proceso de producción. Por otro lado, el mecanizado CNC utiliza herramientas de corte hechas de metales y funcionan muy bien para producir prototipos de metal, plástico o madera, dependiendo del material que elija el fabricante.

Calidad de la superficie

El moldeo por inyección es un proceso preciso, pero los prototipos producidos pueden presentar pequeños defectos como chorros, disparos cortos, huecos, líneas de flujo, marcas de hundimiento y alabeos. Estos defectos afectan al aspecto de los prototipos fabricados mediante moldeo por inyección.

Sin embargo, el mecanizado de prototipos CNC suele tener un acabado superficial superior porque se emplean herramientas más sofisticadas durante el proceso.

Tolerancia de la pieza

Los prototipos fabricados con máquinas CNC tienen un nivel de tolerancia de ± 0,01 mm, lo que es indicativo de la exactitud y precisión del proceso de mecanizado.

Los prototipos fabricados mediante moldeo por inyección ofrecen tolerancias de componentes que oscilan entre ± 0,1 y 0,7 mm. El nivel de tolerancia relativamente bajo que se observa en los prototipos moldeados por inyección se debe a la contracción posterior a la inyección.

Volumen de producción

Gracias a su capacidad para fabricar prototipos precisos de forma flexible sin necesidad de moldes, el mecanizado CNC es ideal para la producción de bajo volumen. En cambio, el moldeo por inyección es más adecuado para la producción de grandes volúmenes porque requiere una importante inversión inicial para crear moldes. Sin embargo, una vez fabricado el molde, el coste por unidad disminuye drásticamente.

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Preguntas frecuentes

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

En función de las características específicas del proyecto, puede haber soluciones mejores que el mecanizado de prototipos CNC. Para objetos intrincados y únicos, el CNC ofrece una precisión inigualable. Sin embargo, la impresión 3D puede ser más rápida y rentable para diseños más sencillos o iteraciones rápidas.

¿Cuánto se tarda en crear un prototipo de mecanizado CNC?

A menudo, los prototipos mecanizados con CNC pueden completarse en unas pocas horas o días. Los métodos tradicionales de creación de prototipos pueden llevar semanas o incluso meses.

¿Qué factores influyen en el coste de los prototipos CNC?

La complejidad del diseño, las tolerancias y la elección de materiales influyen en los costes de creación de prototipos CNC. El tipo de máquina CNC que se utilice y la opción de acabado superficial seleccionada son factores adicionales.

¿Qué materiales se utilizan para los prototipos CNC?

Para los prototipos metálicos CNC se utilizan metales como cobre, latón, titanio, zinc, magnesio, acero inoxidable y aluminio. Los plásticos adecuados para la creación de prototipos CNC de plástico son el acrílico, el ABS, el PP, el nailon, el PC, el teflón, el HDPE y el LDPE.