Fresatura e tornitura CNC: applicazioni principali e vantaggi nella prototipazione rapida

Il cuore di un prototipo di drone raffinato è un disco centrale in lega di alluminio ad alta precisione, avvolto da una staffa in fibra di carbonio scolpita e alloggiato in un connettore in ottone filettato di precisione.

In un ciclo di sviluppo tradizionale, questo richiederebbe tre o quattro fornitori e settimane di anticipo. Ma con l'applicazione magistrale del "binomio dinamico" di fresatura e tornitura CNC, tutto questo può richiedere solo pochi giorni per passare da un modello computerizzato a un prototipo portatile, testabile e funzionante.

In questo tutorial verrà illustrato come questa coppia sia il fulcro della prototipazione rapida CNC, fornendo al contempo una spiegazione dettagliata dei vantaggi della prototipazione CNC per aiutarti a comprendere come accorciano i cicli di sviluppo, riducono i costi e creano prototipi vicini al prodotto finale.

Riepilogo delle risposte chiave

Perché affidabile? Esperienza di iterazione rapida di JS Precision

Perché dovresti fidarti di questa guida alla fresatura e tornitura CNC? Perché si basa su oltre 15 anni di esperienza pratica di JS Precision nell'iterazione rapida.

Nel settore aerospaziale, aiutiamo i clienti a produrre componenti per droni in lega di alluminio-titanio con tempi di lavorazione ridotti del 30%. Nel settore dei dispositivi medici, utilizziamo la tornitura CNC per produrre componenti filettati ad alta precisione. Realizziamo oltre 500 progetti di prototipazione rapida all'anno, aiutando i clienti a ridurre in media i cicli di sviluppo prodotto di oltre il 40%.

Abbiamo anche gestito numerosi ordini urgenti per "10 prototipi complessi in 2 settimane" e, attraverso ogni progetto, abbiamo imparato l'arte del miglioramento dei processi e della gestione dei costi.

Questo libro è il frutto di esperienze concrete, dalla verifica tecnica al controllo dei costi, il tutto verificato da progetti reali, che possono aiutarti a comprendere meglio i vantaggi della prototipazione CNC e a fornire riferimenti affidabili per le tue esigenze di prototipazione rapida.

Se hai bisogno di servizi professionali di tornitura e fresatura CNC per portare avanti il tuo progetto, JS Precision offre un servizio completo, dall'ottimizzazione del progetto alla consegna della produzione. Una volta effettuato l'ordine, i nostri ingegneri risponderanno rapidamente e svilupperanno un piano di lavorazione personalizzato.

Fresatura e tornitura CNC: la funzione centrale nella prototipazione rapida

Dopo aver accertato l'affidabilità di questa guida, definiamo innanzitutto il ruolo fondamentale della fresatura e della tornitura CNC nella prototipazione rapida.

• La fresatura CNC utilizza il movimento multiasse dell'utensile per asportare materiale e scolpire profili complessi da materiale solido. Il processo è spesso utilizzato per gli elementi portanti aerodinamici delle fusoliere dei droni.
• La tornitura CNC , tuttavia, non ruota la barra, il che consente all'utensile di "scolpire" pezzi rotondi simmetrici. Componenti come supporti per cuscinetti e alberi utilizzano questo metodo per garantire la massima precisione.

Entrambi sono ampiamente utilizzati nella prototipazione rapida perché possono facilmente tradurre modelli 3D in prototipi reali in tempi rapidi e sono semplici da rendere flessibili, così da poter essere utilizzati per lavorare con un'ampia gamma di materiali, facilitando la lavorazione dalle leghe di alluminio all'acciaio inossidabile .

Per fare un semplice confronto tra i due, ecco una tabella comparativa:

Svelare la differenza: un confronto fondamentale tra tornitura e fresatura CNC per la prototipazione rapida

Dopo aver compreso le basi della fresatura e della tornitura CNC, approfondiamo le differenze fondamentali per aiutarti ulteriormente a fare la scelta giusta in termini di tecnologia per il tuo progetto.

Il segreto della fresatura CNC è il "movimento multiasse". I centri di lavorazione a 3 e 5 assi , ad esempio, consentono all'utensile di lavorare il materiale da più direzioni, consentendo di realizzare parti asimmetriche con scanalature, sedi per chiavette e superfici curve composte, come ad esempio "incidere" la forma precisa della fusoliera di un drone in un lingotto di alluminio.

La natura della tornitura CNC è la "rotazione del materiale". La barra viene tornita ad alta velocità sul mandrino mentre l'utensile taglia lungo un percorso predeterminato. La tornitura CNC è particolarmente indicata per la tornitura di pezzi simmetrici, come quelli cilindrici e conici. Ad esempio, il foro interno cilindrico di un supporto per cuscinetto può essere tornito con tornitura CNC per ottenere una maggiore rotondità.

Ma i moderni centri di lavoro multi-task (tornitura e fresatura CNC) hanno eliminato la limitazione di dover scegliere una singola tecnologia. Integrano le capacità di fresatura e tornitura CNC su un'unica macchina, per la lavorazione completa di componenti, da elementi circolari simmetrici a strutture complesse e personalizzate , in un'unica configurazione.

Ad esempio, nella lavorazione di componenti di alberi con sedi per chiavetta, non è necessario prima realizzare il corpo dell'albero su un tornio CNC e poi trasferirlo su una fresatrice CNC per realizzare la sede per chiavetta. Tutto ciò è possibile in un'unica operazione sulla macchina combinata, con tempi di attrezzaggio ridotti ed eliminazione degli errori di precisione associati alle attrezzaggi secondari.

Figura 1: Dimostra la prototipazione rapida ad alta precisione ottenuta tramite processi di fresatura e tornitura CNC realizzati da JS Precision.

Sinergia: quattro scenari tipici rivelano quando combinare le tecnologie di fresatura e tornitura

Poiché la fresatura e la tornitura CNC sono entrambe vantaggiose se utilizzate separatamente, ed esistono anche macchine combinate in grado di svolgere entrambe le funzioni, quali circostanze specifiche giustificano la combinazione di queste due tecnologie? Le seguenti quattro situazioni tipiche possono essere un chiaro riferimento:

1. Parti con caratteristiche non arrotondate sugli alberi:

La maggior parte di questi componenti è simmetrica e richiede la tornitura CNC per ottenere rotondità e concentricità. Le caratteristiche non arrotondate, come le sedi per chiavette e le porzioni piatte sui lati dell'albero, non possono essere ottenute tramite tornitura e devono essere "scolpite" tramite fresatura CNC. Gli alberi di uscita dei motori presentano normalmente questo design.

2. Alloggiamenti con fori filettati di precisione:

Gli alloggiamenti hanno in genere una forma irregolare e devono essere fresati con macchine CNC per creare il contorno complessivo e la cavità di montaggio. I fori filettati di precisione degli alloggiamenti possono essere ricavati utilizzando la funzione di maschiatura di un centro di tornitura CNC, garantendo una maggiore precisione di filettatura rispetto alla fresatura semplice e prevenendo l'inceppamento delle viti durante il successivo assemblaggio.

3. Elementi rotanti asimmetrici:

Il profilo principale dell'elemento è simmetrico rispetto alla rotazione, ad esempio un rullo con una scanalatura eccentrica. Il corpo principale cilindrico del rullo viene inizialmente ruotato tramite CNC. La scanalatura asimmetrica può essere lavorata solo tramite fresatura CNC multiasse per garantire il corretto posizionamento della scanalatura.

4. Parti che richiedono un'installazione con un singolo dispositivo di fissaggio ad alta precisione:

Quando i requisiti di precisione dei componenti sono estremamente elevati, ad esempio con tolleranze di ±0,025 mm, è probabile che il serraggio secondario introduca errori. In questi casi, tutte le operazioni di tornitura e fresatura vengono eseguite in un'unica configurazione utilizzando una fresatrice e tornitrice CNC, garantendo la massima precisione. Questo è particolarmente applicabile ai connettori di precisione per il settore aerospaziale.

In tali situazioni, è impossibile che una singola tecnologia soddisfi tutti i requisiti dei componenti. Una combinazione di fresatura e tornitura è l'unico modo per produrre rapidamente prototipi rapidi di qualità.

JS Precision vanta una vasta esperienza nella lavorazione combinata di fresatura e tornitura . In base alle caratteristiche del vostro pezzo, possiamo valutare se le due tecnologie sono necessarie ed elaborare un piano di processo ottimizzato per garantire che i prototipi rapidi soddisfino i requisiti di precisione e riducano i tempi di consegna.

Limiti di precisione: le macchine di tornitura e fresatura CNC consentono prototipi a livello di micron

Nella prototipazione rapida, la precisione può spesso determinare da sola se un prototipo è in grado di superare i requisiti di test e assemblaggio. L'elevata precisione offerta dalle macchine di tornitura e fresatura CNC è uno dei motivi principali per cui le aziende prendono in considerazione questa tecnologia.

Le macchine per tornitura e fresatura CNC di alta qualità possono in genere garantire una precisione di lavorazione di ±0,025 mm, mentre alcune apparecchiature di alta qualità hanno una capacità addirittura superiore a ±0,01 mm.

Questo grado di precisione è sufficiente a soddisfare la maggior parte dei requisiti dei prototipi aerospaziali, medicali e automobilistici. Ad esempio, i supporti dei cuscinetti dei droni richiedono una rotondità accurata per evitare il grippaggio dei cuscinetti, che può essere facilmente ottenuta con la tornitura CNC.

Tuttavia, la precisione della lavorazione CNC dipende da numerosi fattori. Di seguito è riportato un elenco dei principali fattori che influenzano la precisione e dei relativi meccanismi di controllo:

Oltre ai fattori tipici sopra menzionati, la "compensazione dinamica della precisione" è una tecnologia avanzata ancora meno conosciuta che può rilevare automaticamente e in tempo reale gli errori di lavorazione, come la deviazione delle dimensioni dovuta all'usura dell'utensile, e regolare di conseguenza i parametri di lavorazione per migliorare ulteriormente la precisione e la stabilità.

Se dovete lavorare prototipi con precisione micrometrica, i centri di tornitura e fresatura CNC di JS Precision con tecnologia di compensazione dinamica della precisione possono soddisfare le vostre esigenze di alta precisione. Dal processo all'attrezzatura, abbiamo il controllo completo sui dettagli di precisione, dall'inizio alla fine.

Figura 2: Confronto tra tornitura e fresatura CNC.

Accelerare l'innovazione: come la prototipazione rapida CNC riduce i cicli di sviluppo del prodotto

Uno dei requisiti fondamentali della prototipazione rapida è la "velocità". La prototipazione rapida CNC consente alle aziende di accelerare l'innovazione e ridurre i tempi di sviluppo dei prodotti in diversi modi.

In primo luogo, la tecnologia CNC consente una rapida iterazione. Se è necessario riprogettare i test dei prototipi, è sufficiente modificare i parametri di programmazione CNC senza dover rifare lo stampo. Ad esempio, un'azienda di componenti per auto ha modificato le misure di un prototipo e ne ha prodotto uno nuovo utilizzando la lavorazione CNC in tre giorni, rispetto alle oltre due settimane delle tecniche di costruzione di stampi tradizionali.

In secondo luogo, la lavorazione CNC riduce il costo degli stampi. I prototipi in piccoli lotti (ad esempio, 10-50 pezzi) di solito richiedono stampi, il cui costo è di migliaia o decine di migliaia di dollari. La lavorazione CNC evita l'uso di stampi, riducendo così questi costi.

Allo stesso tempo, la lavorazione CNC integra la progettazione al computer. I modelli CAD 3D possono essere importati direttamente nel software di programmazione CNC, saltando i processi di conversione intermedi e risparmiando più tempo.

Le statistiche confermano che le aziende che utilizzano la prototipazione rapida CNC hanno ottenuto una riduzione media del ciclo di sviluppo dei loro prodotti di oltre il 50% , con alcuni progetti di emergenza che hanno ridotto il ciclo fino al 70%.

Oltre a ciò, la "prototipazione virtuale" combinata con la lavorazione CNC sta diventando sempre più una nuova tendenza. Il software simula la lavorazione CNC prima di creare un prototipo fisico per verificare la conformità del percorso utensile e la geometria del pezzo. Questo riduce il numero di test sui prototipi fisici ed evita lunghe iterazioni.

Ad esempio, in passato JS Precision lavorava per un'azienda di elettronica e utilizzava la prototipazione virtuale per rilevare tempestivamente problemi di interferenza nella lavorazione dei pezzi, il che consentiva loro di creare un prototipo professionale in un colpo solo e di consegnarlo cinque giorni prima del previsto.

Per ridurre i tempi di sviluppo del prodotto con l'aiuto della prototipazione rapida CNC, JS Precision offre servizi completi, dalla prototipazione virtuale alla lavorazione effettiva dei pezzi, così puoi accelerare il processo di progettazione trasformandolo in un prototipo e cogliere le opportunità di mercato.

Figura 3: Disegni CAD dei componenti del drone e delle parti solide lavorate a CNC.

Competenza nella tornitura: tipi di parti per prototipi rapidi più ideali per la tornitura CNC

Combinando la fresatura e la tornitura CNC , la tornitura CNC offre un'esperienza inestimabile, in particolare quando si tagliano componenti per prototipi rapidi.

In primo luogo, i componenti dell'albero, come gli alberi motore e gli alberi di trasmissione, devono essere mantenuti con una rotondità e una concentricità molto precise. La tornitura CNC, mediante la rotazione della barra attorno al suo asse centrale, garantisce dimensioni uniformi in tutte le sezioni trasversali e un'elevata finitura superficiale, tipicamente pari a Ra 0,8 μm o inferiore, riducendo la necessità di rettifica secondaria.

In secondo luogo, i componenti filettati, come bulloni, dadi e raccordi filettati, richiedono un passo e una profondità di filettatura precisi, senza l'errore di precisione tipico della maschiatura manuale. Questo li rende ideali per prototipi che devono essere assemblati e testati frequentemente.

Inoltre, per le parti rotanti, come rulli e manicotti dei cuscinetti, con diametri esterni o fori interni simmetrici alla rotazione, la tornitura CNC offre elevate velocità di lavorazione e può garantire la coerenza dimensionale per lotto di prototipi.

Oltre alle applicazioni più comuni, la tornitura asimmetrica è un approccio meno diffuso ma utile nella tornitura CNC. Può essere utilizzata per tornire componenti rotanti asimmetrici, come dischi con fori eccentrici. Mantenendo il materiale in un apposito alloggiamento, la macchina di tornitura CNC è in grado di tornire la parte eccentrica durante la rotazione, soddisfacendo così le specifiche esigenze di prototipazione.

Ad esempio, JS Precision ha già lavorato alla tornitura di un prototipo di rullo con scanalatura eccentrica per un produttore di apparecchiature di automazione. Grazie alla tecnologia di tornitura asimmetrica, l'operazione è stata eseguita in un'unica fase, evitando la complessa fase di fresatura successiva e riducendo i tempi di lavorazione del 20%.

Se hai bisogno di lavorazioni CNC di prototipi , come alberi e parti filettate, le capacità tecniche e le attrezzature di JS Precision possono utilizzare la loro competenza tecnica per fornirti servizi di lavorazione ad alta precisione e ad alta efficienza.

Caso di studio: il progetto UAV ad alte prestazioni

L'esempio seguente dimostra come la fresatura e la tornitura CNC sono state applicate in un progetto di prototipazione rapida e come JS Precision ha risolto la sfida di un cliente.

Esigenze del cliente

Un'azienda specializzata in tecnologia di droni per ispezioni industriali aveva bisogno di realizzare un prototipo di drone di nuova generazione con telaio intermedio. Per il prototipo erano necessarie due specifiche fondamentali:

• Il metallo utilizzato doveva essere altamente resistente e leggero, pertanto è stata adottata la lega di alluminio aeronautico 7075 .
• La produzione ha dovuto rispettare il rigido programma di produzione di 10 set in due settimane per i test sul campo.

A complicare ulteriormente il compito, il componente presentava anche una struttura portante avanzata e non standard (per assorbire le vibrazioni del drone in volo) e sei supporti per cuscinetti strettamente coassiali (per evitare che i cuscinetti si incollassero durante l'assemblaggio). Un compito impossibile con la sola tornitura o fresatura CNC.

La soluzione di JS Precision

1. Per la struttura portante dalla forma unica del telaio centrale, abbiamo applicato la tecnologia di fresatura CNC a 5 assi.

Grazie a questa tecnologia, siamo in grado di fresare il materiale da diversi lati e di lavorare con precisione le complesse cavità e le strutture di supporto del telaio centrale. Abbiamo inoltre ottimizzato i parametri di taglio della lega di alluminio 7075 per offrire resistenza strutturale senza causare deformazioni del materiale durante la lavorazione.

2. Per la sede di montaggio del cuscinetto, la trasferiamo su una macchina di tornitura e fresatura CNC per una lavorazione di precisione.

Il supporto del cuscinetto richiede un foro interno di 10 mm di diametro con una tolleranza di rotondità di ±0,01 mm. La tornitura offre una maggiore garanzia di questa precisione e la lavorazione su una macchina multi-tasking elimina il serraggio secondario, riducendo al minimo gli errori di serraggio.

3. Il nostro team di tornitura e fresatura CNC ha ottimizzato i percorsi utensile, ad esempio unendo le operazioni di fresatura e tornitura comuni. Ha inoltre applicato un layout intelligente per assemblare più componenti su un unico foglio di lega di alluminio 7075, riducendo al minimo gli sprechi di materiale. Infine, il tempo di lavorazione per componente è stato ridotto del 30%, passando da 4 a 2,8 ore.

Risultati

Infine, al cliente sono stati consegnati tutti e 10 i prototipi entro 10 giorni, con un anticipo di quattro giorni rispetto al previsto. I test hanno confermato che i prototipi soddisfacevano i livelli di resistenza al carico previsti (in grado di supportare un carico statico di 50 kg), la tolleranza di rotondità dei sei supporti dei cuscinetti entro ±0,008 mm e la rotazione fluida dei cuscinetti durante l'assemblaggio, senza scatti.

Il cliente non solo è riuscito a eseguire con successo i test sul campo con questi prototipi, ma grazie alla loro qualità già consolidata, sono stati utilizzati direttamente per la produzione di prova in piccoli lotti , accelerando i test del prodotto in tre settimane e risparmiando tempo prezioso per il successivo lancio sul mercato.

Figura 4: I prototipi del telaio del drone in lega di alluminio ad alta resistenza sono stati realizzati utilizzando processi di fresatura e tornitura CNC.

Efficienza dei costi: massimo risparmio grazie ai servizi di tornitura e fresatura CNC

Scegliere la fresatura e la tornitura CNC per la prototipazione rapida non solo garantisce velocità e precisione, ma massimizza anche i risparmi beneficiando di servizi professionali di tornitura e fresatura CNC , ed è per questo che le aziende pongono questa tecnologia in cima alle loro priorità. Quattro aspetti sono importanti:

Progettazione per l'ottimizzazione (DFM)

Gli ingegneri di JS Precision esamineranno il progetto del tuo componente prima della lavorazione e ti consiglieranno l'ottimizzazione per ridurre i costi e la complessità della lavorazione.

Ad esempio, possono trasformare una scanalatura stretta e profonda in una larga e poco profonda per eliminare la necessità di utensili specifici, oppure dividere una cavità interna complessa in due cavità più piccole e collegarle tra loro per ridurre al minimo i tempi di lavorazione. Un cliente ha risparmiato il 15% sui costi di lavorazione dei componenti grazie alla nostra ottimizzazione DFM.

Layout intelligente ed efficienza dei materiali

Prima della lavorazione, posizioniamo i pezzi su una lamiera o una barra in base alle dimensioni e alla qualità del materiale. Su una lamiera in lega di alluminio da 1000 mm x 500 mm, il layout può ospitare due o tre pezzi aggiuntivi, riducendo gli sprechi di materiale e aumentando l'efficienza del materiale fino a oltre il 20%, con conseguente riduzione diretta dei costi del materiale.

Effetto batch

Anche per piccoli lotti di prototipi (ad esempio, 10-30 unità), un'efficace pianificazione del processo consente di risparmiare sui tempi e sui costi di attrezzaggio. Ad esempio, elaborando pezzi simili in lotti, la regolazione e la programmazione degli utensili possono essere eseguite simultaneamente, evitando ripetuti cambi utensile e regolazioni dei parametri, e riducendo i costi di lavorazione per pezzo di circa il 10% .

Evitare l'operazione secondaria

I fornitori di servizi specializzati possono eseguire tutte le operazioni, come fresatura, tornitura di precisione di fori, maschiatura e rettifica, in un'unica operazione, evitando di dover cercare altri fornitori per ulteriori lavorazioni secondarie e di dover sostenere spese di trasporto e comunicazione secondarie.

Ad esempio, un cliente campione aveva inizialmente bisogno di cercare tre fornitori per fresatura, tornitura e maschiatura. Rivolgendosi a noi, è riuscito a ottenere il risultato in un'unica soluzione, con un risparmio di ben il 25%.

La tabella seguente è un riferimento agli effetti reali delle diverse tecniche di risparmio sui costi:

Domande frequenti

D1: La lavorazione CNC non è in grado di gestire cavità interne complesse?

Gli utensili CNC devono toccare la superficie della macchina per tagliare, quindi la stampa 3D potrebbe essere una scelta più adatta per cavità interne estremamente complesse. Ma JS Precision aggira queste sfide attraverso una progettazione innovativa dei processi, completando lavorazioni di cavità più complesse di quanto si possa immaginare e soddisfacendo la maggior parte dei requisiti dei prototipi.

D2: Come scegli il materiale più adatto per il tuo prototipo utilizzando la lavorazione CNC?

La selezione dei materiali dipende dai requisiti applicativi del prototipo, tenendo conto di quattro fattori chiave: rapporto resistenza/peso, resistenza all'usura, resistenza alla corrosione e proprietà termiche/elettriche. Gli esperti di JS Precision consiglieranno i materiali in base alle vostre esigenze specifiche.

D3: Qual è la dimensione minima dei dettagli che può essere ottenuta utilizzando la lavorazione CNC?

La dimensione minima dei dettagli nella lavorazione CNC è essenzialmente controllata dall'utensile. La fresatura CNC può in genere produrre dettagli di 0,1 mm, ad esempio scanalature o fori sottili. Scanalature sottili e profonde sono difficili da lavorare a causa della rigidità dell'utensile. Per dettagli più fini, vengono utilizzate operazioni di microfresatura. I progettisti dovrebbero considerare il diametro minimo dell'utensile per evitare guasti durante la lavorazione.

D4: Ho solo un'idea o uno schizzo concettuale. Posso utilizzare il vostro servizio?

Certamente. Tuttavia, per garantire la precisione della lavorazione, consigliamo di fornire un disegno 2D o un modello CAD 3D completo. Se avete solo un'idea o un modello iniziale, il team di progettazione di JS Precision sarà lieto di aiutarvi a trasformare la vostra idea in documenti di progettazione standardizzati . Vi accompagneremo in ogni fase del processo di progettazione per garantire una lavorazione CNC fluida.

Riepilogo

La fresatura e la tornitura CNC sono molto più che tecniche di produzione tradizionali: sono strumenti formidabili e indispensabili nel settore della prototipazione rapida CNC contemporanea.

Rappresentano il connubio ideale tra l'assoluta libertà della progettazione al computer e le reali prestazioni dei materiali reali, offrendo il percorso più affidabile e veloce dalla prova di concetto al lancio sul mercato.

Che il tuo articolo richieda forme sofisticate per la tornitura o componenti ruotati di precisione per la fresatura, o entrambi, i nostri servizi completi di tornitura e fresatura CNC sono al tuo servizio.

Carica oggi stesso il tuo file CAD , sperimenta un'analisi di producibilità professionale e ottieni un preventivo immediato in pochi minuti. Lavoriamo insieme per accelerare la trasformazione delle tue idee innovative in realtà.