Como a usinagem CNC pode viabilizar o desenvolvimento rápido de protótipos com múltiplos materiais?

Em poucos dias, você terá em mãos um protótipo totalmente funcional: um lado é de liga de alumínio fria, usinada com precisão para criar aletas de dissipação de calor e uma estrutura de suporte; o outro lado é de plástico rígido de engenharia, moldado em uma carcaça com contornos ergonômicos, e há até mesmo uma vedação de silicone macia no interior.

Toda essa montagem multimaterial não é criada em diversas linhas de produção, mas em um único centro de usinagem CNC, em uma única configuração ou processo enxuto. Essa é a capacidade da fabricação rápida de protótipos da atualidade.

Este guia explorará como a tecnologia de prototipagem rápida CNC utiliza metal, plástico e materiais compósitos para desenvolver protótipos multimateriais sem esforço, simplificando drasticamente o ciclo de inovação do seu produto.

Resumo das respostas principais

Como obter prototipagem com múltiplos materiais? Soluções de usinagem CNC de precisão da JS

A JS Precision possui mais de 15 anos de experiência prática em prototipagem rápida multimaterial e já concluiu projetos de protótipos multimateriais para mais de 500 clientes em 12 setores, incluindo aeroespacial, médico e de eletrônicos de consumo.

Por exemplo, criamos um protótipo de uma caixa de sensor composta de liga de titânio e PEEK para um cliente da área aeroespacial, reduzindo o tempo de entrega para apenas quatro dias, mantendo uma precisão dimensional de ±0,005 mm.

Ao concluirmos um protótipo de um conector de cateter em aço inoxidável e silicone medicinal para um cliente da área médica, alcançamos uma melhoria de 30% na resistência à tração por meio da utilização de uma estrutura de encaixe físico. Chegamos a prototipar para um cliente da área de eletrônicos de consumo, um invólucro integrado em plástico de policarbonato e liga de alumínio, priorizando tanto a estética quanto a resistência estrutural.

A experiência abrange mais de 10 combinações de materiais e envolve tecnologias-chave como CNC de cinco eixos e ajuste adaptativo de parâmetros. Este guia foi compilado a partir de mais de mil projetos de desenvolvimento rápido de protótipos, e cada item foi testado e comprovado.

A JS Precision, com sua vasta experiência em usinagem CNC multimaterial, oferece soluções personalizadas para o desenvolvimento rápido de protótipos do seu projeto. Basta nos enviar seus desenhos e analisaremos o projeto imediatamente, fornecendo recomendações de processo para a execução eficaz do mesmo.

O Motor do Desenvolvimento Rápido de Protótipos: Superando os Principais Desafios do CNC

Para viabilizar a prototipagem rápida de alta qualidade com múltiplos materiais, devemos primeiro abordar os desafios básicos da usinagem CNC — aqueles decorrentes das diferenças nas propriedades dos materiais e na complexidade do processo. Somente superando esses desafios poderemos garantir a eficiência e a precisão do desenvolvimento de protótipos rápidos.

Desafio 1: Integração do Design

Os protótipos tradicionais são normalmente desenvolvidos em componentes separados, o que facilmente leva a problemas de precisão na montagem posterior. A prototipagem multimaterial exige que os projetistas considerem a união e a fixação dos materiais desde o início. Por exemplo, quando metal e plástico são unidos, elementos de encaixe físico devem ser pré-projetados para evitar junções frágeis posteriormente.

Desafio 2: Serialização de Fabricação

A base da serialização na manufatura reside no planejamento da ordem de produção e no projeto dos dispositivos de fixação. Qual material deve ser usinado primeiro, o duro ou o macio? Como o dispositivo de fixação pode prender com segurança peças de diferentes materiais? A falha em resolver essas questões resulta em defeitos de usinagem. Usinar o material macio primeiro, por exemplo, torna-o mais suscetível à vibração da usinagem subsequente do material duro .

Desafio 3: Material "Diálogo"

Materiais diferentes possuem forças de corte, coeficientes de expansão térmica e rigidez consideravelmente diferentes. Ao usinar alumínio (metal) e plástico ABS, por exemplo, o alumínio requer alta velocidade e baixas taxas de avanço, enquanto o ABS requer baixa velocidade e altas taxas de avanço.

A utilização dos mesmos parâmetros para todas as peças pode facilmente levar à distorção das peças ou a erros dimensionais, influenciando a qualidade da fabricação de protótipos rápidos .

Desafio 4: Equilíbrio entre Eficiência e Custo

A usinagem de múltiplos materiais exige um planejamento de processo mais complexo e configurações adicionais, o que aumenta o tempo e o custo de processamento. Manter a qualidade e, ao mesmo tempo, atender aos requisitos básicos de velocidade da prototipagem rápida é um desafio que as empresas precisam superar.

Dominando a fabricação rápida de protótipos: Tecnologias-chave em usinagem CNC

Após superar os desafios básicos da usinagem CNC de protótipos multimateriais, o domínio das tecnologias-chave é fundamental para o avanço da prototipagem rápida . Essas tecnologias aprimoram a qualidade e a eficiência em três áreas:

Software CAM avançado e simulação

Por meio do uso de software CAM com capacidade para auxiliar usinagem multieixos e planejamento de "sequência de usinagem", como o Mastercam, é possível planejar com precisão processos de usinagem multimaterial . Além disso, a simulação de corte em ambiente virtual permite prever problemas de interferência entre ferramenta e dispositivo de fixação, evitando erros na usinagem real e reduzindo o desperdício de material.

Estratégias de usinagem adaptativas

1. Tecnologia "Configuração Única": Pré-fixação de diferentes materiais em dispositivos de precisão. Todos os materiais são usinados em uma única configuração com controle programável, o que proporciona excelente precisão de posicionamento relativo e elimina erros de múltiplas configurações.

2. Recuperação Sequencial de Parâmetros: O software CAM é capaz de recuperar automaticamente diferentes bibliotecas de parâmetros de corte, ou seja, alta velocidade e taxas de avanço lentas para usinagem de metais e mudança instantânea para baixa velocidade e taxas de avanço rápidas para plásticos. A ferramenta ideal é escolhida automaticamente, sem necessidade de ajustes manuais contínuos.

Design de acessórios inteligentes

Com sistemas de fixação modulares e configuráveis, como dispositivos de fixação dedicados ou blocos de morsa fresáveis, é possível adaptar a usinagem a uma variedade de peças brutas com formatos irregulares. Além de facilitar a montagem, o sistema de fixação estabiliza a usinagem de peças com diversos materiais, melhorando a precisão na prototipagem rápida.

Figura 1: Prototipagem rápida CNC

A precisão da usinagem rápida de protótipos: superando os desafios dos materiais compósitos.

Na prototipagem rápida com múltiplos materiais, a precisão de usinagem dos materiais compostos (composto de fibra de carbono e composto de fibra de vidro) tem impacto direto na qualidade geral da usinagem do protótipo . Suas naturezas individuais trazem desafios específicos, que exigem soluções CNC personalizadas.

Desafios dos Materiais Compostos e Comparação de Soluções CNC

Mais soluções CNC

A otimização dos parâmetros do processo por meio de ajustes precisos é essencial. O usinagem das fibras por "cisalhamento", em vez de "tração", proporciona bordas perfeitas, sem delaminação ou rebarbas. Um potente aspirador de pó pode remover a poeira diretamente, protegendo os equipamentos e a saúde dos trabalhadores, além de impedir que a poeira afete a precisão da usinagem e garantir uma fabricação rápida e eficiente de protótipos.

A JS Precision é especializada em tecnologia de prototipagem rápida CNC de materiais compósitos, solucionando completamente os problemas de rasgos e desgaste de ferramentas na usinagem de compósitos, garantindo usinagem de protótipos rápidos de alta precisão e atendendo aos seus requisitos de testes funcionais.

Superando os desafios da prototipagem rápida em metal e plástico.

Metal e plástico são uma combinação muito popular para prototipagem rápida com múltiplos materiais. No entanto, as diferenças em suas propriedades físicas (como condutividade térmica e dureza) representam grandes desafios de processamento. Somente superando esses desafios é possível garantir a qualidade dos protótipos de prototipagem rápida em metal e plástico.

O controle térmico é um grande problema. O calor da usinagem do metal é transferido para o plástico na área afetada, amolecendo-o. A solução é utilizar a usinagem intermitente: usinar a peça metálica por um período antes de passar para a peça plástica ou outra área, permitindo que a área metálica esfrie. O resfriamento localizado, ou seja, o resfriamento a ar, também é utilizado para evitar a deformação térmica do plástico.

A tensão na interface e a precisão também são de extrema importância. Como podemos obter uma interface perfeita entre peças de plástico e metal?

A solução é utilizar os recursos de usinagem de precisão de fornecedores de serviços de prototipagem rápida CNC personalizados, como a JS Precision, para usinar diretamente microestruturas (por exemplo, rebaixos e nervuras) para encaixe por pressão, encaixe de pressão ou colagem, obtendo-se um travamento físico e aumentando a resistência e a vedação da junta.

Para superar os desafios de usinagem de metal e plástico na prototipagem rápida , a JS Precision oferece soluções inovadoras de gerenciamento térmico e usinagem de interface para garantir a precisão e a longevidade da ligação entre os dois materiais, assegurando o desempenho estável de seus protótipos.

Figura 2: prototipagem rápida de metal

Estratégias para prototipagem rápida CNC personalizada de materiais rígidos e flexíveis

A combinação de materiais rígidos (como aço inoxidável e liga de alumínio) e materiais macios (como plásticos macios e silicone) é comum na prototipagem personalizada. A prototipagem rápida CNC personalizada de alta qualidade pode ser alcançada implementando uma abordagem de usinagem científica que equilibra os requisitos de usinagem de diferentes materiais.

Princípios de usinagem e ajuste de parâmetros

Usinar primeiro o material duro é mais estável, gerando menos vibração e deflexão. Em seguida, usar o material duro usinado como referência para usinar o material macio aumenta a precisão geral.

A seleção de ferramentas de corte deve equilibrar a nitidez e a capacidade de evitar o acúmulo de cavacos. O ajuste dinâmico de parâmetros impede o derretimento ou a deformação de materiais macios devido ao superaquecimento, garantindo a qualidade na prototipagem rápida CNC personalizada .

A JS Precision oferece um serviço especializado em prototipagem rápida CNC personalizada e pode desenvolver técnicas de usinagem sob medida, com base nas características de sólidos duros e macios, para garantir a qualidade do protótipo e atender precisamente às suas necessidades específicas.

CNC vs. Impressão 3D: Um confronto na produção de protótipos multimateriais

Usinagem CNC e impressão 3D são as tecnologias mais procuradas para prototipagem multimaterial. Ambas têm seus méritos, e o uso de uma ou outra depende das suas necessidades de desenvolvimento rápido de protótipos. A diferença entre elas pode ajudá-lo a fazer a escolha certa.

Comparação das vantagens da prototipagem multimaterial por CNC e impressão 3D

Conclusão: A prototipagem rápida por CNC é mais adequada para a criação de protótipos de alta precisão, alta resistência e nível de teste funcional, atendendo aos altos requisitos de desempenho do desenvolvimento de protótipos rápidos. A impressão 3D , no entanto, é mais adequada para provas de conceito, protótipos com encaixe de forma e protótipos com cavidades internas complexas.

Figura 3: Protótipo de usinagem CNC multimaterial (esquerda) VS. peça impressa em 3D (direita).

Estudo de Caso: Como a JS Precision Desenvolveu um Protótipo Integrado de Propulsão Multimaterial para Drones

Este exemplo oferece uma intuição mais clara de como a usinagem CNC aborda as questões do desenvolvimento rápido de protótipos multimateriais. A seguir, descreveremos todo o processo que a JS Precision seguiu para criar um protótipo de propulsão multimaterial para um cliente da indústria de drones.

Requisitos do cliente

Uma empresa de drones precisava de um protótipo de propulsão leve e de alta potência para testes de voo.

Alta resistência e alta integração coaxial das pás de compósito de fibra de carbono e dos cubos de liga de alumínio eram os requisitos. A pá precisava manter seu peso abaixo de 20g, o cubo precisava ser resistente a 10.000 rpm e leve, e a interface entre os dois precisava manter uma precisão de ±0,003mm.

Os desafios mais relevantes foram a usinagem resistente ao rasgo das lâminas de CFRP, o projeto de uma estrutura leve e de alta resistência para o cubo de alumínio e a precisão em nível micrométrico na interface entre os dois.

Solução da JS Precision

1. Projeto Colaborativo: Nossos engenheiros trabalharam com o cliente para aprimorar o projeto de conexão, incorporando uma estrutura de encaixe macho-fêmea em vez de simplesmente colar. Essa estrutura proporciona um aumento de 35% na resistência da junta e simplifica a usinagem e a montagem.

2. Usinagem Seriada:

• Todas as lâminas de CFRP foram usinadas com precisão em uma única operação por uma máquina CNC de cinco eixos, utilizando ferramentas de corte revestidas de diamante a uma alta velocidade de 12.000 rpm e uma profundidade de corte muito pequena de 0,1 mm, sem delaminação nas bordas.
• No segundo exemplo, na mesma montagem, o centro da lâmina foi pré-processado com uma estrutura de encaixe de alta precisão por meio de ferramentas de corte de metal duro.
• Em terceiro lugar, o bloco de roda de liga de alumínio pré-processado foi instalado em um gabarito de precisão, e uma estrutura oca (redução de peso de 20%) foi usada para processar a cabeça da junta de encaixe com um ajuste por interferência com a junta.

3. Integração e Verificação: Utilizando um adesivo resistente a altas temperaturas e um sistema de encaixe físico, as duas partes foram unidas por pressão para formar a hélice completa. As dimensões principais foram então verificadas com uma máquina de medição por coordenadas para garantir a conformidade.

Resultados

O cliente tinha um protótipo funcional pronto para testes de voo e em túnel de vento de alta velocidade em 5 dias, validando o projeto e reduzindo o ciclo de desenvolvimento do produto em 70% .

O protótipo apresentou o desempenho esperado e se mostrou estável durante os testes, garantindo o investimento necessário e permitindo que o cliente levasse seu projeto de desenvolvimento rápido de protótipos para a próxima etapa com sucesso.

Figura 4: A hélice dobrável em fibra de carbono e liga de alumínio é fabricada utilizando usinagem CNC de 5 eixos.

Inicie seu projeto: Contrate um serviço profissional de prototipagem rápida CNC.

Para um desenvolvimento de protótipos CNC multimateriais sem complicações, você deve selecionar um fornecedor profissional de serviços de prototipagem rápida CNC.

Avalie a abrangência técnica: verifique se o prestador de serviços possui o conhecimento e os equipamentos necessários para lidar com todos os materiais do seu projeto, desde metais para prototipagem rápida até plásticos especiais. Por exemplo, o prestador de serviços consegue trabalhar com materiais especiais como PEEK e compósitos com carga cerâmica? E dispõe de equipamentos CNC de cinco eixos para processar estruturas complexas?

Explore as capacidades de suporte de engenharia: Um provedor de serviços competente oferece análises de projeto para fabricação, em vez de simplesmente aceitar os desenhos passivamente. Ele consegue identificar proativamente problemas de fabricação no projeto e fornecer recomendações de otimização, economizando custos de modificação em estágios avançados e aumentando a eficiência da prototipagem rápida.

Revisão do sistema de qualidade: Deve-se questionar o prestador de serviços sobre como ele controla as dimensões principais de protótipos multimateriais, especialmente a precisão do encaixe das interfaces. A disponibilidade de equipamentos de teste, como máquinas de medição por coordenadas, e a implementação de um procedimento de teste rigoroso influenciam diretamente a qualidade do protótipo.

Simplifique o processo de orçamento: Uma plataforma de serviços moderna deve ter um processo de orçamento online ágil e apresentar com clareza as questões processuais e as estruturas de custos. Orçamentos rápidos e com preço fixo permitem que você planeje o orçamento do seu projeto com antecedência e minimize o tempo de início do projeto.

A JS Precision oferece serviços completos de prototipagem rápida CNC, com suporte técnico especializado de engenheiros e sistema de garantia de qualidade. Nosso processo ágil de orçamento permite que você inicie seu projeto com eficiência, confiança e rapidez.

Perguntas frequentes

P1: A usinagem CNC de protótipos multimateriais é muito mais lenta do que a impressão 3D?

Nem sempre. Para protótipos com estrutura complexa, mas que exigem baixa resistência, a impressão 3D pode ser mais rápida. Para protótipos funcionais de alta precisão, com bom acabamento superficial e propriedades de materiais realistas, a usinagem CNC geralmente apresenta vantagens em termos de tempo de produção da primeira peça. Isso se deve ao fato de que ela realmente economiza tempo nos processos trabalhosos pós-impressão 3D, incluindo remoção de suportes, lixamento e pós-cura, estando mais alinhada com os requisitos de eficiência do desenvolvimento rápido de protótipos.

Q2: A prototipagem CNC com múltiplos materiais é muito cara?

A usinagem multimaterial é mais cara devido à sua complexidade, mas o valor agregado supera em muito o custo adicional. Através da prototipagem rápida em uma única etapa, é possível antecipar problemas de compatibilidade de materiais, interferências na montagem e gargalos de desempenho, evitando alterações que seriam dezenas ou até centenas de vezes mais caras em um volume de produção maior.

P3: Em quanto tempo posso obter um protótipo CNC multimaterial?

Na JS Precision, seguindo nosso processo padrão de prototipagem rápida, desde o recebimento dos seus dados qualificados até o envio, protótipos simples com múltiplos materiais podem ser concluídos em 2 a 3 dias úteis, e os mais complexos, em apenas 5 a 7 dias úteis. Dessa forma, conseguimos atender ao seu cronograma de desenvolvimento de protótipos rápidos sem atrasar o seu ciclo de desenvolvimento.

Q4: Quais são algumas combinações de materiais exóticos que vocês conseguem usinar?

Além de metais e plásticos padrão, também usinamos com sucesso combinações de PEEK e liga de titânio, compósitos com carga cerâmica e liga de alumínio, e combinações de ULTEM e liga de cobre. Nossos engenheiros possuem vasta experiência em prototipagem rápida CNC personalizada. Entre em contato conosco para discutirmos suas necessidades específicas e desenvolvermos uma solução de usinagem eficiente.

Resumo

A usinagem CNC há muito deixou de ser apenas um estereótipo de "corte de metal" e está elevando a prototipagem rápida a novos patamares, com sua flexibilidade e precisão incomparáveis.

Ao combinar o desempenho superior de diversos materiais, permite tocar e confirmar a experiência de um produto quase finalizado logo no início do desenvolvimento, reduzindo os riscos de pesquisa e desenvolvimento e acelerando o lançamento no mercado.

A JS Precision é a opção ideal se você estiver criando um produto inovador e procurando um parceiro de fabricação acostumado com seus projetos complexos e capaz de produzi-los com alta precisão.

Com nossa vasta experiência, tecnologia de ponta e processos eficientes, garantimos a execução de qualidade de seus projetos de desenvolvimento rápido de protótipos, permitindo que você lance seus produtos no mercado dentro do prazo.