Por que o CNC é o processo ideal para a definição rápida de protótipos?

Quanto mais competitivo for o desenvolvimento de produtos, mais a velocidade se torna essencial. Mas quando se fala em prototipagem rápida, a primeira coisa que vem à mente de muitas pessoas é a impressão 3D. No entanto, existe uma tecnologia capaz de conferir aos protótipos desempenho, precisão e propriedades de materiais quase idênticos aos das peças finais de produção: a usinagem CNC.

A definição de prototipagem rápida tem sido interpretada por muitas pessoas como "fabricação rápida de modelos" , sem considerar sua influência decisiva no lançamento do produto.

Segue abaixo um artigo que irá redefinir sua compreensão sobre o que é prototipagem rápida , revelando como a tecnologia CNC, com suas incomparáveis capacidades práticas, se torna o motor mais confiável e poderoso em todo o processo de prototipagem rápida: da prova de conceito aos testes funcionais.

Resumo das respostas principais

Por que a equipe da JS Precision escolhe a usinagem CNC para prototipagem?

A Precision, JS possui mais de 12 anos de experiência prática na área de prototipagem rápida, atendendo a mais de 500 clientes de 6 grandes setores: aeroespacial, dispositivos médicos, eletrônicos de consumo, peças automotivas , automação industrial e semicondutores.

Por exemplo, a JS Precision fabricou protótipos de instrumentos cirúrgicos de alta precisão para uma empresa de equipamentos médicos, com tolerâncias de ±0,005 mm para garantir a precisão durante as cirurgias, e entregou 20 protótipos de teste de motor para a empresa de autopeças em 72 horas para atender aos seus requisitos urgentes de verificação.

Na indústria aeroespacial, eles também produziram protótipos de suportes para sistemas de controle de atitude para uma empresa de componentes de satélite, utilizando liga de titânio TC4, usinagem CNC de cinco eixos para alcançar ângulos espaciais complexos e controlando tolerâncias dentro de ±0,003 mm para ajudar o cliente a concluir os testes em órbita.

Fabricamos 30 protótipos de juntas para braços robóticos para uma empresa de automação industrial que produz equipamentos para linhas de produção, o que os ajudou a cumprir o cronograma de comissionamento em tempo recorde de apenas 48 horas.

A equipe de engenharia da JS Precision possui, em média, mais de 8 anos de experiência em usinagem CNC e já realizou mais de 1.000 projetos de prototipagem rápida.

Equipada com mais de 40 unidades de máquinas CNC de alta precisão, incluindo máquinas de 3 e 5 eixos, a oficina opera sob os sistemas de gestão de qualidade médica ISO 9001 e ISO 13485 , compreendendo plenamente as necessidades de prototipagem em diferentes áreas.

Este guia é baseado no resumo desses projetos reais, e cada sugestão foi testada na prática, portanto, você pode confiar plenamente nela.

Se você precisa de um serviço de prototipagem rápida CNC de alta qualidade, a JS Precision, com sua vasta experiência no setor, certamente atenderá às suas necessidades. Forneça os arquivos CAD e nós elaboraremos um orçamento rapidamente, iniciaremos a produção e garantiremos a qualidade e a eficiência do protótipo no menor tempo possível.

Redefinindo a velocidade: o que é prototipagem rápida na era moderna?

Primeiramente, vamos entender o que a JS Precision passou – qual é a definição moderna de prototipagem rápida – porque só é possível explicá-la adequadamente descrevendo o que é prototipagem rápida para entender por que a usinagem CNC é a solução ideal.

A prototipagem rápida moderna não se resume a "fazer um modelo mais rapidamente", mas sim a um processo integrado em que "prova de conceito - teste funcional - feedback do mercado - produção piloto em pequenos lotes" é iterativo.

Em todo o processo, cada etapa requer suporte de dados precisos do protótipo. Por exemplo, a prova de conceito exige que o protótipo atenda aos requisitos do projeto, os testes funcionais exigem que o protótipo suporte cargas reais e o feedback do mercado exige que o protótipo tenha qualidade muito próxima à do produto de produção em massa.

Um resultado bem-sucedido de prototipagem rápida deve apresentar "semelhança formal", "semelhança espiritual" e "autenticidade funcional".

Em outras palavras, "semelhança formal" significa que a aparência é consistente com o produto final, "semelhança espiritual" significa que as propriedades do material são próximas aos padrões de produção em massa, e "autenticidade funcional" significa que o produto pode simular o desempenho em cenários de uso reais.

Assim, os três requisitos acima impõem altas exigências de precisão e resistência do material para o protótipo, abrindo caminho para a usinagem CNC.

A JS Precision compreende profundamente as necessidades essenciais do processo moderno de prototipagem rápida . A JS Precision pode fornecer aos clientes protótipos que alcançam "semelhança formal, semelhança espiritual e autenticidade funcional" para ajudá-los a iterar rapidamente e impulsionar o lançamento do produto.

Além das impressoras 3D: revelando todo o espectro de ferramentas de prototipagem rápida.

Agora que a definição e os critérios rigorosos para prototipagem rápida foram estabelecidos, gostaria de comparar algumas das principais ferramentas de prototipagem rápida e encontrar a opção ideal para cenários de alta demanda.

A tabela a seguir demonstra que a usinagem CNC é, de fato, a primeira escolha indiscutível quando os protótipos precisam suportar cargas reais, operar em condições extremas ou passar por verificações de montagem precisas — por exemplo, braços de drones, peças de equipamentos para altas temperaturas e dispositivos médicos.

Por exemplo, existem componentes de implantes médicos que exigem altíssima biocompatibilidade e precisão dimensional . Em alguns casos, a usinagem CNC utilizando ligas de titânio reais pode atender aos requisitos para testes clínicos.

Normalmente, as peças metálicas produzidas por impressão 3D sofrem de porosidade interna e não conseguem atingir tal estabilidade. Isso confere às máquinas CNC sua posição de destaque na família de ferramentas de prototipagem rápida .

Figura 1: As máquinas CNC automatizam o corte, a modelagem e o acabamento de materiais, resultando em protótipos de alta precisão.

A Vantagem do CNC: Uma Análise Detalhada do Processo de Prototipagem Rápida

Como a maior parte da prototipagem rápida em demanda depende do uso de CNC, explicaremos agora o processo de prototipagem rápida baseado em CNC para que você entenda como ele proporciona alta eficiência e alta qualidade.

Recebimento do modelo CAD:

O cliente fornece o arquivo de projeto 3D nos formatos STEP ou IGES. A análise de viabilidade do projeto será realizada por engenheiros da JS Precision, incluindo a identificação de cavidades profundas ou paredes finas que possam apresentar problemas potenciais na usinagem, com sugestões de otimização.

Ao projetar para o cliente, se houver algum problema com paredes finas que possam ser facilmente deformadas, sugerimos adicionar nervuras para reforço. Por exemplo, um protótipo de carcaça de sensor tinha uma parede de 1 mm de espessura que se deformava com muita facilidade durante a usinagem. Ajustando a espessura para 1,2 mm com a adição de nervuras, a taxa de aproveitamento na primeira passagem aumentou de 70% para 98%.

Programação CAM e pré-simulação digital:

Ao utilizar software CAM profissional para gerar trajetórias de usinagem, ativamos simultaneamente a função de "pré-simulação digital" para simular todo o processo de usinagem e evitar proativamente problemas como colisões de ferramentas e erros de trajetória. Essa é uma das tecnologias-chave do fluxo de trabalho da JS Precision.

Usinagem com trocador automático de ferramentas:

Uma máquina-ferramenta CNC de 3 ou 5 eixos é utilizada. A escolha dependerá da complexidade da peça. Uma tecnologia denominada "uma fixação por usinagem multifacetada" no processamento de uma peça complexa e multifacetada como essa reduz o número de operações de fixação e controla os erros dentro de ±0,01 mm.

Inspeção online:

As dimensões de importância fundamental são medidas utilizando sondas na ferramenta durante a usinagem. Qualquer desvio é corrigido imediatamente para manter a precisão exigida do protótipo.

Pós-processamento:

O pós-processamento incluiria rebarbação, microjateamento ou anodização após a usinagem, preparando esses protótipos para uso imediato pelos clientes sem necessidade de ajustes adicionais. Portanto, a prototipagem CNC bem-sucedida na primeira tentativa reduziu o tempo de iteração na prototipagem rápida.

Figura 2: O software de desenho assistido por computador (CAD) permite que engenheiros e projetistas criem modelos 3D detalhados de produtos e especifiquem cada detalhe e dimensão.

A verdade sobre custos: como a prototipagem e a fabricação CNC economizam dinheiro para você.

Muitas pessoas pensam que a tecnologia de usinagem CNC é cara, porém, da perspectiva da prototipagem e fabricação rápidas , ela pode, na verdade, economizar muito dinheiro, principalmente em três aspectos.

1. A prototipagem CNC evita o custo de modificações dispendiosas no molde.

Com um protótipo fabricado por CNC antes da produção do molde, os defeitos no projeto podem ser detectados com bastante antecedência. Um fabricante de peças automotivas, por exemplo, encontrou um desvio de 2 mm na posição do furo com um protótipo CNC, modificou o projeto e evitou custos de retrabalho do molde de US$ 100.000.

2. A usinagem CNC aumenta a velocidade de lançamento no mercado.

Os protótipos CNC podem ser usados diretamente para testes subsequentes , sem a necessidade de pós-processamento demorado. Por exemplo, um cliente da área de eletrônicos concluiu os testes funcionais em duas semanas usando um protótipo CNC, economizando uma semana em comparação com a impressão 3D — uma semana que inclui 3 dias de impressão + 2 dias de cura —, resultando no lançamento do produto com um mês de antecedência e proporcionando à empresa uma vantagem significativa no mercado.

3. Permite uma transição tranquila para a produção em massa.

A maioria dos processos utilizados na prototipagem CNC são muito semelhantes aos da produção em massa. Por exemplo, os parâmetros de corte e a seleção de ferramentas para protótipos de peças de liga de alumínio podem ser usados diretamente na produção em massa, reduzindo assim o risco de custos de conversão e reajuste para a produção em massa.

Do ponto de vista da prototipagem e fabricação rápidas, os serviços de CNC da JS Precision podem ajudá-lo a evitar modificações em moldes, acelerar o tempo de lançamento no mercado e reduzir custos. Entre em contato conosco para saber mais sobre soluções específicas.

Figura 3: Uma das manifestações do valor das máquinas-ferramenta CNC é a significativa redução do custo de produção em massa de protótipos.

Um guia para selecionar o equipamento certo para prototipagem rápida.

A escolha do equipamento de prototipagem rápida adequado é fundamental para o sucesso. Necessidades diferentes exigem equipamentos diferentes. Você pode avaliar a sua necessidade com base nas seguintes quatro dimensões:

1. Requisitos de materiais:

• Se o protótipo for feito de metal, como uma liga de alumínio ou uma liga de titânio, então a usinagem CNC é preferível.
• Se o protótipo precisar suportar altas temperaturas, como no caso de peças periféricas de motores, o aço inoxidável ou a liga de titânio usinados por CNC podem atender à resistência a altas temperaturas acima de 300 °C, enquanto os protótipos de plástico impressos em 3D amolecem facilmente acima de 150 °C.
• Selecione a impressão 3D SLA se o material for plástico e apenas a verificação visual for necessária.
• O método de moldagem a vácuo pode ser escolhido para pequenos lotes de peças plásticas.

2. Precisão Dimensional:

Se a tolerância exigida for de ±0,01 mm ou superior, como em dispositivos médicos , por exemplo, a usinagem CNC deve ser a opção escolhida. Se a tolerância exigida for mais flexível, inferior a ±0,1 mm, como em carcaças de brinquedos, é aceitável utilizar SLA ou FDM.

3. Complexidade estrutural:

Em peças com superfícies complexas e multifacetadas, ou cavidades profundas, como conectores de braços de drones, deve-se optar por uma máquina CNC de 5 eixos. Já em superfícies simples, lisas e curvas, como o interior de copos, a impressão 3D é uma alternativa.

4. Orçamento e prazo de entrega:

Em casos de orçamentos limitados (US$ 50 a US$ 200) com prazos de entrega extremamente curtos (em até 1 dia), a FDM é uma opção para peças simples. Já para orçamentos mais amplos (US$ 200 a US$ 1000) com altas exigências de qualidade, a usinagem CNC é a solução ideal, com um prazo de entrega de 1 a 3 dias.

A JS Precision possui uma linha completa de equipamentos para prototipagem rápida , de 3 a 5 eixos, adequando o equipamento às suas necessidades de material e precisão. Basta nos informar suas necessidades e recomendaremos a solução ideal para você.

Estudo de caso: Do projeto CAD ao braço de um drone pronto para voo em 72 horas

Contexto e desafios do cliente

O conector de braço em compósito de fibra de carbono de uma startup de drones industriais requer uma atualização de projeto para testes de voo antes de uma demonstração de investimento.

As amostras impressas em 3D por FDM, fabricadas anteriormente, quebraram durante um teste simulado de vibração de voo a uma frequência de 1000 Hz durante 2 horas, visto que a resistência à tração do material impresso era de apenas 20 MPa, inadequada para cargas reais.

O cliente precisa de um protótipo funcional em 72 horas, caso contrário, perderá a demonstração para investidores e poderá deixar de receber um investimento de 5 milhões de dólares.

Solução da JS Precision

1. Compatibilidade de Materiais e Processos:

Os engenheiros da JS Precision analisaram os materiais e indicaram que a adesão insuficiente entre as camadas nas peças impressas em 3D era a principal causa da fratura. Eles recomendaram o uso de liga de alumínio 7075 de grau aeroespacial, cuja resistência à tração é até 5 vezes maior que a do material FDM.

Antecipadamente, realizamos testes de tração para verificar a adequação do material, e a resistência ao escoamento atingiu 505 MPa, muito acima da exigência do cliente de 450 MPa. Os dados dos testes em tempo real foram compartilhados com o cliente.

2. Resposta Rápida e Engenharia Simultânea:

Em até 2 horas após o recebimento do modelo CAD (formato STEP), o trabalho de programação CAM e o planejamento do processo já estavam concluídos, e as matérias-primas de reserva já haviam sido preparadas com antecedência (chapas pré-estocadas de liga de alumínio 7075).

Todo o processo de usinagem de superfícies curvas complexas foi realizado em uma única configuração em uma máquina-ferramenta de cinco eixos, com as principais tolerâncias de superfície de montagem controladas dentro de ±0,008 mm.

3. Pós-processamento eficaz:

As tolerâncias das superfícies de montagem principais estão dentro de ±0,005 mm com a usinagem de seis superfícies em uma única configuração usando uma máquina-ferramenta CNC de cinco eixos da DMG MORI. O desbarbamento ultrassônico e o microjateamento foram realizados logo após a usinagem para melhorar a rugosidade da superfície para Ra 1,6 μm.

Ao mesmo tempo, os furos de conexão críticos foram reinspecionados usando uma máquina de medição por coordenadas para garantir que as tolerâncias do diâmetro do furo atendessem aos requisitos das montagens e evitassem folgas em montagens subsequentes.

Resultados e Valor

Do pedido do cliente à entrega física, apenas 70 horas, 2 horas antes do prazo. O conector usinado por CNC não apresentou deformação ou fratura nos testes de resistência subsequentes (2 horas de vibração a 1200Hz e teste de impacto de 100kg), ajudando o cliente a passar com sucesso pela demonstração de investimento e a garantir um investimento de US$ 3 milhões.

Feedback do cliente: "O protótipo CNC da JS Precision não só resolveu uma necessidade urgente, como também nos ajudou a manter uma oportunidade de investimento crucial."

Figura 4: Conector de tubo de carbono para braço dobrável de drone

Engenharia para Velocidade: Estratégias Comprovadas para Otimizar seu Processo de Prototipagem Rápida

No processo de prototipagem rápida , a otimização do processo é fundamental para maximizar a eficiência das máquinas CNC. A JS Precision resume aqui algumas maneiras comprovadas de aumentar sua eficiência e reduzir seus custos.

1. Simplificação dos projetos:

Evite superfícies desnecessariamente complexas que não agregam valor à funcionalidade. Por exemplo, se uma peça mecânica tiver 6 superfícies irregulares, simplificá-la para 3 reduz o tempo de usinagem de 8 horas para 4 horas e diminui os custos em 40%.

2. Definição de Tolerância Razoável:

Evite tolerâncias desnecessariamente altas. Por exemplo, ampliar a tolerância de dimensões não críticas de ±0,005 mm para ±0,02 mm reduz a dificuldade de usinagem, diminui os custos em 30% e não afeta a função da peça.

3. Utilização Inteligente de Materiais:

Utilize materiais de fácil usinagem durante a fase inicial de testes funcionais. Por exemplo, a aplicação de alumínio 6061, facilmente usinável e de baixo custo, em vez da liga de alumínio 7075, que é difícil de usinar e cara, durante as fases iniciais de teste, e a transição para o material desejado após a aprovação nos testes, reduzem os custos iniciais em até 25%.

4. Padronização e Modularização:

O pré-processamento realizado pela JS Precision reserva peças estruturais padrão de uso comum, como furos para parafusos e pinos de localização. Da mesma forma, existem insertos de porca pré-usinados para furos de parafusos M3 e M4 de uso comum, que podem ser incorporados diretamente na montagem do protótipo do cliente. Isso evita a necessidade de furação e rosqueamento no local, reduzindo o tempo de processamento em 1 a 2 dias.

Esses métodos aproveitam ao máximo as vantagens da prototipagem rápida CNC para ajudá-lo a desenvolver protótipos com maior rapidez e menor custo.

A JS Precision também pode apresentar sugestões para a otimização de processos, de forma que todas as vantagens da prototipagem rápida por CNC sejam maximizadas por meio da simplificação do projeto e de configurações de tolerância adequadas, ajudando os clientes a aumentar a eficiência e reduzir custos.

Perguntas frequentes

P1: A velocidade de prototipagem CNC é realmente comparável à da impressão 3D?

A impressão 3D geométrica simples pode levar algumas horas para ser concluída, mas para protótipos funcionais de alta resistência, a usinagem CNC leva muito menos tempo, pois elimina o tempo necessário para o pós-processamento, que aumenta a resistência. Por exemplo, uma peça do tamanho de um punho pode ser entregue em 1 dia via CNC, enquanto a impressão 3D + pós-processamento levam 3 dias.

Q2: Quais materiais são suportados pela usinagem CNC?

Quase todos os tipos de materiais de engenharia podem ser usinados por CNC, como ligas de alumínio, aço inoxidável, ligas de titânio, latão e plásticos de engenharia como POM, náilon e PEEK. Essa é uma das principais vantagens da prototipagem rápida.

Q3: Quais são os tamanhos mínimos/máximos viáveis para protótipos usinados por CNC?

Os equipamentos da JS Precision são capazes de usinar peças que variam de alguns milímetros até grandes protótipos com mais de 800 mm. Precisaríamos determinar as dimensões exatas necessárias com base em seus desenhos. Entraremos em contato assim que possível após o envio dos desenhos.

Q4: Como a CNC lida com protótipos que possuem canais de fluxo internos complexos?

Segundo a JS Precision, essas estruturas complexas de cavidades internas e canais de fluxo foram perfeitamente realizadas pelo processo de "usinagem por desmontagem e posterior colagem" ou "utilizando materiais de suporte solúveis".

Q5: Qual é o tempo médio para usinagem CNC de protótipos de liga de alumínio?

Normalmente, a JS Precision leva de 1 a 3 dias úteis para enviar pedidos de peças típicas de liga de alumínio do tamanho de um punho. Eles conseguem atender aos pedidos com eficiência graças a uma linha de produção de prototipagem rápida.

Q6: Nosso projeto é muito complexo, a usinagem CNC consegue processá-lo?

Claro. A JS Precision consegue usinar superfícies de forma livre extremamente complexas e estruturas de cavidades internas com máquinas CNC de cinco eixos. Basta nos fornecer o desenho do projeto e quase certamente conseguiremos usiná-lo.

Q7: Como posso solicitar um orçamento para prototipagem rápida CNC?

Basta fornecer à JS Precision arquivos CAD 3D, como os formatos STEP ou IGES. O sistema realizará a análise e gerará um orçamento instantâneo. Para projetos complexos, nossos engenheiros entrarão em contato para oferecer sugestões de otimização.

P8: Como posso garantir que o design do meu protótipo permaneça confidencial e seguro?

A JS Precision cumpre rigorosamente o acordo de confidencialidade NDA . Todos os seus arquivos e dados de design serão estritamente protegidos. Tratamos a propriedade intelectual de nossos clientes como nossa prioridade máxima, portanto, fique tranquilo.

10. Resumo

Quando se deseja um protótipo capaz de suportar testes em situações reais, acelerar as iterações de P&D e reduzir os custos gerais, a solução ideal da usinagem CNC torna-se evidente. Ela é capaz de transformar protótipos de "apenas uma aparência" para "realistas" e de "validação única" para "produção em massa".

Não deixe que seu protótipo seja o elo mais fraco na cadeia de produção do seu produto. Escolha o serviço de prototipagem rápida CNC da JS Precision e você terá um serviço completo, desde a consultoria para definição do protótipo até a seleção de equipamentos, da otimização do processo à personalização da embalagem.

Em seguida, faça o upload dos seus arquivos de design em nosso site e veja por si mesmo como nossos serviços de prototipagem rápida, profissionais e confiáveis o levarão ao sucesso.