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¿Mecanizado CNC o impresión 3D para su proyecto?
Hace aproximadamente una década, las noticias sobre armas de fuego impresas en 3D dominaban los titulares de la prensa especializada en fabricación, y la impresión 3D sigue siendo un tema candente hoy en día. Con el desarrollo de la ciencia y la tecnología, la tecnología de impresión 3D se ha vuelto cada vez más madura, y las piezas de plástico o metal fabricadas se utilizan en diversos campos, pero no han reemplazado por completo los procesos de fabricación tradicionales, como el mecanizado CNC, la fundición al vacío, el moldeo por inyección, etc. Esto crea confusión para los diseñadores. Si tengo un prototipo o un proyecto de lote pequeño, ¿cómo elijo la tecnología de procesamiento más adecuada? En esta publicación, compartiré algunas pautas técnicas sobre mecanizado CNC e impresión 3D para ayudarle a comprender cómo difieren ambos en múltiples dimensiones como precisión, materiales, costo, calidad, eficiencia y velocidad para determinar su proyecto Elegir entre mecanizado CNC o impresión 3D.
1，Fabricación aditiva y sustractiva
La principal diferencia entre los dos es que el mecanizado CNC es fabricación sustractiva, mientras que la impresión 3D es fabricación aditiva.
Mecanizado CNC. Como todos sabemos, el mecanizado CNC es un proceso de fabricación sustractivo que parte de una pieza sólida (a menudo llamada pieza en bruto) y luego utiliza una herramienta para cortar y eliminar el material sobrante y crear una pieza. Es uno de los métodos de fabricación más populares para prototipos y piezas de producción en pequeñas y grandes cantidades, gracias a su repetibilidad, alta precisión dimensional, excelente acabado superficial y compatibilidad con muchos materiales, incluyendo madera, metal y plástico.
Impresión 3D. La impresión 3D funciona en sentido contrario y es un proceso de fabricación aditiva. Si bien también se utiliza software CAD/CAM para diseñar y crear piezas personalizadas, no comienza con el corte de material, sino con el uso de filamento plástico (FDM), resina (SLA/DLP), polvo plástico o metálico (SLS/DMLS/SLM), etc. El material se añade y cura capa a capa hasta obtener el producto final. La impresión 3D permite crear geometrías complejas, con alta precisión, plazos de entrega rápidos y, en algunos casos, a un menor coste de las piezas.
Cambiando de tema ... Si combinamos máquinas CNC e impresoras 3D y las integramos en un dispositivo que ofrece ambas ventajas, ¿no es una idea obvia? Algunos profesionales que sí lo han hecho, como la ZMorph 2.0 SX, que se comercializa como fresadora CNC de 3 ejes y también puede usarse como impresora 3D. Además, varias empresas han completado recientemente campañas exitosas en Kickstarter con estas máquinas combinadas, como la impresora 3D 3 en 1 de Mooz. Actualmente, una máquina compatible de este tipo aún se encuentra en fase de desarrollo.
2. Comparación de materiales utilizados.
Tanto el mecanizado CNC como la impresión 3D son compatibles con una amplia gama de materiales, incluidos plásticos y metales. La impresión 3D está más orientada a la fabricación de piezas de plástico. Esto está cambiando actualmente, con fabricantes como 3D Systems, Arcam, Desktop Metal y Markforged desarrollando formas mejores y más económicas de imprimir metales en 3D.
Mecanizado CNC. Los plásticos más utilizados en el mecanizado CNC incluyen ABS, nailon (PA66), policarbonato (PC), acrílico (PMMA), polipropileno (PP), POM y PEEK, entre otros. El aluminio es el más utilizado en el mecanizado CNC. Según Martin, ingeniero de DDPROTOTYPE, fabricante de prototipos avanzados en China, «el 70 % de nuestro material es aluminio, y las diversas piezas que fabricamos se utilizan en varias industrias». El aluminio es un material reciclable con buenas propiedades y fácil procesamiento; otros metales comúnmente utilizados incluyen acero inoxidable, aleaciones de magnesio, aleaciones de zinc, aleaciones de titanio, cobre, etc.
Impresión 3D. Los termoplásticos más utilizados para la impresión 3D incluyen ABS, PLA, nailon, ULTEM y otros fotopolímeros. Las impresoras 3D también pueden imprimir piezas de cerámica e incluso implantes humanos. Los metales más comunes en la impresión 3D incluyen aluminio, acero inoxidable, titanio e Inconel. Es importante destacar que se requieren costosas máquinas industriales de impresión 3D (probablemente más de $100,000). Algunos materiales, como las superaleaciones o el TPU (materiales flexibles), no se pueden mecanizar mediante CNC, por lo que se deben utilizar procesos de fabricación como la impresión 3D o el utillaje rápido. La impresión 3D no puede procesar madera porque ningún material puede simular la madera real.
Comparación de materiales de uso común.
Proceso de manufactura | Plástico | Metal |
Mecanizado CNC | ABS, nailon, policarbonato, PEEK, PC, PMMA, PP, POM PEEK, etc. | Aluminio, acero inoxidable, aleación de magnesio, aleación de zinc, aleación de titanio, cobre, etc. |
Impresión 3d | ABS, PLA, Nylon, ULTEM, ASA, TPU (material flexible), etc. | Aluminio, Acero Inoxidable, Titanio, Inconel, etc. |
Fuente de datos DDPROTOTYPE.
3. Precisión y tamaño de las piezas mecanizadas
Según el equipo de DDPROTOTYPE, basado en una experiencia considerable, “en cuanto a tolerancias, el mecanizado CNC es superior a todos los procesos de impresión 3D, incluso DMLS”. Si sus piezas deben tener tolerancias estrictas, la impresión 3D puede no ser la mejor opción.
Mecanizado CNC. El mecanizado CNC puede lograr tolerancias muy estrechas y un mejor acabado superficial, como 0.005 mm, y puede mecanizarse con precisión para piezas muy grandes o muy pequeñas. Debido a la naturaleza redondeada de la herramienta, las esquinas interiores siempre tienen un radio, pero las superficies exteriores pueden tener bordes muy afilados.
Impresión 3d. Diferentes impresoras 3D ofrecen diferente precisión dimensional. El grosor mínimo de la pared está limitado por el tamaño de la ejecución final (p. ej., el diámetro de la boquilla en FDM o el tamaño del punto láser en SLS). Dado que las piezas se construyen capa por capa, la pieza final puede tener líneas de capa, especialmente en las piezas curvas. Las máquinas de grado industrial pueden fabricar piezas con muy buenas tolerancias. Si se requieren tolerancias estrechas, se requiere maquinado durante el procesamiento posterior. Esto agrega un paso adicional y es menos eficiente que el mecanizado CNC.
La siguiente tabla enumera las tolerancias, los espesores de pared y los tamaños máximos de las piezas para varias tecnologías.
Proceso de manufactura | Tolerancia | mín. Grosor de la capa | máx. volumen de construcción |
CNC | ± 0.005 – 0.125 mm | profundidad de corte 0.01 mm | Hasta 2000 x 800 x 1000 mm |
SLS | ± 0.3 mm | 0.1-1.5 mm | Hasta 340 x 340 x 605 mm |
FDM | ± 0.3 mm | 0.2-0.8 mm | hasta 914 x 610 x 914 mm |
mjf | ± 0.3 mm | 0.08 mm | hasta 380 x 284 x 380 mm |
DMLS | ± 0.1 mm | 0.4 mm | Hasta 230 x 150 x 150 mm |
Fuente de datos DDPROTOTYPE.
Como puede ver en el ícono, el mecanizado CNC puede producir piezas más grandes y precisas que las técnicas de impresión 3D comunes, como FDM, SLS o MJF, etc. Para piezas en equipos médicos, aeroespaciales y otros campos que requieren alta precisión, mecanizado CNC es una elección ideal.
4. Velocidad
Las técnicas de impresión 3D, como MJF y FDM, son conocidas por su rapidez en la fabricación de pequeñas cantidades de piezas, dependiendo de su geometría y tamaño. Esto se debe a que, una vez que el archivo 3D está listo, basta con seleccionar la orientación, el relleno y los soportes, y pulsar el botón; no se requiere ninguna configuración adicional y, por lo general, la pieza se termina en tan solo unas horas. El posprocesamiento depende del proceso de mecanizado y de los requisitos del archivo 2D.
Mecanizado CNC. En comparación con la impresión 3D, el proceso de mecanizado CNC requiere mucha mano de obra, más operarios y más ajustes. Los operarios cualificados seleccionan los materiales, las máquinas, la programación, las herramientas y sus velocidades de rotación, las trayectorias de corte, posicionan manualmente las fijaciones e incluso construyen fijaciones personalizadas con antelación. Esto alarga el tiempo de procesamiento. Además, en esta etapa se pueden realizar técnicas de postprocesamiento como el anodizado, la electroforesis, etc., lo que puede requerir más tiempo.
Martin dijo: “En DDPROTOTYPE, si elige ABS para mecanizar 50 piezas de piezas de complejidad media, el tiempo de respuesta con la tecnología FDM es de 1 día laboral en promedio, mientras que para el mecanizado CNC, el tiempo de respuesta es de 3 días. Si necesita fabricar más de 500 piezas, entra en juego la eficiencia de fabricación del mecanizado CNC, que es mucho más rápido que la impresión 3D debido a la repetibilidad del mecanizado CNC”. Si bien algunas impresoras en el mercado tienen velocidades de impresión impresionantes, la impresión 3D generalmente usa más para la creación de prototipos que para la producción. Algunas piezas de estructura simple se pueden mecanizar en minutos en un CNC, pero pueden llevar horas en una impresora 3D.
5, complejidad del modelo
Impresión 3D. La impresión 3D permite procesar piezas de cualquier forma con muy pocas restricciones geométricas. La mayoría de las tecnologías 3D, como FDM o SLM/DMLS, requieren estructuras de soporte que se pueden eliminar durante el posprocesamiento. Cualquier pieza de plástico de forma libre se puede fabricar fácilmente mediante procesos de fusión de polvo como SLS o Multi Jet Fusion (MJF), sin necesidad de soportes. La impresión 3D permite fabricar geometrías muy complejas.
Mecanizado CNC. Por supuesto, el CNC también puede mecanizar piezas bastante complejas. A menudo, para fabricar piezas complejas, es necesario girar y fijar la posición durante el proceso de mecanizado, ya que incluso con máquinas CNC de 5 ejes, a veces la herramienta no puede alcanzar todas las superficies del componente.
6. Costo
Hablando simplemente del precio, la diferencia entre el fresado CNC y la impresión 3D no parece llevar a una conclusión precisa. Esto varía con varios factores, como material, cantidad, dificultad de procesamiento, etc.
No importa si fabrica 1 pieza o 100 piezas, el costo de una sola pieza fabricada mediante impresión 3D sigue siendo básicamente el mismo y, por lo general, es más bajo que el mecanizado CNC. Para grandes cantidades de piezas, como más de 100, el mecanizado CNC es más económico. Según Martin, uno de nuestros conceptos erróneos más comunes es que los servicios de mecanizado CNC son caros. De hecho, la creación de prototipos CNC puede comenzar desde $ 20 por pieza, y los precios unitarios caen drásticamente a medida que se fabrican más cantidades.
7. Protección del medio ambiente
El mecanizado CNC comienza con una pieza en bruto y utiliza diferentes herramientas para eliminar el exceso de material. Como resultado, quedan grandes cantidades de polvo fino y pequeñas piezas de material que no se pueden recuperar, lo que requiere limpieza y eliminación. En el proceso de impresión 3D, por otro lado, las materias primas se introducen en la impresora para construir la pieza capa por capa. Este proceso requiere solo el uso de materias primas, sin desorden ni desperdicio, por lo que es un proceso de fabricación más respetuoso con el medio ambiente.
8 Estudios de caso
Estudiamos la diferencia entre el mecanizado CNC y la impresión 3D a través de dos ejemplos, que parecen ser más intuitivos y comprensibles. Estos son 2 proyectos que DDPROTOTYPE ha emprendido en 2021. Tomamos como ejemplos el procesamiento de carcasas de plástico y el procesamiento de soportes metálicos.
Prototipo de carcasa de plástico. La fabricación de carcasas de plástico para componentes electrónicos es un paso crucial antes de la producción en masa. Los clientes exigen rapidez, bajo coste y un tiempo de desarrollo reducido. Las carcasas electrónicas incluyen cierres a presión, bisagras flexibles, juntas de enclavamiento y otros elementos de fijación. Estas funciones se pueden lograr mediante mecanizado CNC o impresión 3D (FDM o SLS). Con CNC o SLS se pueden fabricar prototipos de plástico de alta precisión y estéticamente atractivos, pero la impresión FDM de escritorio ofrece tiempos de procesamiento más cortos y menores costes. DDPROTOTYPE resume la comparación de cada proceso, como se muestra en la tabla.
Mecanizado CNC | FDM de escritorio | SLS | |
Costo | $$ | $ | $$ |
Material de uso común | ABS, nailon | PLA, ABS, nailon | Nailon |
Entrega | 5 días | 1.5 Días | 2Days |
Exactitud | ± 0.121mm | ± 0.485 mm | ± 0.287 mm |
Prototipo de vivienda de bajo coste realizado con FDM 3D Printing
Prototipo metálico de impulsor. Los impulsores metálicos pueden operar bajo cargas y temperaturas elevadas, y deben encajar en ejes de precisión. El cliente exige dimensiones más precisas y una mejor calidad del material.
Mecanizado CNC | SLM/DMLS | Chorro de aglutinante | |
Costo | $$ | $ $ $ $ | $ $ $ |
Materiales Comunes | Aluminio, acero inoxidable, latón | Acero inoxidable, aluminio, titanio, cromo cobalto Inconel | Acero inoxidable, cromo cobalto Inconel, tungsteno, carburo |
Exactitud | ± 0.022 mm | ± 0.108 mm | ± 0.214 mm |
Comportamiento mecánico | Muy Bueno | Muy Bueno | Bueno |
9. Resumen rápido
No hay una respuesta clara, ninguna tecnología que esté armada con todas las ventajas, y tanto el mecanizado CNC como la impresión 3D tienen sus ventajas y desventajas únicas, que dependerán de factores como el material, el tiempo de entrega, la complejidad geométrica, la precisión, la cantidad y el presupuesto. . DDPROTOTYPE ha resumido cuidadosamente una tabla de comparación para su referencia.
Mecanizado CNC | Impresión 3d | |
Las propiedades mecánicas | ⭐⭐⭐ | ⭐ |
prototipado | ⭐ | ⭐⭐⭐ |
Costo | Más barato para series medianas y grandes | Más barato para series pequeñas |
Tiempo de respuesta | ⭐ | ⭐⭐⭐ |
Selección de polímeros | ⭐⭐ | ⭐⭐⭐ |
Complejidad del diseño | ⭐⭐ | ⭐⭐⭐ |
Precisión dimensional | ⭐⭐⭐ | ⭐ |
Detalles y resolución | ⭐⭐⭐ | ⭐⭐ |
Tamaño de pieza grande | ⭐⭐⭐ | ⭐ |
Bueno-⭐ Mejor-⭐⭐ Mejor-⭐⭐⭐ | ||
10. Consejos para elegir el método de fabricación adecuado
Antes de elegir el proceso de fabricación adecuado, consulte los consejos antes de tomar la decisión final.
¿Cómo afecta la cantidad a la elección del método de fabricación? Vale la pena considerar la elección de la impresión 3D cuando se necesitan lotes pequeños de piezas (menos de 50 piezas). Cuando la cantidad llegue a 100 a 1000 piezas, el mecanizado CNC sería mejor.
¿Las piezas fabricadas son complejas? Para piezas personalizadas de pequeña cantidad pero muy complejas, la impresión 3D suele ser más económica y rápida. El mecanizado CNC requiere más operadores y configuración, y generalmente cuesta más que la impresión 3D.
¿Qué materiales se requieren? Dado que el mecanizado CNC es una tecnología más madura, existe una gama más amplia de materiales compatibles. Pero para los materiales de superaleaciones metálicas que son muy difíciles de procesar, como el titanio o el TPU flexible, es más inteligente elegir la impresión 3D.
