Aprenda sobre as diferenças técnicas da impressão 3D vs. usinagem CNC, como escolher a tecnologia certa para a fabricação de peças de uso final e protótipos funcionais para metal ou plástico.

Introdução

A usinagem CNC é uma tecnologia comum de fabricação subtrativa. Ao contrário da impressão 3D, o processo normalmente começa com um bloco sólido de material e remove o material para obter a forma final necessária, usando uma variedade de ferramentas rotativas ou cortantes.

A usinagem CNC é um dos métodos mais populares de fabricação para pequenos projetos exclusivos, e produção de médio a alto volume. Oferece uma ótima repetibilidade, alta precisão e uma ampla gama de materiais e acabamentos de superfície.

Os processos de Manufatura Aditiva (MA) ou impressão 3D criam peças adicionando um material camada sob camada. Os processos de MA não exigem ferramentas ou acessórios especiais, por isso, os custos iniciais de configuração são mínimos.

Nesse post, vamos apresentar aqui as principais características desses processos para ajudá-lo a escolher a tecnologia certa para sua aplicação. Vamos focar em peças funcionais e protótipos feitos de metais ou plástico. Os processos de impressão 3D mais adequados para essa finalidade são SLS ou FDM para plásticos, e SLM / DMLS ou Binder Jetting para metais.

Escolhendo a tecnologia certa

Ao escolher entre a usinagem CNC e a impressão 3D, existem algumas diretrizes simples que podem ser aplicadas ao processo de tomada de decisão.

Como regra geral, todas as peças que podem ser fabricadas com aplicações limitadas por meio de um processo subtrativo, geralmente devem ser usinadas por CNC. Faz mais sentido usar a impressão 3D nos seguintes casos:

• Quando os métodos tradicionais não podem ser usados para produzir a peça, por exemplo, para geometrias altamente complexas e otimizadas para topologia.
• Quando é necessário um lead-time rápido; Peças impressas em 3D podem ser entregues em 24 horas.
• Quando o baixo custo é essencial; para pequenos volumes, a impressão 3D geralmente é mais barata que o CNC.
• Quando é exigido um pequeno número de peças idênticas (menos de 10).
• Quando são necessários materiais que não podem ser usinados com facilidade, como superligas metálicas ou TPU flexível.

A usinagem CNC oferece maior precisão dimensional e produz peças com melhores propriedades mecânicas em todas as 3 dimensões, mas isso geralmente tem um custo muito maior, especialmente quando os volumes são pequenos.

Se são necessárias quantidades maiores de peças (centenas ou mais) então, nem a usinagem CNC nem a impressão 3D podem ser uma opção competitiva em termos de custo. As tecnologias tradicionais de moldagem, como a moldagem por injeção, por exemplo, são geralmente a opção mais econômica, devido a mecanismos de economias para longa escala. Confira abaixo:

Tabela de recomendação de processos como referência:

Características do processo

Precisão dimensional

A usinagem CNC oferece tolerâncias estreitas e excelente repetibilidade. Peças muito grandes a muito pequenas podem ser usinadas com precisão. Devido ao formato da ferramenta de corte, os cantos internos sempre terão pouco alcance, mas as superfícies externas podem ter bordas afiadas e podem ser usinadas delicadamente.

Diferentes tecnologias de impressão 3D oferecem precisão dimensional diferentes. Máquinas industriais podem produzir peças com tolerâncias muito boas. Se forem necessárias tolerâncias estreitas, as dimensões complexas podem ser impressas em 3D com tamanho maior e depois usinadas durante o pós-processamento.

A espessura mínima da parede das peças impressas em 3D é limitada pelo tamanho diâmetro do bico (FDM) ou, no tamanho do ponto do laser (SLS). Como as peças são fabricadas camada sob camada, as linhas das camadas podem ser visíveis, especialmente em superfícies curvas. O tamanho máximo da peça é relativamente pequeno, já que o processo de impressão 3D depende também do tamanho da área de impressão.

Materiais

A usinagem CNC é usada principalmente para usinagem de metais. Também pode ser usada para usinagem de termoplásticos, acrílicos, madeiras moles e madeiras nobres, modelagem de espumas e cera de usinagem.

• Excelentes propriedades mecânicas e térmicas com comportamento totalmente isotrópico.
• Restrições dimensionais devido ao tamanho do bloco (usando um tamanho de bloco não-padrão aumentará o custo).

A impressão 3D é predominantemente usada com plásticos e, raramente, com metais. Algumas tecnologias podem produzir peças de cerâmicas, cera, areia e compósitos. Materiais para impressão 3D é um tópico mais complexo, mas você pode conferir nosso Guia: Qual filamento para impressora 3D devo escolher.

• Grande variedade de materiais, com uma ampla gama de propriedades físicas.
• Materiais difíceis de usinar (como TPU e superligas de metal) podem ser impressos em 3D.
• Podem ter propriedades mecânicas menores em comparação com peças CNC (elas normalmente não são totalmente isotrópicas).

Complexidade do modelo

Há uma série de limitações que devem ser consideradas ao projetar peças para usinagem CNC, incluindo acessos e restrições da ferramenta, pontos de fixação ou de montagem, bem como a incapacidade de usinar cantos quadrados devido à geometria da ferramenta.

Algumas geometrias são impossíveis na máquina CNC (mesmo com sistemas CNC de 5 eixos), pois a ferramenta não pode acessar todas as superfícies de um componente. A maioria das geometrias requer a rotação da peça para acessar os diferentes lados. O reposicionamento, aumenta o processamento e o tempo de mão-de-obra, e podem ser necessários gabaritos e acessórios personalizados, afetando o preço final.

A impressão 3D tem pouquíssimas restrições de geometria em comparação com o CNC. Estruturas de suporte são necessárias na maioria das tecnologias, como FDM ou SLM / DMLS, e são removidas durante o pós-processamento.

A capacidade de produzir geometrias altamente complexas é um dos principais pontos fortes da impressão 3D.

Processo de manufatura

Aqui está o que acontece por trás dos bastidores ao imprimir em 3D ou usinar em CNC:

Na usinagem CNC, um operador ou engenheiro experiente deve considerar primeiro a seleção da ferramenta, a velocidade do eixo, o caminho de corte e o reposicionamento da peça. Todos esses fatores afetam muito a qualidade da peça final e o tempo de construção. O processo de fabricação é intensivo em mão-de-obra, pois o bloco precisa ser configurado manualmente na máquina. Após a usinagem, os componentes estão prontos para uso ou pós-processamento.

Na impressão 3D, o operador da máquina primeiro prepara o arquivo digital (escolhe as configurações de impressão e adiciona suporte quando necessário) e, em seguida, envia-o para a máquina, onde é impresso com mínima intervenção manual. Quando a impressão é concluída, em alguns casos, a peça precisa de limpeza e pós-processamento (que, quando necessário, pode ser considerado a parte “mais trabalhosa” do fluxo de trabalho de fabricação de impressão 3D).

Pós-processamento

Vários métodos de pós-processamento podem ser aplicados a peças impressas 3D ou usinadas em CNC que melhoram a funcionalidade ou a estética da peça final. As técnicas de pós-processamento mais comuns estão listadas abaixo:

Estudo de caso: Prototipagem de um gabinete de plástico

Ao projetar um novo aparelho eletrônico, a fabricação de protótipos para o gabinete é fundamental para a finalização do produto antes da fabricação em massa. Para acelerar o tempo de desenvolvimento, o lead-time rápido e o baixo custo são os principais objetivos.

Gabinetes eletrônicos geralmente possuem encaixes, dobradiças, juntas e fixadores intertravados. Todos esses recursos podem ser usinados em CNC ou impressos em 3D com FDM, SLA ou SLS.

O CNC e o SLS podem ser usados para criar protótipos de alta precisão e apelo estético, mas com uma impressora 3D FDM desktop, o tempo de execução e o custo são muito menores. Como o desempenho mecânico não é o objetivo principal deste projeto, os benefícios do CNC e do SLS geralmente não valem o custo e o tempo extras.

Leia também: Por que fazer o protótipo do projeto é mai vantajoso?

Estudo de caso: Fabricação de suportes e componentes de metal

Suportes de metal e outros componentes mecânicos podem suportar cargas elevadas e operar a temperaturas elevadas. Neste caso, a precisão dimensional e as boas propriedades do material são os principais objetivos.

Se a geometria do modelo é simples (como os componentes da imagem acima), então o CNC é a melhor opção para termos de precisão, propriedades mecânicas e custo.

Quando a complexidade geométrica aumenta, ou quando materiais mais exóticos são necessários, a impressão 3D em metal deve ser considerada. Componentes otimizados para peso e resistência (como os suportes da imagem abaixo) têm estruturas orgânicas que são muito difíceis e caras de usinar.

CNC e a impressão 3D metal podem ser combinados para fabricar peças com formato orgânico e tolerâncias muito estreitas em locais críticos.

Leia também: Fundição de peças de metal a partir de impressão 3D.

Conclusão

Escolher a tecnologia certa para sua aplicação é crucial, e pode ser resumida às seguintes regras práticas:

• A usinagem CNC é mais adequada para quantidades médias a altas (menos de 250 a 500 peças) e geometrias relativamente simples.
• A impressão 3D geralmente é melhor para pequenas quantidades (ou protótipos únicos) e geometrias complexas.
• Ao considerar metais, o CNC pode ser mais adequado em termos de preço mesmo para pequenas quantidades, mas as limitações de geometria ainda se aplicam.
• Quando as quantidades são altas (mais de 250 – 500 partes), outras tecnologias de fabricação são mais adequadas.

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