Devido à alta competitividade entre as empresas, a velocidade no desenvolvimento de um novo produto é um diferencial muito grande e pode se tornar um fator decisivo para o sucesso.
A fabricação de protótipos é uma etapa muito importante no desenvolvimento de produtos e permite validar na prática se as características do componente ou conjunto atendem aos requisitos definidos no projeto.
A prototipagem rápida consiste em um conjunto de técnicas que tem a finalidade de criar modelos ou peças utilizados em teste ou validação de produtos de forma fácil e barata. As técnicas desse método de fabricação de protótipos oferecem às empresas a oportunidade de se manterem mais competitivas e introduzirem novos produtos no mercado com mais velocidades.
Esse artigo vai mostrar como a usinagem CNC ajuda a reduzir o tempo de desenvolvimento de protótipos, suas características e comparativos com outros tipos de processo.
O início de um projeto de protótipo inicia-se pela elaboração de um projeto digital em CAD (Computer Aided Design ou desenho “assistido” por computador) modelado em 3D que servirá como referência para a construção a peça.
Tipos de prototipagem rápida
Podemos dividir as técnicas de prototipagem rápida em duas categorias:
- Manufatura Aditiva
- Manufatura subtrativa.
Manufatura aditiva
O termo Manufatura Aditiva representa um conjunto de processos de fabricação que criam objetos físicos partindo de um modelo digital.
De forma geral, todas as tecnologias ou processos funcionam adicionando camadas de material, uma sob a outra, até formar o produto final.
Os equipamentos que realizam o processo de manufatura aditiva são popularmente conhecidos como impressoras 3D, e hoje existe uma grande diversidade dessa tecnologia e equipamentos.
Os principais tipos de processos de impressão 3D são: FDM, SLA e SLS.
O processo FDM é o mais conhecido e é utilizado nas impressoras mais simples, nas quais um filamento é adicionado camada por camada para formar o produto.
Os processos SLA e SLS são similares, sendo que no processo SLA é utilizado resina líquida e no processo SLS é utilizado resina em pó. Em ambos os casos as resinas são fotossensíveis e a forma da peça é dada através de um projetor de luz.
Processo de manufatura aditiva
Manufatura Subtrativa
Diferente dos processos de manufatura aditiva que criam peças adicionando um material camada sob camada, na manufatura subtrativa acontece a retirada do material bruto para se dar o formato final ao produto.
A usinagem CNC é um dos métodos de manufatura subtrativa mais utilizados para fabricação de protótipos. Entender suas vantagens e limitações é muito importante para auxiliar na escolha do melhor método de trabalho de prototipagem.
Ilustração do processo de fresamento CNC
Comparativos entre os processos
- Material
A usinagem CNC é usada principalmente para usinagem de metais. Também pode ser usada para usinagem de termoplásticos, acrílicos e madeiras.
A impressão 3D é predominantemente usada com plásticos. Algumas tecnologias podem produzir peças de cerâmicas, cera e compósitos.
Dessa forma, a usinagem CNC se torna mais versátil pois possibilita a fabricação do protótipo em seu material original de projeto, o que torna a análise da aplicação mais assertiva, visto que as características mecânicas, térmicas e químicas do protótipo são iguais ao produto em desenvolvimento.
- Precisão dimensional
O processo de usinagem CNC permite obter tolerâncias mais estreitas com ótima repetibilidade e também permite uma variação muito grande no tamanho da peça.
A tabela abaixo mostra um comparativo com processos impressão 3D.
Para diversos componentes mecânicos de precisão, a tolerância dimensional obtida pelo processo aditivo não atende a exigência dos projetos.
Tabela comparativa entre tolerâncias obtidas pelos processos
- Complexibilidade do modelo
A capacidade de produzir geometrias com maior grau de complexidade é um dos pontos fortes da impressão 3D.
Em relação a usinagem CNC, essa capacidade é limitada devido a diversos pontos do processo como, por exemplo, falta de acessos, restrições das ferramentas e pontos de fixação ou de montagem.
Mesmo uma máquina CNC com 5 ou mais eixos conforme foto abaixo não consegue fabricar algumas geometrias.
Centro de usinagem com diversos eixos
- Custos e tempo de processo
Referente a custos e tempo de processo, a impressão 3D é geralmente mais barata e mais rápida que a usinagem CNC para lotes unitários ou pequenos. Por sua característica de remoção de material, o processo de manufatura subtrativo leva a mais desperdício de matéria-prima do que o processo de manufatura aditivo, fator esse que implica diretamente em um custo maior.
- Quadro comparativo e conclusão
| MANUFATURA ADITIVA | MANUFATURA SUBTRATIVA | |
| GRAU DE COMPLEXIDADE | ✪✪✪✪✪ | ✪✪ |
| RESISTÊNCIA DAS PEÇAS | ✪✪ | ✪✪✪✪✪ |
| NÍVEL DE ESPECIALIZAÇÃO DA MÃO DE OBRA | ✪✪ | ✪✪✪✪✪ |
| APROVEITAMENTO DE MATÉRIA PRIMA | ✪✪✪✪✪ | ✪✪✪ |
| SEGURANÇA DA OPERAÇÃO | ✪✪✪✪✪ | ✪✪✪ |
| VELOCIDADE DO SET UP DA OPERAÇÃO | ✪✪✪✪ | ✪✪ |
| CUSTO POR PEÇA (PARA LOTES PEQUENOS) | ✪✪✪✪✪ | ✪✪✪ |
Como mostrado, não existe um processo único que apresente todas as propriedades necessárias para o desenvolvimento de protótipos. Ambos os processos de impressão 3D e CNC são muito eficazes e têm seus próprios pontos fortes e suas limitações. O conhecimento sobre os recursos e das características da aplicação do projeto vai determinar qual método usar para que o lançamento do produto atenda as características técnicas necessárias e seja feito o menor tempo possível.
Tecnologias utilizadas na usinagem CNC de protótipos
Essa segunda parte do artigo vai exemplificar algumas tecnologias ou equipamentos de uso industrial muito utilizados na fabricação de protótipos no processo de manufatura subtrativa.
- Cam (Manufatura “assistida” por computador)
Os softwares CAM (Computer Aided Manufacturing) são programas voltados para o controle dos equipamentos de fabricação. Assim, eles são os responsáveis por comunicarem às máquinas como, de forma digital, o processo de usinagem foi planejado.
Nesse software CAM é criado um código na linguagem de programação da máquina que “informa” quais operações e estratégias foram planejadas e devem ser executadas.
A utilização desses tipos de software é uma opção muito vantajosa em comparação a programação manual das máquinas, pois, além do ganho de tempo, permite a usinagem de peças mais complexas.
Exemplo de programação feita em software CAM
- Fresamento em HSM (High Speed Machining)
Usinagem em HSM (High Speed Machining) ou HSC (High Speed Cutting) é um método que consiste em substituir um processo de poucos passes, pesados e lentos por muitos passes leves e com altas velocidades de corte.
A evolução das ferramentas de corte e a alta tecnologia dos centros de usinagem viabilizou o trabalho com altíssimas velocidades de corte.
A usinagem HSM proporciona um aumento considerável de volume de material removido gerando redução nos tempos de processo, redução das forças de usinagem, proporciona ótima qualidade superficial e permite a usinagem de materiais endurecidos. Para que a usinagem possa ser considerada HSM, é necessário trabalhar com uma velocidade de corte na faixa de 5 a 10 vezes maior que a velocidade normal de trabalho. Em geral, a faixa de rotação utilizada para obtermos estas altas velocidades fica em torno de 15.000 a 40.000 rotações por minuto.
Centro de usinagem com HSM
- Máquinas híbridas (manufatura aditiva e subtrativa)
Durante esse artigo foram discutidos os pontos positivos e negativos da manufatura aditiva e subtrativa. Um avanço tecnológico recente e ainda pouco difundido, mas que já indica a direção futura da tecnologia, é o desenvolvimento de máquinas híbridas que permitem trabalhar com os dois processos no mesmo equipamento.
O exemplo abaixo é do centro de usinagem ROMI DCM 620-5X HYBRID que permite trabalhar com adição de metais durante a usinagem da peça.
Processo de manufatura aditiva e subtrativa no mesmo equipamento
