Обработка прототипов:плюсы и минусы ЧПУ для прототипирования

Что такое обработка с ЧПУ?

Обработка с числовым программным управлением (ЧПУ) — это производственный процесс, в котором компьютерные данные используются для управления обрабатывающими инструментами, такими как сверла и токарные станки. Он используется во многих отраслях промышленности для различных прототипов и деталей конечного использования.

Процесс начинается с цифрового 3D-проекта, созданного с помощью программного обеспечения САПР, который компьютер может преобразовать в серию инструкций для режущих инструментов станка. Эти инструкции известны как G-код. После того, как G-код отправлен на станок, требуется очень мало ручного контроля, поскольку станок знает, когда и где резать, и выполняет обработку автономно. Это приводит к значительной экономии времени и средств по сравнению с традиционной обработкой, при которой квалифицированный оператор режет заготовку с помощью режущих инструментов с ручным управлением.

Механическая обработка — это субтрактивный процесс, который означает, что оборудование удаляет существующий материал, а не вводит новый. В отличие от аддитивного производства, при котором 3D-принтер наносит материал слоями для формирования объекта, обработка с ЧПУ включает в себя вырезание участков из бесформенного блока, известного как «заготовка». Излишки материала выбрасываются или перерабатываются, в результате чего остается готовая деталь. Более сложные станки с ЧПУ, имеющие большее количество осей, способны резать заготовку более сложными способами, изготавливая детали с более сложной геометрией.

Обработка с ЧПУ является широко используемым производственным процессом благодаря своей универсальности, точности, согласованности и широкому спектру совместимых материалов:хотя алюминиевые сплавы являются наиболее распространенным материалом для обработки, также могут использоваться многие другие металлы и пластмассы.

Подходят ли станки с ЧПУ для прототипирования?

Хотя сейчас многие считают 3D-печать доминирующей формой быстрого прототипирования, обработка на станках с ЧПУ также является важным процессом для создания прототипов деталей. Чтобы понять почему, полезно рассмотреть различные формы, которые может принимать прототип, и понять, почему эти прототипы существуют.

Прототипы могут иметь множество различных функций. По своей сути, они действуют как заполнители или опоры — свободные представления конечной части, используемые для передачи визуальной информации о том, как финальная часть будет выглядеть или вести себя. Эти похожие прототипы может использоваться для управления процессом НИОКР или для подтверждения концепции. Если они выполнены в соответствии с высокими эстетическими стандартами, их также можно использовать для презентации нового продукта потенциальным инвесторам. Такие прототипы могут быть очень важны, но их не обязательно делать с использованием профессионального оборудования высокого класса:их можно изготовить вручную или распечатать на недорогом настольном 3D-принтере.

Однако некоторые прототипы используются не только для визуального представления. В зависимости от стадии разработки продукта компаниям может понадобиться создать технические прототипы. или прототипы :прототипы, которые не только выглядят как финальная часть, но и функционируют так же, действуя как замена, максимально приближенная к реальной вещи. В то время как 3D-печать может быть отличным вариантом для прототипирования внешнего вида, обработка с ЧПУ часто предпочтительнее для этих функциональных прототипов, которым требуется прочность, механическая стабильность или другие характеристики, не обеспечиваемые аддитивными процессами. В конце концов, на 3D-принтере изготавливается не так уж много деталей для конечного использования.

Обработка с ЧПУ может быть отличным выбором для прототипирования, но ее пригодность зависит от характера прототипа. Для каких целей будет использоваться прототип? Из какого материала он будет сделан? И из какого материала будет финал часть сделать? Эти и другие вопросы в конечном итоге подскажут пользователю наиболее подходящий метод прототипирования.

Алюминиевый прототип, обработанный на станке с ЧПУ

Преимущества прототипирования с ЧПУ

Существует множество причин, по которым компания может использовать станки с ЧПУ для изготовления прототипа, включая скорость производства, качество детали, варианты материалов и сходство с конечной деталью.

От файла к прототипу

Одним из самых больших преимуществ обработки с ЧПУ является элемент «ЧПУ». Поскольку обработка на станках с ЧПУ — это цифровой процесс, при котором деталь создается из компьютерного файла, инженеры знают, что обработанный прототип будет точно соответствовать цифровому 3D-проекту, и что тот же цифровой проект впоследствии можно будет использовать для создания конечной детали с идентичными размерами. Степень воспроизводимости особенно высока.

Кроме того, использование цифровых 3D-проектов позволяет быстро и точно вносить изменения. Если в обработанном прототипе обнаруживается физический дефект, возникший из-за плохой конструкции, инженер может вернуться к программному обеспечению САПР, чтобы внести соответствующие изменения в следующий прототип. Различные версии можно сравнивать друг с другом, а программное обеспечение для моделирования можно даже использовать для упреждающего тестирования того, как деталь будет работать в реальном мире.

3D-файл САПР

Прототип выполнен с помощью 5-осевой обработки с ЧПУ

Качество и согласованность

Компьютеры не идеальны, но машины, управляемые компьютером, работают точно так, как должны, если только не ломаются. В то время как многие процессы прототипирования зависят от человеческих навыков (и поэтому подвержены человеческим ошибкам), станки с ЧПУ следуют их инструкциям с точностью до доли миллиметра.

Важно отметить, что они могут делать это снова и снова. Хотя компания может производить только один прототип, станок с ЧПУ при необходимости может выполнить ту же работу во второй раз с минимальным отклонением от первого. Это невероятно полезно для разработки новых итераций прототипа и для перехода к производству на том же оборудовании. (Ручные процессы невероятно важны, но легче гарантировать согласованность с помощью автоматизированной машины.)

Ряд прочных материалов

Если прототип не имеет механического назначения, он может подойти для 3D-печати, которая, хотя и не известна производством высокопрочных деталей, стоит очень мало и может быть выполнена за короткий промежуток времени. Однако для большинства процессов 3D-печати выбор материалов более узкий, чем для механической обработки.

Обработка с ЧПУ предлагает не только широкий спектр совместимых материалов, но и некоторые чрезвычайно прочные и долговечные материалы, включая широкий спектр металлов. Металлом также можно печатать в 3D, но не на дешевом FDM-принтере.

Общие материалы для обработки с ЧПУ включают:

Металлы	Пластмасса
Алюминий	ABS
Сталь	ПК
Нержавеющая сталь	PP
Магний	PS
Титан	POM
Цинк	PMMA
Латунь	PAGF30
Бронза	PCGF30
Медь	Тефлон
	LDPE
	HDPE

Сходство с финальной частью

Еще одним важным преимуществом использования станков с ЧПУ для прототипов является возможность создавать прототипы, аналогичные готовой детали. Поскольку обрабатывающие центры полностью способны производить детали для конечного использования, а также прототипы, можно создавать прототипы, близкие к конечному продукту, что редко возможно с помощью 3D-печати или других методов.

Частично это связано с материалами. Многие инженерные металлы хорошо поддаются механической обработке, что позволяет инженерам изготавливать прототипы из тех же (или подобных) материалов, которые они будут использовать для конечной детали. Но качество самого процесса также является фактором:обработанные детали прочны и не проявляют слабости по определенным осям, как печатные детали, а сам процесс обработки можно даже использовать для воспроизведения других процессов, таких как формование листового металла.

Кроме того, создание прототипа, близкого по внешнему виду и поведению к окончательной детали, упрощает переход к промежуточному производству, поскольку требуется внести меньше существенных изменений.

Недостатки прототипирования с ЧПУ

Несмотря на свои преимущества, обработка на станках с ЧПУ имеет определенные ограничения в качестве метода прототипирования, что может привести к тому, что компании отдадут предпочтение альтернативному подходу.

Дороже, чем 3D-печать

Одним из очевидных недостатков прототипов станков с ЧПУ является стоимость процесса. Обрабатывающие центры — это крупные машины, требующие значительной мощности и большего контроля со стороны человека, чем 3D-принтеры. Металлы, поддающиеся механической обработке, также стоят дороже, чем обычные материалы для печати, такие как PLA.

Это одна из основных причин, по которой инженеры могут выбирать альтернативные процессы прототипирования, даже если они намерены использовать механическую обработку для своих конечных деталей. Разработка может отнимать ресурсы, и это понятно, если компаниям необходимо сократить все расходы на (ранней) стадии прототипирования.

Некоторые геометрические ограничения

4-осевые и 5-осевые обрабатывающие центры предлагают большую степень геометрической гибкости, но даже у этих станков есть свои ограничения. Для сложных конструкций со сложной внутренней геометрией могут быть более подходящими процессы аддитивного производства, поскольку они не ограничены углами режущих инструментов.

Имейте в виду, однако, что 3D-печатные прототипы могут вводить в заблуждение:цифровой 3D-дизайн, идеально выходящий из 3D-принтера, может оказаться невозможным для изготовления с использованием выбранного производственного оборудования, будь то обрабатывающие центры, оборудование для литья под давлением или что-то еще. Геометрическая гибкость прототипов полезна только в том случае, если эту гибкость можно воспроизвести в готовой детали.

Отходы

Поскольку обработка на станках с ЧПУ — это субтрактивный процесс, для него требуется больше материала, чем на самом деле уходит на деталь. Часть материала отрезается и превращается в металлическую или пластиковую стружку, которую затем необходимо утилизировать. Это отличается от процессов аддитивного прототипирования, которые не производят отходов, если только печать не выходит из строя и не должна быть повторена.

Использование механической обработки в качестве процессов прототипирования может привести к более высоким затратам на материалы из-за увеличения их использования и потерь. Тем не менее, щепа часто может быть переработана, поэтому воздействие процесса на окружающую среду не обязательно должно быть серьезным. (Продажа перерабатываемых отходов также может помочь возместить некоторые материальные затраты.)

Материал удален из сплошного блока

Быстрая оснастка:изготовление прототипов методом литья под давлением с помощью станков с ЧПУ

Мы видели, как обработка с ЧПУ может быть отличным процессом прототипирования. Но механическую обработку можно также косвенно использовать для создания прототипов методом литья под давлением.

Благодаря инструментам или формам для обработки с ЧПУ предприятиям предоставляется более экономичный способ создания оборудования, необходимого для литья под давлением. Этот инструмент, обработанный на станке с ЧПУ, может быть создан быстрее, чем традиционный инструмент, и поэтому является кратчайшим путем к формованным прототипам. (Для окончательно формованных деталей после этапа прототипирования могут использоваться традиционные методы обработки.)

Использование процесса быстрой оснастки гораздо более рентабельно при заказе больших объемов формованных деталей, поскольку изготовление обработанной оснастки стоит намного дороже, чем изготовление самих формованных деталей из смолы. И хотя большие количества могут быть нежелательны на этапе прототипирования, подлинные формованные прототипы будут более репрезентативными для формованных деталей, чем, например, альтернатива, напечатанная на 3D-принтере.

Свяжитесь с 3ERP чтобы узнать, является ли обработка с ЧПУ лучшим процессом прототипирования для вашего проекта.