Прототипирование с ЧПУ: преимущества и ограничения, которые нужно знать

Что такое обработка с ЧПУ?

Обработка с ЧПУ (Computer Numerical Control) — это производственный процесс, в котором компьютерные входы используются для управления обрабатывающими инструментами, такими как сверла и токарные станки. Она используется во многих отраслях для различных прототипов и готовых деталей.

Процесс начинается с цифрового 3D-дизайна, созданного с использованием CAD-софта, который компьютер может перевести в серию инструкций для режущих инструментов машины. Эти инструкции известны как G-код. После отправки G-кода машине, очень мало ручного надзора требуется, так как машина знает, когда и где резать, и выполняет обработку автономно. Это приводит к значительной экономии времени и затрат по сравнению с традиционной обработкой, в которой квалифицированный токарь режет заготовку с помощью вручную управляемых режущих инструментов.

Обработка — это субтрактивный процесс, что означает, что оборудование удаляет существующий материал вместо введения нового. В отличие от аддитивного производства, где 3D-принтер наносит материал слоями для формирования объекта, обработка с ЧПУ включает отрезание участков от безформенного блока, известного как «заготовка» (workpiece). Излишки материала утилизируются или перерабатываются, в конечном итоге оставляя готвую деталь. Более сложные станки с ЧПУ, те, у которых большее количество осей, способны резать заготовку более сложными способами, производя детали с более сложными геометриями.

Обработка с ЧПУ — широко используемый производственный процесс благодаря своей универсальности, точности, последовательности и широкому спектру совместимых материалов: хотя алюминиевые сплавы — самый распространенный материал для обработки, множество других металлов и пластиков также могут быть использованы.

Хорошо ли обработка с ЧПУ для прототипирования?

Хотя многие сейчас считают 3D-печать доминирующей формой быстрого прототипирования, обработка с ЧПУ также важный процесс для создания прототипных деталей. Чтобы понять почему, полезно рассмотреть разные формы, которые может принимать прототип, и рассмотреть, почему эти прототипы существуют.

Прототипы могут иметь много разных функций. В их самом базовом виде они действуют как заглушки или реквизиты — слабые представления конечной детали, используемые для передачи визуальной информации о том, как конечная деталь будет выглядеть или вести себя. Эти визуальные прототипы (looks-like prototypes) могут использоваться для направления процесса R&D или предоставления доказательства концепции. Если сделаны с высоким эстетическим стандартом, они также могут использоваться для презентации нового продукта потенциальным инвесторам. Такие прототипы могут быть очень важны, но они не обязательно должны быть сделаны с использованием высококлассного профессионального оборудования: их можно изготовить вручную или напечатать на десктопном 3D-принтере низкого уровня.

Некоторые прототипы, однако, используются не только для визуального представления. В зависимости от стадии разработки продукта, компаниям может потребоваться создать инженерные прототипы или прототипы производства: прототипы, которые не только выглядят как конечная деталь, но и функционируют как она, действуя как заменитель, максимально близкий к реальной вещи. Пока 3D-печать может быть отличным вариантом для визуального прототипирования, обработка с ЧПУ часто предпочтительнее для этих функциональных прототипов, требующих прочности, механической стабильности или других характеристик, не предоставляемых аддитивными процессами. В конце концов, не многие конечные детали делаются с 3D-принтером.

Обработка с ЧПУ может быть отличным выбором для прототипирования, но ее пригодность зависит от природы прототипа. Для какой цели будет использован прототип? Из какого материала он будет сделан? И из какого материала будет сделана конечная деталь? Эти и другие вопросы в конечном счете направят пользователя к наиболее подходящему методу прототипирования.

Преимущества прототипирования с обработкой ЧПУ

Существует множество причин, почему компания может использовать обработку с ЧПУ для производства прототипа, включая скорость производства, качество детали, варианты материалов и сходство с конечной деталью.

От файла к прототипу

Одним из крупнейших преимуществ обработки с ЧПУ является элемент «ЧПУ». Поскольку обработка с ЧПУ — цифровой процесс, создающий деталь из компьютерного файла, инженеры знают, что обработанный прототип будет точно соответствовать цифровому 3D-дизайну, и тот же цифровой дизайн позже можно использовать для создания конечной детали с идентичными размерами. Степень повторяемости особенно высока.

Кроме того, использование цифровых 3D-дизайнов позволяет быстро и точно вносить изменения. Если обработанный прототип демонстрирует физический дефект, résultирующий из плохого дизайна, инженер может вернуться в CAD-софт для внесения подходящих изменений для следующего прототипа. Разные версии можно сравнивать бок о бок, и симуляционный софт даже может использоваться для предварительного тестирования того, как деталь будет выполняться в реальном мире.

Качество и последовательность

Компьютеры не идеальны, но компьютерно-управляемое оборудование склонно функционировать именно так, как должно — если только оно не сломается. Пока многие прототипирующие процессы полагаются на человеческое мастерство (и поэтому восприимчивы к человеческой ошибке), станки с ЧПУ следуют своим инструкциям с точностью до доли миллиметра.

Важно, они также могут делать это снова и снова. Хотя бизнес может делать только один прототип, станок с ЧПУ может, если нужно, запустить ту же работу второй раз с минимальным отклонением от первой. Это невероятно полезно для разработки новых итераций прототипа и для перехода к производству с тем же оборудованием. (Ручные процессы невероятно важны, но легче гарантировать последовательность с автоматизированной машиной.)

Широкий спектр прочных материалов

Если прототип не имеет механической цели, он может подойти для 3D-печати, которая — хотя не известна производством высокопрочных деталей — стоит очень мало и может быть выполнена за короткое время. Для большинства процессов 3D-печати, однако, варианты материалов уже уже, чем для обработки.

Обработка с ЧПУ не только предлагает широкий спектр совместимых материалов, она также предлагает некоторые экстремально прочные и долговечные, включая широкий спектр металлов. Можно 3D-печатать с металлами также, но не на дешевом FDM принтере.

Распространенные материалы обработки с ЧПУ включают:

Металлы	Пластики
Алюминий	ABS
Сталь	PC
Нержавеющая сталь	PP
Магний	PS
Титан	POM
Цинк	PMMA
Латунь	PAGF30
Бронза	PCGF30
Медь	Тефлон (PTFE)
	LDPE
	HDPE

Сходство с конечной деталью

Еще одно большое преимущество использования обработки с ЧПУ для прототипов — способность создавать прототипы, похожие на конечную деталь. Поскольку обрабатывающие центры полностью способны производить конечные детали также как и прототипы, возможно создавать прототипы, близкие к конечному продукту — подвиг, редко достижимый с 3D-печатью или другими методами.

Часть этого обусловлена материалами. Многие инженерные металлы высоко обрабатываемы, что позволяет инженерам делать прототипы из тех же (или похожих) материалов, которые они будут использовать для конечной детали. Но качество самого процесса также фактор: обработанные детали прочны и не демонстрируют слабости вдоль определенных осей, как напечатанные детали, в то время как процесс обработки сам может даже использоваться для репликации других процессов вроде листовой металлообработки.

Кроме того, создание прототипа, близкого по внешнему виду и поведению к конечной детали, делает легче переход к мостковому производству (bridge production), так как есть меньше значительных изменений для внесения.

Недостатки прототипирования с обработкой ЧПУ

Несмотря на свои преимущества, обработка с ЧПУ имеет определенные ограничения как метод прототипирования, которые могут заставить бизнесы предпочесть альтернативный подход.

Дороже 3D-печати

Одним из очевидных недостатков обработки с ЧПУ прототипов является стоимость процесса. Обрабатывающие центры — крупные части оборудования, требующие значительной мощности и большего человеческого надзора, чем 3D-принтеры. Обрабатываемые металлы также приходят с более высокой ценовой точкой, чем распространенные печатающие материалы вроде PLA.

Это одна из главных причин, почему инженеры могут выбирать альтернативные прототипирующие процессы, даже если они намереваются использовать обработку для своих конечных деталей. Разработка может быть сливом ресурсов, и понятно, если бизнесам нужно сократить каждую статью расходов на (ранней) стадии прототипирования.

Некоторые геометрические ограничения

4-осевые и 5-осевые обрабатывающие центры предлагают большой степень геометрической гибкости, но даже эти машины имеют свои ограничения. Для изощренных структур со сложными внутренними геометриями аддитивные производственные процессы могут быть более подходящими, так как они не ограничены углами режущих инструментов.

Имейте в виду, однако, что 3D-печатные прототипы могут быть вводящими в заблуждение: цифровой 3D-дизайн, который идеально выходит из 3D-принтера, может быть невозможен для изготовления с использованием выбранного производственного оборудования, будь то обрабатывающие центры, оборудование для впрыска под давлением или что-то еще. Геометрическая гибкость для прототипов полезна только если эта гибкость может быть реплицирована на конечной детали.

Материальные отходы

Поскольку обработка с ЧПУ — субтрактивный процесс, она требует больше материала, чем фактически идет в деталь. Часть материала отрезается и заканчивается в виде металлических или пластиковых стружек, которые затем должны быть утилизированы. Это отличается от аддитивных прототипирующих процессов, которые не производят материальных отходов, если только печать не провалилась и не должна быть повторена.

Использование обработки как прототипирующего процесса может повлечь более высокие материальные затраты из-за увеличенного использования материала и отходов. Однако стружку часто можно переработать, так что экологическое воздействие процесса не обязательно должно быть серьезным. (Продажа перерабатываемых отходов материала также может помочь вернуть некоторые материальные затраты.)

Быстрый инструментарий: впрыскные прототипы через обработку ЧПУ

Мы видели, как обработка с ЧПУ может быть отличным прототипирующим процессом. Но обработка также может использоваться косвенно для создания впрыскных прототипов.

ЧПУ-обработка инструментария или форм предоставляет бизнесам более стоимоэффективный способ создания аппаратуры, необходимой для впрыска под давлением. Этот ЧПУ-обработанный инструментарий может быть создан быстрее, чем традиционный инструментарий, и поэтому является ярлыком к отлитым прототипам. (Для конечных отлитых деталей после стадии прототипирования традиционные методы инструментария могут быть применены.)

Использование процесса быстрого инструментария намного более стоимоэффективно при заказе больших объемов отлитых деталей, так как обработанный инструментарий стоит намного больше для изготовления, чем сами отлитые смолистые детали. И хотя большие объемы могут быть не особенно желательны на стадии прототипирования, подлинные отлитые прототипы будут более репрезентативны для отлитой детали, чем, например, 3D-печатная альтернатива.

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