¿Qué es el diseño de fabricación? Pasos, Tolerancias y Equipos CNC

Lo que realmente significa el diseño de fabricación

El diseño de fabricación es la etapa del desarrollo del producto en la que un concepto se convierte en una especificación edificable. — un conjunto de dibujos, tolerancias, anotaciones de materiales y notas de proceso que una fábrica, incluidos equipos CNC, prensas de moldeo, líneas de chapa metálica y estaciones de ensamblaje, puede seguir para producir la misma pieza repetidamente sin conjeturas. Se encuentra entre el diseño industrial, que decide cómo se ve y se siente un producto, y la ingeniería de producción, que decide cómo se fabrica a escala. El diseño de fabricación responde a una pregunta práctica: ¿se puede producir esta pieza de manera confiable, al costo previsto, con las herramientas que un taller realmente tiene en su planta?

En la práctica, el diseño de fabricación afecta a casi todas las decisiones que dan forma a una pieza antes de que llegue a la máquina. El espesor de la pared, la ubicación de los orificios, los radios de las esquinas, los ángulos de salida, las indicaciones del acabado de la superficie y la banda de tolerancia en cada dimensión no son elecciones arbitrarias: son decisiones que se toman teniendo en cuenta un proceso específico. Un soporte diseñado para una celda de equipo CNC de 5 ejes tendrá un aspecto diferente del mismo soporte diseñado para doblar chapa, incluso si ambas versiones realizan la misma función.

El resultado de un pase de diseño de fabricación suele ser un paquete de documentación en lugar de un solo dibujo. Ese paquete normalmente incluye:

• Un dibujo 2D acotado con un bloque de tolerancia que cubre las dimensiones generales y críticas.
• Un archivo de modelo 3D, comúnmente en formato STEP o CAD nativo, utilizado directamente por el software de programación de equipos CNC.
• Una especificación del material, incluida la aleación o el grado, la condición y cualquier tratamiento térmico.
• Requisitos de acabado superficial para cada cara o característica que necesita más que un acabado mecanizado
• Notas de proceso que cubren referencias de accesorios, superficies de referencia y puntos de inspección

Sin este paquete, un operador que ejecuta Equipos CNC tiene que adivinar la intención, lo que conduce a piezas desechadas, ciclos de cotización repetidos y tolerancias que son demasiado flexibles para funcionar o demasiado estrictas para producir de manera económica.

Los cuatro pilares de un diseño de fabricación sólido

La mayoría de las decisiones de diseño de fabricación se dividen en cuatro categorías superpuestas. Tratarlos como una lista de verificación al principio de un proyecto, en lugar de arreglarlos después de que un primer lote de piezas falla, es la diferencia entre una rampa de producción fluida y un ciclo de rediseño costoso.

Diseño para la fabricabilidad

Diseñar para la fabricabilidad significa dar forma a la geometría para que coincida con lo que hace bien un proceso. Para los equipos CNC, eso significa favorecer características que una herramienta de corte estándar pueda alcanzar directamente: cavidades abiertas en lugar de cavidades ciegas profundas, espesor de pared uniforme y esquinas internas con un radio que coincida con una fresa de extremo disponible en lugar de una esquina de noventa grados perfectamente afilada.

Diseño para montaje

El diseño para el ensamblaje analiza cómo se unen las piezas individuales. Un diseño de fabricación que reduce los tipos de sujetadores, estandariza los tamaños de los orificios en toda una familia de productos y orienta las piezas para que sólo puedan ensamblarse correctamente reduce tanto el tiempo de ensamblaje como la posibilidad de un error de construcción en la línea.

Análisis de acumulación de tolerancia

Cada dimensión tiene una tolerancia y las tolerancias se suman en todo un ensamblaje. Un diseño de fabricación que asigna tolerancias estrictas a cada dimensión, en lugar de solo aquellas que afectan el ajuste o la función, aumenta el tiempo de ciclo del equipo CNC y el costo de inspección sin mejorar el producto final.

Emparejamiento de materiales y procesos

La misma geometría se puede producir en aluminio en una fresadora CNC, en zinc mediante fundición a presión o en acero mediante estampado. El diseño de fabricación decide qué combinación se ajusta al caso de carga de la pieza, los requisitos de acabado y el volumen de producción, y esa decisión debe tomarse antes de que comiencen las herramientas o la programación, no después.

Por qué los equipos CNC influyen en tantas decisiones de diseño de fabricación

Los equipos CNC, es decir, fresadoras, tornos y centros de mecanizado multieje de control numérico por computadora, son a menudo el primer proceso que debe satisfacer un diseño de fabricación, incluso cuando el método de producción final será la fundición, el moldeado o el estampado. Los prototipos, las herramientas de puente y las tiradas de bajo volumen casi siempre se cortan con equipos CNC, por lo que un diseño que lucha contra las capacidades del CNC agrega costos en la etapa más temprana y costosa de un proyecto.

Una cajera mecanizada con una fresa de mango de 6 mm no puede tener un radio de esquina interno inferior a 3 mm. Especificar una esquina interna afilada en una pieza mecanizada por CNC obliga a utilizar una herramienta más pequeña, velocidades de avance más lentas y, en muchos casos, una operación separada. solo para limpiar material que la herramienta original no pudo alcanzar.

El número de ejes es otra limitación que un buen diseño de fabricación tiene en cuenta desde el principio. La configuración de un equipo CNC de 3 ejes solo puede abordar una pieza desde una dirección por dispositivo. Mecanizar una característica en la cara opuesta significa soltar, voltear y volver a referenciar la pieza, lo que agrega tiempo de preparación e introduce errores de alineación. Una celda de equipo CNC de 5 ejes puede alcanzar múltiples caras en una sola configuración, razón por la cual las piezas con características en varios lados a menudo se rediseñan, cuando es posible, para consolidar las operaciones en lugar de simplemente entregarlas a un taller de 3 ejes tal como están.

La envolvente de trabajo, el tamaño máximo de una pieza que una máquina determinada puede contener, también influye en el diseño de fabricación. Es posible que una pieza que sea unos milímetros demasiado larga para el tamaño de mesa de un equipo CNC común deba dividirse en dos componentes y unirse más tarde, lo que cambia toda la estrategia de ensamblaje. Los diseñadores que verifican los límites envolventes con las especificaciones probables del equipo CNC antes de finalizar las dimensiones evitan este tipo de rediseño en la última etapa.

El flujo de trabajo del diseño de fabricación desde el concepto hasta el proceso de producción

El diseño de fabricación rara vez ocurre en una sola pasada. Avanza a través de una secuencia de etapas, cada una de las cuales agrega detalles y cada una es un punto de control donde se puede ajustar un diseño antes de que resulte costoso cambiarlo. La siguiente tabla describe una secuencia típica para una pieza que eventualmente se ejecutará en un equipo CNC, con una nota sobre los cambios en cada etapa.

Cada una de estas etapas produce algo de lo que depende la siguiente etapa. Saltarse el pase DFM, por ejemplo, a menudo significa que el prototipo ejecutado en equipos CNC presenta problemas, como una característica interna inalcanzable, que debería haberse captado en la pantalla en lugar de en la máquina.

Selección de materiales dentro de la etapa de diseño de fabricación

La elección del material es una de las primeras y más importantes decisiones en el diseño de fabricación, porque determina cómo se comporta una pieza bajo carga, cómo se ve y con qué eficiencia se puede cortar en un equipo CNC. La siguiente tabla compara cinco materiales que aparecen con frecuencia en el trabajo de mecanizado CNC, con una nota general sobre la maquinabilidad y dónde tiende a encajar cada uno.

La regla general que sigue el diseño de fabricación es elegir el material más suave y estable que aún cumpla con los requisitos de resistencia, corrosión y apariencia de la pieza. Los materiales más blandos se cortan más rápido en equipos CNC, generan menos desgaste de la herramienta y permiten un control dimensional más estricto. porque se desvían menos bajo la fuerza de corte. Cambiar una pieza de acero inoxidable a aluminio, cuando la aplicación lo permite, puede reducir notablemente el tiempo de mecanizado y al mismo tiempo reducir la frecuencia de reemplazo de herramientas.

Seis hábitos de diseño de fabricación que ralentizan la programación de equipos CNC

Algunas opciones de diseño parecen inofensivas en un dibujo, pero se convierten en largas sesiones de programación, tiempos de ciclo lentos o configuraciones adicionales una vez que una pieza llega a un taller de equipos CNC. La siguiente lista cubre los hábitos que surgen con más frecuencia durante la revisión del diseño.

1. Bolsillos profundos y estrechos con una relación de profundidad a ancho superior a cuatro a uno, que requieren herramientas largas y flexibles que se desvían y vibran durante el corte.
2. Esquinas internas afiladas en elementos con cavidades, que no se pueden producir con una herramienta de corte redonda sin dejar material o cambiar a una herramienta mucho más pequeña.
3. Tamaños de orificios inconsistentes en una familia de piezas, lo que obliga al operador de un equipo CNC a cargar e indexar herramientas adicionales para lo que debería ser una operación repetible.
4. Se aplican tolerancias estrictas a todas las dimensiones de un dibujo en lugar de solo a las que controlan el ajuste, lo que aumenta el tiempo de inspección y las tasas de rechazo sin un beneficio funcional.
5. Características colocadas en múltiples caras de una pieza diseñada para una configuración de equipo CNC de 3 ejes, lo que obliga a soltar y volver a referenciar repetidas veces y aumenta la posibilidad de desalineación.
6. Paredes delgadas y sin soporte de menos de aproximadamente 1 mm de metal, que se flexionan bajo la presión de corte y producen piezas que no coinciden con las dimensiones del modelo una vez retiradas del dispositivo.

Ninguno de estos problemas es difícil de solucionar cuando se detecta durante la revisión del diseño de fabricación. El coste de cada uno crece cuanto más tarde se descubre. Un radio de esquina es una edición del modelo de cinco minutos antes del lanzamiento, pero puede significar un lote desechado y un nuevo corte después de que las piezas ya hayan pasado por un programa de equipo CNC.

Hacer coincidir las opciones de diseño de fabricación con el volumen de producción

El diseño de fabricación correcto para diez piezas rara vez es el diseño correcto para diez mil. El volumen cambia qué proceso tiene sentido económico y cambia qué reglas de diseño son más importantes. La siguiente comparación describe cómo cambian las prioridades en tres rangos de volumen comunes.

Un error común es diseñar una pieza como si siempre fuera a mecanizarse en equipos CNC, incluso cuando el plan de producción requiere fundición o moldeado en volúmenes más altos. Las características que son fáciles de agregar a un programa CNC, como una esquina interna afilada o un corte socavado, pueden hacer que un troquel de fundición sea mucho más costoso o imposible de liberar limpiamente. El diseño de fabricación que anticipa el salto de volumen del prototipo a la producción evita un segundo rediseño cuando cambia el proceso.

Tolerancias y acabado superficial: donde el diseño de fabricación se une a la capacidad de los equipos CNC

Las notas de tolerancia y acabado superficial son donde el diseño de fabricación tiene la conversación más directa con la capacidad del equipo CNC. Cada ajuste de una banda de tolerancia y cada reducción en la rugosidad de la superficie agrega tiempo a la máquina, a menudo a través de velocidades de avance más lentas, pasadas de acabado adicionales o una operación completamente separada. La siguiente tabla alinea los grados de tolerancia generales con los que los equipos CNC estándar normalmente pueden soportar sin un procesamiento secundario.

La conclusión práctica para el diseño de fabricación es reservar las filas finas y de precisión para las dimensiones que realmente las necesitan, como el orificio del rodamiento o una cara de contacto, y dejar que todo lo demás sea de clase media por defecto. Un dibujo en el que cada dimensión se mantiene en más o menos 0,05 mm envía la misma señal a un taller de equipos CNC que un dibujo sin tolerancia alguna. : el taller no puede decir qué dimensiones realmente importan, por lo que tiene que tratarlas a todas como si lo fueran.

Lista de verificación previa al envío antes de enviar archivos de diseño de fabricación a un taller de equipos CNC

Antes de que un paquete de diseño de fabricación salga para cotización o producción, un breve pase de revisión detecta los problemas que de otro modo se convertirían en correos electrónicos de aclaración, retrasos en la cotización o un primer lote que necesita reelaboración. La siguiente lista de verificación cubre los elementos que surgen con mayor frecuencia.

1. Confirme que el modelo 3D y el dibujo 2D coincidan exactamente, incluidas las ediciones de último momento realizadas en uno pero no en el otro.
2. Verifique que los radios de las esquinas internas sean lo suficientemente grandes para un diámetro de fresa estándar en relación con la profundidad de la cavidad
3. Verificar que se apliquen tolerancias estrictas solo a las dimensiones que afectan el ajuste, la función o el ensamblaje.
4. Confirme que las indicaciones del material incluyan el grado, la condición y cualquier tratamiento térmico requerido.
5. Enumere los requisitos de acabado superficial para caras o características específicas, en lugar de dejar la pieza entera sin especificar.
6. Identificar las superficies de referencia y la geometría de referencia que el dispositivo del equipo CNC utilizará para la alineación.
7. Tenga en cuenta cualquier característica que requiera acceso desde más de un lado, para que el taller pueda planificar configuraciones o cotizar una celda de equipo CNC de 5 ejes si es necesario.
8. Revise el espesor de la pared con el material elegido para confirmar que las piezas mantendrán sus dimensiones después del mecanizado.

Un paquete de diseño de fabricación que aborda cada uno de estos puntos antes de llegar a un taller de equipos CNC generalmente avanza en la cotización más rápido, regresa con menos solicitudes de aclaración y produce piezas de primera ejecución que coinciden con el modelo en el primer intento.