CNC o impresión 3D: ¿cuál es la mejor manera de fabricar una pieza?

Introducción

El desarrollo de materiales más resistentes para la impresión 3D ha animado a fabricantes de todos los sectores a explorar los pros y contras del CNC y la impresión 3D, y a encontrar formas de imprimir en 3D piezas funcionales que antes se mecanizaban con CNC. El proceso de impresión 3D supone un ahorro sustancial de tiempo y dinero para los fabricantes, manteniendo la calidad necesaria para la producción industrial.

Los fabricantes que opten por este método pueden utilizar el software de impresión 3D para crear prototipos y producir piezas en un solo día, a un coste muy inferior que el del mecanizado CNC tradicional. Sin embargo, todavía hay varias áreas clave en las que el CNC puede seguir siendo la opción adecuada para la producción de piezas.

Desde aspectos físicos hasta financieros, repasemos algunas de las áreas que deben evaluarse antes de decidir entre CNC o impresión 3D.

Lea nuestra Guía del comprador de impresoras 3D

Consideraciones físicas

Geometría

Tamaño de las morfologías: Tanto los procesos CNC como los de impresión 3D están limitados por el tamaño de la herramienta; en el caso del CNC, el diámetro de la herramienta determina la morfología negativa más pequeña que puede crearse. En el caso de la impresión 3D, sin embargo, el diámetro de la boquilla determina la morfología positiva más pequeña que puede producirse. El diámetro de la boquilla de las impresoras 3D que utilizan la extrusión suele estar entre 0,25 mm y 0,8 mm, y el tamaño mínimo de morfología de estas máquinas es 4 veces mayor, lo que da como resultado un tamaño mínimo de la morfología de entre 1,0 mm y 3,2 mm.

Para obtener más información sobre el tamaño mínimo de morfología con el refuerzo de fibra continua, hemos creado una guía sobre tamaños mínimos de morfologías de fibra.

Acabado superficial: Con las herramientas adecuadas, las máquinas CNC son capaces de producir superficies mucho más lisas que las impresoras 3D. Las impresoras 3D son capaces de producir piezas de gran calidad y acabado, pero en el caso de piezas que requieren una suavidad excepcional para acoplarse con otros componentes de precisión, puede ser preferible el mecanizado CNC.

Tolerancias: Algunas de las mejores impresoras 3D de composite pueden mantener tolerancias dimensionales de hasta +/- 0,127 mm (0,005 pulgadas) y suelen tener una superficie compatible para el ajuste a presión. Las piezas impresas en 3D con tolerancias estrictas pueden mecanizarse posteriormente. Sin embargo, en función de las demás morfologías de la pieza, puede ser más fácil mecanizarla entera. Los resultados pueden variar en función de la máquina, el material y la geometría de la pieza.

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Cargas: Las piezas no estructurales suelen ser objetivos fáciles para la impresión 3D convencional. Las piezas estructurales que deben soportar cargas físicas importantes pueden fabricarse con refuerzo de fibra continua o mediante mecanizado CNC. Aunque el refuerzo de fibra continua puede proporcionar una mejora significativa de la resistencia con respecto a otras piezas impresas en 3D, las piezas de material compuesto son más resistentes en dos ejes (X, Y) que en Z, y no presentan propiedades isotrópicas como las piezas metálicas. Para obtener más información sobre cómo puede afectar esto a los diseños y a la orientación de las piezas a la hora de imprimir, lea este artículo sobre el relleno isotrópico de fibra, que explora estas piezas en mayor profundidad.

Consulte nuestro informe técnico sobre cómo imprimir en 3D sus propias herramientas y accesorios

Entorno

Tanto la impresión 3D como el mecanizado CNC son capaces de producir piezas en metales y polímeros, por lo que la elección girará en torno a qué proceso está más fácilmente disponible para conformar el material que necesita.

Temperatura: Tanto la impresión 3D como el mecanizado CNC son capaces de producir piezas en metales y polímeros, por lo que la elección girará en torno a qué proceso está más fácilmente disponible para conformar el material que necesita. La temperatura de funcionamiento de un determinado metal suele guardar cierta relación con su temperatura de fusión. «Los metales puros suelen debilitarse en gran medida en torno a la mitad del punto de fusión en la escala de temperaturas absolutas (punto de fusión en grados F más 459)». Por lo general, las aleaciones pueden ampliar el intervalo útil, en algunos casos hasta aproximadamente el 65 % de la temperatura de fusión.

Los compuestos y polímeros impresos en 3D tienen unos límites de temperatura de funcionamiento inferiores a los de los metales. Normalmente, los materiales de Markforged no deben utilizarse durante períodos prolongados a temperaturas elevadas superiores a 150 °C.

Humedad: Algunos filamentos de polímero absorben la humedad y pueden perder resistencia tras una exposición o sumergimiento prolongados. Puede ser necesario un revestimiento, como Liquitex. La humedad no suele afectar al aluminio, pero puede provocar la oxidación del acero.

Productos químicos: Si su pieza va a estar sometida a algún producto químico, compruebe la compatibilidad química de su material con el producto químico. Aunque muchos metales son adecuados para usarlos con diversos productos químicos, compruebe siempre que sean compatibles antes de introducir un nuevo material o entorno. Los materiales de Markforged a base de nylon son químicamente resistentes y no se ven afectados por la mayoría de los productos petroquímicos. No se pueden utilizar en entornos con ácidos o bases fuertes.

Consideraciones económicas

¿Cuándo necesita la pieza?

Mecanizado en la propia empresa: Si necesita la pieza inmediatamente, no hay otros impedimentos para la operación y dispone de una máquina, un operario, materiales y un portapiezas, mecanice la pieza con CNC. Si hay trabajos más urgentes, o si la pieza puede esperar, la impresión en 3D normalmente puede entregarle la pieza al día siguiente, dando tiempo al operario para centrarse en tareas más importantes.

Normalmente, el mecanizado CNC retira el material mucho más rápido de lo que la impresión 3D puede depositarlo. En el mecanizado, el tamaño no suele ser tan relevante a la hora de calcular el tiempo; es mucho más importante la cantidad de material que es preciso eliminar. Si la relación entre volumen de pieza y volumen de material es muy baja (es decir, si la eliminación de material es alta), la impresión 3D puede ser una buena opción.

Con la impresión 3D, el tamaño de la pieza afecta al tiempo; las piezas más grandes tardan más en imprimirse. Si una pieza cabe en la palma de la mano, normalmente puede tenerla el mismo día. Con piezas más pequeñas, suele ser más rápido imprimirlas en 3D que mecanizarlas. Con una máquina CNC hay que dedicar tiempo a conseguir material, escribir el código G, calcular la sujeción de la pieza, configurar las herramientas y, por último, limpiar todo. Algunas piezas pueden imprimirse en el tiempo que se tarda en preparar una máquina CNC.

Externalización del mecanizado: El proceso de encargar componentes mecanizados a servicios externos de mecanizado CNC suele requerir varios días como mínimo, entre revisar la pieza, crear los planos, enviar el presupuesto y hablar con Compras. Esto, sumado a los gastos de envío y el plazo de entrega del taller, puede alargar mucho el proceso. La impresión, en este caso, puede ser una forma adecuada de comprobar las calidades y acabados o de tener una pieza lista al día siguiente mientras se mecaniza la pieza definitiva.

¿Cuántas piezas necesita?

Si desglosamos el coste de una tirada corta de piezas mecanizadas, veremos que la mayor parte del coste procede del tiempo necesario para la programación y la puesta a punto; cortar el metal suele ser lo que menos tiempo lleva. El aumento del volumen de producción se consigue generalmente con preparaciones más grandes para mecanizar más piezas sin supervisión. A medida que aumenta la complejidad de las piezas y el número de morfologías, también aumenta el tiempo de programación y el número de preparaciones necesarias. Sin embargo, el coste de las unidades adicionales disminuye con bastante rapidez. En función de la geometría, el coste unitario del CNC se puede escalar a pedidos de cientos o miles de unidades al mes, ya que la programación y la preparación se pueden reaprovechar.

Con la impresión 3D, la programación (laminado) se realiza en cuestión de minutos, y la complejidad incide poco en el tiempo de programación. Mientras que el coste y el esfuerzo de imprimir la primera unidad son bajos, el coste por unidad no se ve muy afectado por el volumen. El aumento del volumen de producción se consigue generalmente utilizando más máquinas.

¿Qué presupuesto tiene para máquinas y operarios?

Las máquinas CNC pueden funcionar sin supervisión si se configuran correctamente, pero para que funcionen con éxito es fundamental contar con operarios y programadores cualificados que trabajen a tiempo completo. El mantenimiento de las máquinas no siempre es fácil para los propietarios, lo que requiere costosos planes de mantenimiento.

Las impresoras 3D pueden funcionar sin supervisión, los operarios requieren una formación mínima y el software facilita la programación. Estas máquinas suelen ser fáciles de reparar y sus costes de mantenimiento son mucho menores.

Los precios de las máquinas CNC y las impresoras 3D varían en función de las características y la calidad de fabricación, pero normalmente las impresoras 3D requieren una inversión considerablemente inferior a la de una máquina CNC.

El coste inicial y de funcionamiento de la fabricación aditiva es bajo, por lo que resulta ideal para tiradas cortas de producción, como por ejemplo la creación de prototipos y utillajes. Sin embargo, en tiradas de gran volumen, la fabricación sustractiva y el conformado resultan más rentables.

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¿Dónde debe situarse usted en el debate «CNC o impresión 3D»?

No se trata de sustituir un proceso por otro sin más, porque la impresión 3D no va a resolver todos sus problemas de producción de la noche a la mañana. Las limitaciones económicas limitan la cantidad de piezas rentables para la impresión 3D a tiradas cortas, y las restricciones de materiales y procesos pueden limitar el espacio de aplicación. El mecanizado CNC, por su parte, presenta economías de escala favorables una vez que las cantidades son un poco mayores, normalmente del orden de cientos de unidades al mes.‍