La pregunta detrás de la pregunta
"¿Debería esta pieza ser mecanizada, fundida a presión o moldeada por inyección?" es realmente una pregunta sobre la cantidad, el tiempo y qué tan asentado está el diseño. Cada proceso tiene un equilibrio diferente entre el coste inicial de las herramientas y el coste por pieza. A bajo volumen, el proceso sin herramientas generalmente gana. Con un alto volumen, el proceso con el menor coste por pieza gana, incluso si sus herramientas son caras. El punto de cruce depende de la pieza, por lo que esta guía explica los factores en lugar de citar números fijos.
Los tres procesos en resumen
Mecanizado CNC
Corta la pieza de material sólido. No hay herramientas específicas de la pieza más allá de los accesorios, por lo que la primera pieza se puede hacer en días. El coste por pieza es impulsado por el tiempo y el material de la máquina, y se mantiene bastante plano a medida que crece la cantidad.
Presofusión
Inyecta metal fundido, generalmente aluminio o aleaciones de zinc, a alta presión en una matriz de acero endurecido. El coste del troquel es considerable y el tiempo de entrega del troquel se mide en semanas. Una vez que existe el troquel, las piezas salen rápidamente, con un bajo coste por pieza.
Moldeo por inyección
Inyecta plástico fundido en un molde de acero o aluminio. Al igual que la fundición a presión, primero necesita una herramienta y luego fabrica piezas de forma rápida y económica. Las herramientas van desde moldes de prototipos de aluminio más simples hasta moldes de producción de acero endurecido con cavidades múltiples.
Cómo se comportan las curvas de costes
El coste total de una ejecución es igual al coste de utillaje más el coste por pieza multiplicado por la cantidad. Divida por cantidad para obtener el coste por pieza.
- El mecanizado comienza con poco o ningún utillaje, por lo que el coste por pieza es razonable incluso para una sola pieza, pero disminuye solo lentamente con la cantidad
- La fundición a presión y el moldeo comienzan con un gran costo de herramientas, por lo que las primeras piezas son muy caras por pieza, pero el costo por pieza disminuye abruptamente a medida que las herramientas se distribuyen en más piezas
- En algún lugar a lo largo del eje de cantidad, las curvas se cruzan; más allá de ese punto, el proceso con herramientas es más barato
El punto de cruce se mueve con el tamaño de la pieza, la complejidad, el material y la tolerancia. Un clip de plástico pequeño y simple puede favorecer el moldeo en unos pocos cientos de piezas, mientras que una carcasa de aluminio grande y compleja puede permanecer mecanizada en miles.
Factores que mueven el crossover
| Factor | Empujes hacia el mecanizado | Empuja hacia procesos con herramientas |
|---|---|---|
| Cantidad anual | Baja, incierta o puntual | Alta y constante a lo largo de los años |
| Madurez del diseño | Todavía está cambiando | Congelado y validado |
| Tolerancias | Muy ajustado en muchas características | Moderado, con algunas características mecanizadas |
| TAMAÑO DE LA PIEZA | Las piezas grandes con tiempos de ciclo largos son caras de mecanizar; los troqueles grandes también son costosos | Piezas medianas y pequeñas |
| Necesidades materiales | Aleaciones forjadas específicas o plásticos de alto rendimiento | Aleaciones de fundición estándar o resinas de moldeo |
| Plazo de entrega a las primeras partes | Días | Semanas a meses para herramientas |
| Geometría | Bolsillos profundos accesibles desde pocos lados | Paredes delgadas, costillas y formas complejas en una sola toma |
Diferencias materiales que importan
Las aleaciones fundidas a presión no son lo mismo que las aleaciones forjadas. Las aleaciones comunes de fundición a presión de aluminio, como el A380, contienen más silicio para la fluidez, tienen menor ductilidad que el forjado 6061 y generalmente contienen cierta porosidad. Se anodizan mal, dando un acabado gris y desigual, por lo que las piezas fundidas se pintan o recubren con polvo con mayor frecuencia. Las piezas fundidas a presión de zinc ofrecen detalles finos y un excelente acabado superficial para piezas pequeñas.
Los grados de plástico moldeado también difieren del material plástico mecanizado. Muchas resinas están disponibles solo como grados de moldeo, mientras que algunos materiales de alto rendimiento se mecanizan más fácilmente que se moldean. Los rellenos como la fibra de vidrio mejoran la rigidez pero afectan el acabado de la superficie y la anisotropía.
Si un prototipo mecanizado dará lugar a una pieza de producción fundida o moldeada, pruebe con el material de producción lo antes posible.
Diferencias de geometría
Las piezas mecanizadas pueden tener casi cualquier grosor de pared, bordes exteriores afilados y características en muchas direcciones, pero las esquinas internas siempre tienen el radio de corte y los bolsillos estrechos profundos son lentos.
Las piezas fundidas y moldeadas necesitan ángulos de inclinación en las paredes paralelas a la abertura de la herramienta, un espesor de pared uniforme para evitar el hundimiento y la porosidad, radios generosos e, idealmente, sin socavaduras. Los recortes requieren diapositivas o elevadores que aumentan el coste de la herramienta. Las costillas reemplazan las secciones sólidas gruesas.
Una pieza diseñada para el mecanizado generalmente necesita un rediseño antes de que pueda moldearse o fundirse de manera eficiente. Planifique ese rediseño en lugar de descubrirlo cuando se cita el utillaje.
Enfoques híbridos
La elección no siempre es un proceso u otro.
Fundición y máquina
Moldee a presión la forma casi neta, luego mecanice los orificios críticos, las caras y las roscas. Esto es muy común para carcasas y soportes.
Herramientas de puente
Use un molde o troquel de prototipo más simple para volúmenes de producción tempranos mientras el diseño se asienta, luego muévase a una herramienta de producción.
Máquina primero, herramienta después
Inicie con piezas mecanizadas, reúna comentarios de campo y luego invierta en herramientas una vez que la demanda esté clara. El mecanizado evita apostar por herramientas para un diseño que aún puede cambiar.
Moldes familiares y herramientas multicavidad
Combine varias piezas relacionadas en una sola herramienta, o haga varias cavidades para obtener una mayor producción, para distribuir el costo de las herramientas.
Un punto de partida basado en el volumen
Estos rangos son solo puntos de partida aproximados y pueden cambiar ampliamente con los detalles de la pieza:
- Prototipos y cantidades muy bajas: mecanizado CNC o impresión 3D para comprobaciones de forma
- Cantidades bajas a medias con un diseño sin resolver: mecanizado, posiblemente con herramientas de puente para plásticos
- Cantidades medias y altas de piezas de plástico: moldeo por inyección
- Cantidades medias a altas estables de carcasas metálicas: fundición a presión, generalmente con mecanizado secundario
- Cantidades muy altas de piezas metálicas pequeñas: fundición a presión u otros procesos como el estampado donde la geometría lo permite
Siempre solicite presupuestos en las cantidades reales planificadas. Una cotización de 100 piezas no se puede escalar a 10.000 por simple multiplicación.
Preguntas a resolver antes de elegir
- ¿Qué cantidad se necesita ahora y cuál es el volumen anual realista a lo largo de la vida útil del producto?
- ¿Qué tan probable es que el diseño cambie el próximo año?
- ¿Qué características necesitan tolerancias de nivel de mecanizado?
- ¿El material debe ser una aleación forjada específica o un plástico de ingeniería?
- ¿Qué tan pronto se necesitan las primeras piezas de producción?
- ¿Se puede rediseñar la pieza para paredes de calado y uniformes?
Costes ocultos a incluir
El herramental no es el único coste inicial. Las piezas moldeadas y fundidas generalmente necesitan primero la inspección del artículo y la aprobación de la muestra antes de la producción, el mantenimiento de la herramienta durante la vida útil del programa y, posiblemente, las modificaciones de la herramienta si el diseño cambia. Las piezas mecanizadas tienen sus propios costes de configuración y programación por lote, que son importantes para los pequeños pedidos. Cuéntelos al comparar opciones, no solo el precio de la herramienta y el precio de la pieza.
También vale la pena aclarar de antemano la propiedad y el almacenamiento de herramientas, especialmente para programas de larga duración.
Calidad y consistencia durante una ejecución
La elección del proceso también cambia el aspecto de la calidad. Las piezas mecanizadas se miden característica por característica, y cada lote depende de la configuración y el estado de la herramienta, por lo que las comprobaciones de la primera pieza y en proceso son importantes. Una vez que se aprueba un troquel o molde, las piezas tienden a ser muy repetibles de un disparo a otro, pero el desgaste de la herramienta y la deriva del proceso aún necesitan monitoreo, y las piezas fundidas pueden necesitar controles de porosidad como rayos X en áreas críticas.
Las piezas de plástico moldeado pueden encogerse y deformarse de manera diferente a medida que cambian los ajustes del proceso. El moldeo de producción generalmente bloquea los ajustes del proceso después de la aprobación de la muestra para que las piezas posteriores coincidan con los primeros artículos aprobados.
Sostenibilidad y residuos
El mecanizado convierte una gran parte del stock en virutas, que normalmente se reciclan pero que aún representan material y energía. La fundición y el moldeo producen formas casi netas con menos residuos por pieza, además de corredores y compuertas que a menudo se pueden volver a moler o fundir. A gran volumen, esta eficiencia es parte de por qué los procesos con herramientas ganan.
Resumen
El mecanizado es rápido y flexible, ideal para prototipos, volúmenes bajos y diseños cambiantes. La fundición a presión y el moldeo por inyección cuestan más para comenzar, pero hacen grandes volúmenes a bajo precio. Utilice cantidades realistas, la madurez del diseño y la tolerancia deben elegir, y no dude en comenzar con el mecanizado y cambiar cuando la demanda justifique el utillaje.