Cómo diseñar piezas fresadas por CNC para la fabricación a medida: Pasos clave para reducir costes

El fresado CNC para fabricación a medida es el más versátil de los métodos mencionados; sin embargo, un posible problema que puede surgir durante la producción son las limitaciones de presupuesto y tiempo, que podrían excederse debido a que los clientes podrían no estar preparados para la producción. Quizás tengan diseños complejos.

Esto se debe a la divergencia entre diseño y producción. En la producción a medida y el mecanizado CNC , es posible que el profesional del diseño desconozca el proceso requerido en la producción a medida. No podrá comprender los matices de esta última, como la accesibilidad de las herramientas, las dificultades de configuración o las operaciones secundarias. Por lo tanto, el proceso de revisión habitual carecerá de la información necesaria para la optimización.

Fresado CNC a medida: La guía de referencia completa

¿Por qué confiar en esta guía? Experiencia práctica de expertos de LS Manufacturing.

Si bien es cierto que existen numerosos escritos sobre el fresado CNC , muy pocos están redactados por personas que participan activamente en este oficio. Este manual no surge de un entorno idealizado, sino del mundo real, del taller mismo, donde la precisión es un concepto fundamental e innegociable. Este conocimiento se ha desarrollado a partir de la experiencia de trabajar con aleaciones resistentes, geometrías complejas y la propia filosofía de la perfección.

La clave del éxito de nuestra empresa reside en la correcta implementación de nuestros procesos. Durante la última década, hemos fabricado más de 50 000 piezas mecanizadas por CNC a medida. Y lo que es aún más importante, cada una de estas piezas, ya sea un componente de un equipo médico utilizado para salvar vidas o un elemento de fijación aeroespacial sometido a un esfuerzo considerable, nos ha brindado una valiosa experiencia práctica. Hemos seguido rigurosamente las directrices de ASTM International .

El conocimiento actual es el que aplicamos en nuestras operaciones diarias de fabricación. Sabemos qué se debe saber, las velocidades y los avances que funcionan bien al trabajar con el acero inoxidable 316L, así como los procedimientos que se deben seguir para garantizar un acabado perfecto según lo exige la Asociación Nacional para el Acabado de Superficies (NASF) .

Figura 1: Diseño de piezas para fresado CNC multieje explicado por LSManufacturing

¿Qué factores de diseño tienen el mayor impacto en los costes del fresado CNC?

Conocer los factores de costo del fresado CNC es clave para implementar con éxito grandes reducciones de precio. Si bien el precio final es una cifra única, es la suma de diversas variables interrelacionadas. Un análisis adecuado del costo del mecanizado es fundamental para comprender dónde se pueden realizar las mayores reducciones: no en la línea de producción, sino en las primeras etapas del diseño, mucho antes de que la primera herramienta de corte toque el metal. Las principales fuerzas que impulsan los costos en el control de costos de fabricación son:

• Tiempo de ciclo (utilización de la máquina): Este suele ser el componente de costo más importante. Cada minuto que una pieza permanece en la máquina genera costos. Entre los factores que aumentan el tiempo de ciclo se incluyen contornos 3D complejos, la remoción excesiva de material y tolerancias innecesariamente estrictas que requieren pasadas de mecanizado más lentas y precisas.
• Geometría y complejidad de las piezas: En cualquier caso, la complejidad es un ámbito donde las consideraciones de coste también son un factor importante. Se necesitarían máquinas complejas con tiempos de procesamiento más prolongados al trabajar con geometrías que incluyan cavidades profundas con radios de esquina agudos, paredes que podrían vibrar y geometrías dentro de esas cavidades que requieran una extensión profunda.
• Selección de materiales y desperdicio: Como se mencionó anteriormente, además del costo de seleccionar un material, otro factor que influye es el costo de mecanizado. Por ejemplo, el uso de materiales robustos como el titanio implica un mecanizado intenso y, por lo tanto, tiempos de ciclo más prolongados. Además, en lugar de aprovechar el 80 % del material a partir de una pieza sólida, se desperdiciaría en el diseño de un artículo que requiera un 80 % de material casi sin procesar.
• Tolerancias y acabados superficiales: Las tolerancias que superan el valor funcional requerido incrementan el costo casi a la mitad. Esto se debe a que, en lugar de una tolerancia de ±0,1 mm , se requiere ±0,025 mm , lo que multiplica por diez el costo. Además, si una superficie que no necesita pulido requiere pulido o rectificado, el proceso será mucho más largo.

En resumen, un control eficaz de los costes de fabricación comienza con un diseño inteligente. Al centrarse en el diseño para la fabricación, se influye directamente en los factores clave del coste del fresado CNC . Un análisis de costes de mecanizado bien ejecutado, que considere el tiempo de ciclo, la complejidad y las especificaciones desde el principio, es la herramienta más eficaz para diseñar piezas fresadas por CNC que sean a la vez de alta calidad y rentables.

¿Cómo lograr el mejor equilibrio entre costo y rendimiento mediante la selección de materiales?

Para lograr un equilibrio óptimo entre costo y rendimiento en los procesos de mecanizado CNC , es fundamental comenzar con una optimización inteligente de la selección de materiales . No siempre se puede elegir el material con las mejores propiedades; debe ser aquel que mejor se adapte al requisito funcional, de manera óptima, para minimizar el costo del proyecto.

En conclusión, el diseño más eficaz de piezas para fresado CNC considera la facilidad de fabricación desde el principio. Al colaborar con su socio de fabricación durante la fase de diseño, puede evaluar alternativas, como el uso de un acero pretemplado en lugar de un acero más blando sometido a tratamiento térmico, para identificar las soluciones de materiales más económicas que ofrezcan el rendimiento necesario, logrando así el equilibrio ideal entre coste y rendimiento .

Figura 2: Principios clave de diseño para componentes fresados ​​CNC personalizados y económicos de LS Manufacturing

¿Qué tipo de diseño estructural puede reducir eficazmente el tiempo de procesamiento?

En realidad, los diseños estructurales optimizados a nivel estratégico representan una de las formas más eficientes de lograr la reducción del tiempo de mecanizado y del coste de producción. En este contexto, el papel de los ingenieros en el diseño de componentes, considerando su capacidad de fabricación, se centra en reducir la complejidad para obtener soluciones de mecanizado eficientes .

Un diseño estructural optimizado, que prioriza la simplicidad y la estandarización, es la base de soluciones de mecanizado eficientes . Se podría argumentar que este enfoque proactivo garantiza que cada aspecto de su proyecto de fresado CNC personalizado no solo cumpla con un objetivo específico, sino que también tenga un valor intrínseco en términos de rapidez y rentabilidad.

¿Cómo influye el diseño de tolerancias en los costes y la calidad del mecanizado?

La optimización del diseño de tolerancias es fundamental para controlar la calidad y el costo en la fabricación. Si bien el fresado de precisión es de suma importancia, cada paso adicional implica un costo muy elevado. Para lograr un equilibrio entre precisión y costo, es necesario determinar dónde la precisión se especifica funcionalmente, dónde se especifica convencionalmente y dónde se requiere funcionalmente. El impacto de una estrategia de ajuste de tolerancias adecuada puede ser profundo tanto en términos de calidad como de costo.

Costo exponencial de niveles de tolerancia más altos

El coste no será el mismo si el nivel de tolerancia es de ±0,025 mm o ±0,1 mm . El coste aumentaría exponencialmente si los niveles de tolerancia son pequeños, ya que las máquinas funcionarán a velocidades más bajas con el uso de equipos especializados e incluso mediciones con máquinas de medición por coordenadas (CMM) .

Proceso de mecanizado y tiempo de ciclo

En este escenario, los maquinistas podrían encontrarse en una situación en la que, de acuerdo con el límite de tolerancia, deban confiar en condiciones de mecanizado seguras para cumplir con este requisito específico sin ninguna variación. En este caso, considerando el tiempo de ciclo del producto mecanizado resultante, los efectos son significativos y generan costos adicionales, como se indica a continuación. Resulta paradójico que, además de contribuir a este costo, el porcentaje de desperdicio aumente debido a las variaciones en el estricto límite de aceptabilidad.

La función prima sobre la forma.

Al definir las tolerancias, también se debe tener en cuenta la función que desempeña la pieza. Las zonas de contacto crítico requieren tolerancias estrictas, mientras que las zonas que necesitan dimensiones desde un punto de vista estético y no funcional pueden utilizar tolerancias estándar, lo que, en efecto , reduce los costes de fresado CNC .

En conclusión, un enfoque inteligente para la optimización del diseño de tolerancias no consiste en minimizar la precisión, sino en aplicarla estratégicamente. Al realizar un análisis funcional para definir una configuración de tolerancia razonable para cada característica, los fabricantes pueden lograr el equilibrio necesario entre precisión y costo , garantizando el rendimiento de las piezas a la vez que trabajan activamente para reducir los costos de fresado CNC y optimizar la producción.

Figura 3: Comparación del fresado convencional y el fresado en ascenso en los métodos de producción CNC por LS Manufacturing

¿Cómo reducir los costes de fabricación mediante un diseño estandarizado?

La estandarización del diseño es una estrategia eficaz, aunque a menudo subestimada, para la reducción de costos . En el contexto del fresado CNC para la fabricación a medida , la estandarización no limita la creatividad, sino que optimiza la producción al eliminar la variedad innecesaria. El principio fundamental es maximizar la reutilización de elementos de fabricación probados y eficientes. Las ventajas de la estandarización, tanto en términos de costo como de confiabilidad, son significativas.

Menor tiempo y coste de preparación de las herramientas.

Se lograría una estandarización considerable en la cantidad de patrones de herramientas, basándose en el tamaño de los orificios, los radios de las esquinas y los tipos de roscas del taller, que se clasificarían en las categorías definidas anteriormente. Esto reduciría significativamente el tiempo de preparación de las herramientas, ya que es uno de los factores más importantes que dificultan el avance del trabajo. Además, sería posible adquirir herramientas de calidad al por mayor.

Mayor fiabilidad del proceso y de la calidad.

El uso de parámetros estándar permitiría a los operarios contar con velocidades, avances y rendimiento del proceso uniformes. El conocimiento adquirido en este caso facilitaría la eliminación de errores relacionados con la programación. De esta forma, se garantizaría la fiabilidad de la calidad de los productos fabricados.

Simplificación del inventario y las compras

Esta estandarización, a su vez, continúa hasta la etapa de inventario de materias primas, es decir, la simplificación de las materias primas en términos de tamaños de barras y placas para la adquisición simplificada de piezas de ferretería estandarizadas, como tornillos, pasadores, etc.

Minimizar el tiempo de comercialización de nuevos diseños

Los componentes convencionales de los conjuntos de piezas en la biblioteca facilitan el diseño por parte del diseñador. Esto se logra mediante el diseño del componente utilizando bloques de construcción previamente probados. Este procedimiento de diseño reduce el tiempo empleado en esta etapa de producción de prototipos, gracias a un diseño adecuado de las piezas basado en el conocimiento de su procesamiento.

La estandarización del diseño es una estrategia para reducir costos que, además, puede combinarse con instalaciones de fabricación mediante fresado CNC para garantizar la eficiencia. El concepto consiste en aprovechar las ventajas de la estandarización , que incluyen una fabricación rápida, ahorro de costos, precisión y, en definitiva, una empresa de fabricación ágil.

¿Cómo afecta la elección del tratamiento de superficie al coste total?

Tomar decisiones sobre la selección del acabado superficial es un paso fundamental para lograr un diseño de fresado CNC rentable . Estas decisiones son importantes, ya que tienen un impacto directo en la resistencia, la estética y la funcionalidad de una pieza. Sin embargo, conllevan altos costos. Una estrategia de optimización de costos rentable en estas decisiones implica asegurar que el nivel de rendimiento requerido en una pieza se ajuste a su entorno, en lugar de seleccionar el diseño más resistente a menos que su funcionalidad sea esencial. Estas decisiones se toman mediante una comparación clara de los procesos de tratamiento, considerando diversos factores.

Costo de procesamiento vs. Nivel de rendimiento

Si bien los procesos especializados como el granallado y el anodizado general son relativamente menos costosos, resultan bastante efectivos, ya que cumplen su función de proporcionar capas protectoras y acabados pulidos a productos de bajo rendimiento. Los métodos de procesamiento de nivel medio tienen un costo promedio, pero son más duraderos y resistentes. Los métodos de procesamiento altamente especializados, como el niquelado químico y el recubrimiento de PTFE , son muy costosos.

Geometría de la pieza y requisitos de pre-mecanizado

Para los procesos de galvanoplastia, pueden ser necesarios radios de esquina específicos para evitar la formación de charcos de recubrimiento y garantizar un espesor uniforme del recubrimiento superficial. Los requisitos de procesamiento pueden incluir la fabricación de máscaras y valores de microestructura superficial, ambos medidos mediante la rugosidad superficial Ra .

Consecuencias del tiempo de entrega y del tamaño de los lotes

Existen ciertos procesos de producción que requieren un plazo de entrega prolongado, y también puede ser viable subcontratar la fabricación de algunos componentes a terceros, lo que incrementaría dicho plazo en unos días. El elevado coste de la pintura puede estandarizarse, lo que hace que el anodizado sea comparativamente más económico.

Los requisitos funcionales impulsan la selección.

La elección del material requiere la guía de las especificaciones funcionales. ¿Se necesita conductividad eléctrica? En este caso concreto, no sería posible el anodizado. ¿No le afectan ciertos materiales químicos? ¿Se necesita un material con menor fricción superficial? Estas preguntas deben preceder a la sobreespecificación, lo que permite identificar el diseño de fresado CNC más adecuado y rentable .

No sería incorrecto afirmar que la selección de técnicas de acabado superficial , junto con una estrategia eficaz, es fundamental para la optimización de costos . El análisis de necesidades relacionado con las técnicas de acabado superficial permite evitar gastos innecesarios, lo que contribuye a maximizar el valor del producto final.

Figura 4: Comprensión de los procesos de fresado CNC para la producción económica de piezas por LS Manufacturing

¿Cómo realizar un análisis de fabricabilidad durante la fase de diseño?

Un análisis exhaustivo de la fabricabilidad es la medida preventiva más eficaz para garantizar un proceso de producción exitoso y eficiente. Un examen minucioso de la implementación del diseño, mucho antes de su puesta en marcha, es fundamental para eliminar problemas antes de que se produzcan costosos cambios de diseño o retrasos en la línea de producción, y por lo tanto, constituye la base de cualquier iniciativa exitosa para reducir los costos del fresado CNC . Una inspección sistemática de DFM se centra generalmente en varias áreas críticas de la evaluación de riesgos del diseño :

1. Accesibilidad de las herramientas y viabilidad de las características: Esto implica verificar que todas las esquinas internas, cavidades y socavados sean accesibles con herramientas de corte estándar. Las características como ranuras profundas y estrechas o agujeros con una alta relación longitud-diámetro pueden requerir herramientas especiales o ángulos de mecanizado imposibles, lo que aumenta drásticamente el costo y la complejidad.
2. Diseño para una sujeción estable: El análisis evalúa si la geometría de la pieza permite una sujeción segura y repetible durante el mecanizado. Los diseños sin caras paralelas o puntos de montaje adecuados pueden requerir costosos dispositivos de sujeción personalizados, aumentar el tiempo de preparación o provocar el desplazamiento de la pieza y su posterior descarte.
3. Idoneidad del material y la geometría: Esta comprobación evalúa si el material y el diseño elegidos son compatibles. Identifica posibles problemas como paredes excesivamente delgadas que podrían vibrar o deformarse, secciones innecesariamente gruesas que desperdician material y tiempo de mecanizado, o esquinas internas afiladas que crean concentradores de tensión y requieren herramientas más pequeñas y menos robustas.
4. Racionalización de tolerancias y acabados superficiales: Es fundamental analizar todas las tolerancias y acabados superficiales especificados para la viabilidad de fabricación . Esto permite cuestionar las dimensiones especificadas que, si bien son funcionales, resultan demasiado estrictas, ya que representan un coste considerable. Asimismo, permite coordinar los acabados superficiales con los requisitos, en lugar de fabricar la pieza a un coste excesivo con el único fin de obtener un acabado superficial estético.

En resumen, la inspección DFM en su proceso de diseño puede considerarse un enfoque muy proactivo y altamente positivo. Su evaluación de riesgos de diseño puede convertir cualquier obstáculo del proceso de fabricación en una oportunidad optimizada, y su producto final es innovador, altamente funcional, económico de fabricar y producir con costos de fresado CNC muy reducidos .

LS Manufacturing, industria de autopartes: optimización del diseño ligero de soportes de motor

En el caso de éxito de LS Manufacturing , la ingeniería integrada es un ejemplo que ilustra un método para abordar los principales desafíos de la industria automotriz. Entre estos desafíos, destaca un problema surgido con un proveedor de primer nivel de piezas para automóviles, quien solicitó una transformación radical en la optimización de una pieza del motor.

Desafío del cliente

El proceso de fabricación tradicional del soporte del motor actual, así como el que se utilizaba en el vehículo del cliente, implicaba el mecanizado de acero. En este caso, el diseño era excesivamente complejo, ya que el producto final resultaría más pesado, lo que suponía una desventaja para el motor en cuanto a la eficiencia del vehículo. Además, resultaba un derroche, dado el elevado coste del acero.

Solución de fabricación LS

Comenzamos un análisis completo de los procesos de diseño y fabricación ligeros . Sustituimos el material por una aleación de aluminio de mayor resistencia, a partir de la cual partimos. Posteriormente, mediante una herramienta especializada llamada optimización topológica, lo redistribuimos para obtener una forma más optimizada y eficiente, donde se eliminaría material de las regiones no críticas. Finalmente, mediante el mecanizado CNC más rápido de esta forma compleja.

Resultados y valor

En vista de esto, los resultados obtenidos en este proyecto han sido excelentes. Esto se debe a que el componente final pesó un 25 % menos, lo que repercutió positivamente en el consumo de combustible. Más importante aún, al incorporar la reducción de material, el diseño de piezas y técnicas de mecanizado rentables en este proyecto, se logró una reducción del 30 % en el costo de fabricación.

Esto demuestra que se puede generar valor mediante un enfoque sistémico , de modo que la combinación de conceptos de aligeramiento, procesos y conocimiento de los materiales dé como resultado un rendimiento, un coste y una sostenibilidad excepcionales de los componentes. Por lo tanto, el caso de éxito de LS Manufacturing le otorga a la corporación una ventaja competitiva.

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¿Cómo colaborar con los fabricantes para lograr la mejor relación costo-beneficio?

La verdadera optimización de la rentabilidad comienza con la colaboración estratégica con el fabricante . Al asociarse con su proveedor de mecanizado durante la fase de diseño inicial, puede aprovechar su experiencia práctica en fabricación antes de que se finalicen los modelos. Esta participación proactiva genera un valor significativo y es uno de los consejos de diseño de fresado CNC más efectivos. El valor de la participación temprana de su socio de fabricación se manifiesta a través de varios canales clave:

• Retroalimentación proactiva de DFM (Diseño para la Fabricación): Los ingenieros con experiencia directa en mecanizado pueden identificar de inmediato las características que son difíciles, lentas o costosas de producir. Pueden sugerir cambios geométricos menores y no críticos , como ajustar el espesor de la pared o el radio de la esquina , que simplifican drásticamente el mecanizado sin afectar la funcionalidad.
• Abastecimiento alternativo de materiales y procesos: Un socio colaborador puede sugerir materiales más disponibles o más económicos que cumplan con sus especificaciones. También puede asesorarle sobre si una pieza sería más económica como una sola pieza mecanizada por CNC o como un conjunto de componentes más sencillos , equilibrando el costo del mecanizado con la mano de obra de ensamblaje.
• Integración de estrategias de utillaje y fijación: La primera presentación brinda al proveedor la oportunidad de formular una estrategia sobre la mejor manera de implementar una solución de utillaje y fijación . Esta estrategia podría abarcar desde el diseño de dispositivos de sujeción de piezas que reduzcan los tiempos de preparación hasta el diseño de estrategias de cambio que incluyan un posicionador de pestañas para colocar la pieza de forma que facilite el trabajo.
• Previsiones de costes y análisis de riesgos eficaces: Al poder crear un diseño fabricable desde el principio, el fabricante podrá ofrecer previsiones de costes eficaces. De hecho, esto permitirá comprender mejor el presupuesto desde una fase temprana y, sin duda, generará ahorros al evitar cambios costosos en fases posteriores.

Para optimizar la rentabilidad , es necesario que los fabricantes de máquinas CNC sean tratados más como coingenieros que como proveedores. El valor que aportan a su proyecto mediante su participación temprana se alinea con su filosofía de diseño, de modo que su proyecto se fundamenta en una plataforma de fabricación desde los primeros conceptos de diseño. La coingeniería es la clave para la fabricación mediante fresado CNC .

Preguntas frecuentes

1. ¿En qué medida puede la optimización del diseño ayudar a reducir costes, si es que lo hace?

Dada la complejidad del proyecto y el grado de optimización de costes disponible, se puede lograr un ahorro de costes de entre el 20% y el 40% mediante una optimización de diseño razonable.

2. ¿Afectará la optimización del diseño al rendimiento del producto?

Por supuesto, la optimización del diseño profesional es sin duda una mejora apropiada que mantiene la funcionalidad. Realizaremos controles rigurosos para no afectar la funcionalidad.

3. ¿Es necesaria la optimización del diseño en la producción de lotes pequeños?

La optimización del diseño es válida para cualquier número de lotes. En situaciones con un número reducido de lotes, la optimización del diseño permitirá reducir los costos.

4. ¿Cómo abordarías el proceso de realizar un análisis de ROI como parte de la optimización del diseño?

Además, nuestro informe incluye un análisis de costo-beneficio, lo que le permite obtener fácilmente un presupuesto instantáneo para el mecanizado CNC y determinar las inversiones y los retornos óptimos para una mejor toma de decisiones.

5. ¿Qué materiales necesitaría para llevar a cabo el proceso de optimización del diseño?

Se requiere proporcionar los siguientes elementos: modelos 3D, planos 2D y especificaciones técnicas. Esto nos permitirá realizar un análisis completo de la viabilidad de fabricación.

6. ¿Cómo determino la viabilidad de la solución optimizada?

Además, la corrección de nuestra técnica de optimización también se verifica con diversas técnicas como el cálculo de CAE, la creación rápida de prototipos y, finalmente, la producción del prototipo.

7. ¿Existe formación disponible sobre el tema de la optimización del diseño?

Ofrecemos formación personalizada en optimización del diseño a nuestros socios para ayudar a sus equipos a mejorar sus capacidades de diseño y lograr una mejora continua.

8. ¿De qué manera se logra la protección de la propiedad intelectual en el método de optimización?

Nos regimos por estrictos acuerdos de confidencialidad. La propiedad intelectual de nuestras soluciones de optimización le pertenece. Por lo tanto, su ventaja competitiva está garantizada.

Resumen

Mediante la colaboración en la optimización del diseño y la fabricación, es posible reducir los costos de producción y mejorar la calidad de los productos. Gracias a su amplio conocimiento del sector y a su equipo de expertos, la organización ofrece soluciones integrales a sus clientes, desde la consulta inicial hasta la finalización de la fabricación.

Llámenos o contáctenos hoy mismo para recibir un informe gratuito de Diseño para la Fabricación elaborado por nuestros diseñadores expertos en LS Manufacturing, y permítanos ayudarle a examinar y optimizar los diseños desde una perspectiva de costes relacionada con su fabricación.

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Descargo de responsabilidad

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Equipo de fabricación de LS

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