Zasady projektowania pod obróbkę skrawaniem – 10 porad

Projekt modelu 3D który planujesz wykonać metodą frezowania CNC może zostać znacząco ulepszony po zastosowaniu zaledwie kilku trików projektowych. Oprogramowanie CAD dostarcza obecnie wiele ułatwień projektantowi modeli 3D, aczkolwiek stworzenie prawidłowego modelu 3D przystosowanego pod jego wytworzenie frezarką CNC ciągle wymaga doświadczenia i znajomości zasad pracy z tego rodzaju maszyną. W tym artykule prezentujemy 10 zasad, których powinien przestrzegać projektant modeli 3D jeśli zależy mu na bezproblemowym wytworzeniu jego projektu na ploterze CNC.

Unikaj projektowania zbyt cienkich ścian

Zasady projektowania modeli 3D pod frezarkę CNC
Zasady projektowania modeli 3D pod frezarkę CNC

Tworzenie modeli 3D z cienkimi ścianami często jest narzucone projektantowi przez wymagania docelowego urządzenia. Wyroby takie jak drony lub samoloty z zasady muszą posiadać niską wagę, co determinuje obniżanie grubości ścian. Praktyka ta nie podnosi kosztów produkcyjnych na frezarce CNC do pewnego momentu. Gdy zostanie on osiągnięty znacząco spada dokładność wymiarowa frezowanych elementów i wydłuża się czas obróbki. Minimalna grubość ściany zależna jest od obrabianego materiału. Przyjmuje się, że im materiał jest twardszy tym cieńszą ściankę można wykonać. Dla przykładu minimalna szerokość ścianki wolnostojącej frezowanej z aluminium nie powinna być mniejsza niż 0.8mm. Dla Tworzyw sztucznych za wartość minimalnej szerokości ściany przyjmuje się 1.5mm

Unikaj kształtów niemożliwych do wykonania metodą frezowania CNC

Nie każdy kształt jest możliwy do wykonania konwencjonalną frezarką CNC. Podczas projektowania elementu zastanów się, czy operacja którą dodałeś do wyrobu jest rzeczywiście niezbędna do jego funkcjonowania. Przeanalizuj czy nie podniesie ona znacząco skomplikowania wykonania wyrobu co przełoży się bezpośrednio na koszt obróbki a może i ją uniemożliwi. Dla przykładu. Frezarka CNC nie wykona otwory przelotowego zmieniającego swój kształt lub posiadającego promień krzywizny. Kształt taki możliwy jest do wykonania obecnie jedynie metodą druku 3D.

Zadbaj o wyznaczenie prawidłowych tolerancji wykonania

Każdy wymiar wykonywany jest w rzeczywistości z określaną w modelu tolerancją. Projektanci często ustawiają jednakową tolerancje dla wszystkich wymiarów w projekcie. Jest to duży błąd, który wpływa na koszt frezowania CNC. Jako projektant modelu 3D powinieneś wyznaczyć krytyczne dla modelu wymiary i dla nich ustalić restrykcyjne wymagania tolerancji. Dla pozostałych wymiarów, jeśli to możliwe ustaw szersze tolerancje lub nie ustalaj ich wcale. W takim przypadku firma realizująca usługę frezowania CNC użyje swoich standardowych parametrów obróbczych.

Skup się na funkcjonalności a nie na aspektach artystycznych

Jak wspomniałem w punktach powyżej. Nie każdy kształt jest możliwy do wykonania na tradycyjnej 3 osiowej maszynie CNC. Przed podjęciem decyzji o realizacji modelu z nastawieniem na jego wygląd przeanalizuj czy jego kształt docelowy nie spowoduje znaczącego wzrostu skomplikowania wykonania. Możliwe, że zaprojektowany kształt będzie wymagał użycia obrabiarki 5 osiowej lub kilku krotnego mocowania materiału. Zastanów się, czy optymalizacja skomplikowanego, artystycznego kształtu nie ułatwi późniejszego procesu obróbki skrawaniem.

Pamiętaj o dostępnych długościach narzędzi

Możesz zoptymalizować swój projekt 3D biorąc pod uwagę możliwości technologiczne wynikające z maksymalnych długości frezów.  Jako zasadę przyjmij, że dany frez jest wstanie wykonać obróbkę na głębokość do 6 razy jego średnicy. Frezem o średnicy 3mm będziesz wstanie zejść na głębokość 18mm. Frezem 6mm dojdziesz do 36mm. Oczywiście jeśli zaprojektujesz kieszeń przekraczającą tą zasadę firma realizująca zlecenie pewnie wykona zadaną obróbkę ale do jej realizacji będzie musiała użyć niestandardowego, trudno dostępnego narzędzia. W takim przypadku oprócz wzrostu kosztów powinieneś liczyć się również z dłuższym czasem realizacji.

Dodawaj promienie zaokrągleń do  wewnętrznych kieszeni

Metodą frezowania CNC nie da się wykonać wnętrza mieszeni z ostrymi narożami. Rekomendowane naroże powinno posiadać promień zaokrąglenia równy jednej trzeciej wysokości ścianki. Jeśli kieszeń sięga 10mm głębokości zgodnie z tym założeniem w projekcie modelu 3D powinieneś ustawić promień zaokrąglenia naroży na poziomie 3mm. Metoda dostosowania promienia zaokrąglenia do głębokości kieszeni nie jest jednak jedyną którą powinieneś stosować przy tego typu obróbce. Drugą zależnością którą musisz wziąć pod uwagę jest minimalny promień zaokrąglenia kieszeni wynikający ze średnicy narzędzia używanego do obróbki. W tym przypadku kieruj się zasadą, że minimalny promień zaokrąglenia wynosi 0.65 jego średnicy. Używając tych założeń możesz obliczyć, że dla freza o średnicy 6mm możesz bez większych przeszkód wykonać kieszeń z promieniem 4mm.

Ogranicz długość gwintów

Powszechnie znana w świcie inżynierów jest zasada, że większość siły oddziaływania gwintu zapewniana jest w ciągu kilku pierwszych zwojów. Dlatego bardzo długie gwintowane otwory są często niepotrzebne. Podczas tworzenia modeli 3D staraj się zoptymalizować długości gwintów. Kieruj się zasadą trzech średnic. Czyli twórz gwint na głębokość trzykrotnej średnicy otworu.

Unikaj tworzenia zbyt małych detali

Nie każda maszyna CNC jest przystosowana do  używania mikrowierteł o średnicach zbliżonych do 1mm. Nawet jeśli maszyna posiada możliwość obróbki tak małymi narzędziami nie jest to operacja łatwa do przeprowadzenia. Frezy o średnicy około 1mm wymagają bardzo dużej ostrożności w doborze parametrów obróbczych. Operator maszyny CNC musi wykazać się dużym doświadczeniem przy generacji ścieżki narzędzia, wystarczy jeden moment w którym opór materiału wzrośnie i to może doprowadzić do uszkodzenia delikatnego freza.

Twórz otwory o standardowych średnicach

Otwory o standardowych wymiarach mogą zostać wykonane za pomocą wiercenia. To oszczędza czas obróbki i jej koszt. Jeśli zaprojektujesz otwór o niestandardowej średnicy operator będzie musiał go frezować zamiast użyć operacji wiercenia. Dodatkowo w temacie otworów warto jest też maksymalnie ujednolicić średnice otworów w modelu gdzie to możliwe. Zaoszczędzi to czas wymagany na zmianę narzędzia.

Nie frezuj liter i napisów

Projekt 3D który zakłada frezowanie liter i napisów nie jest zoptymalizowany pod kontem jego wykonania na frezarce CNC. Napisy wymagają użycia narzędzia do grawerowania, którego użycie wymaga wolnych posuwów i uniemożliwia głęboką obróbkę. Dużo lepszym sposobem jest wykonanie dodatkowej naklejki lub namalowanie napisów farbą.