Calcolo dei costi di lavorazione CNC: una guida completa

La lavorazione a controllo numerico computerizzato (CNC) è una pietra miliare della produzione moderna, che offre precisione e ripetibilità senza pari. Tuttavia, per molti ingegneri, progettisti di prodotti e professionisti degli approvvigionamenti, la determinazione dei prezzi rimane una "scatola opaca". Comprendere come un'officina meccanica arriva a un preventivo finale è essenziale per la gestione dei budget e l'ottimizzazione dei progetti per l'efficacia dei costi.

Il costo della lavorazione CNC non è una singola tariffa fissa; è un composito di diverse variabili che vanno dai prezzi delle materie prime alla svalutazione oraria di apparecchiature da milioni di dollari. Questa guida fornisce una ripartizione completa dei fattori coinvolti nel calcolo dei costi di lavorazione CNC e offre strategie pratiche per ridurre le spese di produzione.

La formula fondamentale dei costi

Sebbene ogni officina abbia il proprio software di preventivazione proprietario, il settore segue generalmente un quadro matematico standard per determinare il costo totale di un progetto:

Costo totale = (Costo del materiale) + (Costo di configurazione) + (Tempo di lavorazione × Tariffa oraria della macchina) + (Post-elaborazione e finitura) + (Logistica e spese generali)

Per trovare il Costo per unità, è sufficiente dividere il costo totale per il numero di pezzi nel lotto. Questo evidenzia una regola fondamentale nella lavorazione CNC: all'aumentare della quantità, il costo per unità diminuisce in modo significativo perché i costi fissi (come la configurazione e la programmazione) vengono ammortizzati su un numero maggiore di pezzi.

1. Costi delle materie prime

Il materiale è spesso il primo e più visibile fattore di costo. Viene calcolato in base al volume del grezzo richiesto, non solo al volume del pezzo finale. Poiché la lavorazione CNC è un processo sottrattivo, si paga il materiale che si "scarta" sotto forma di trucioli.

• Dimensione del grezzo: Se il tuo pezzo è largo $52text{ mm}$, l'officina deve acquistare $55text{ mm}$ o $60text{ mm}$ di grezzo. Ridurre al minimo l'"inviluppo" del tuo pezzo per adattarlo alle dimensioni standard del grezzo può far risparmiare il 10-20% sui costi dei materiali.

• Scelta del materiale: I prezzi variano notevolmente. L'alluminio 6061 è lo standard del settore per il suo basso costo e l'elevata lavorabilità. Al contrario, l'acciaio inossidabile 316 o il titanio grado 5 possono costare da 5 a 10 volte di più a causa del prezzo della materia prima e della difficoltà di taglio.

• Lavorabilità: Questo è un costo materiale nascosto. I materiali più duri richiedono più tempo per essere tagliati e rompono gli utensili più frequentemente. Un pezzo in titanio avrà un "costo del tempo macchina" più elevato rispetto allo stesso pezzo in ottone, anche se i prezzi delle materie prime fossero gli stessi.

2. Costi di configurazione e programmazione

Prima che venga tagliato il primo truciolo, si verifica una quantità significativa di lavoro. Questo è il motivo per cui un singolo prototipo può costare $200, mentre 100 pezzi dello stesso pezzo potrebbero costare $15 ciascuno.

• Programmazione CAM: Un ingegnere di produzione deve utilizzare un software di produzione assistita da computer (CAM) per creare "percorsi utensile", ovvero le istruzioni digitali per la macchina. Geometrie complesse con contorni 3D richiedono molto più tempo per essere programmate rispetto a semplici forme 2D.

• Configurazione della macchina: Ciò comporta il caricamento fisico degli utensili nel cambiatore, l'installazione del sistema di bloccaggio (morsetti, dispositivi o dime personalizzate) e la "toccata" degli utensili per impostare le loro posizioni.

• Fissaggio: Se il tuo pezzo ha una forma strana che non può essere tenuta in un morsetto standard, l'officina potrebbe aver bisogno di lavorare una "morsa morbida" o un dispositivo personalizzato. Il costo per la realizzazione di questo dispositivo viene solitamente addebitato al cliente al primo ordine.

3. Tempo di lavorazione e tariffe orarie della macchina

Il tempo di lavorazione è il principale fattore di costo nelle serie di produzione. Le officine addebitano una tariffa oraria in base alla complessità e al costo della macchina utilizzata.

• Fresatura a 3 assi: Queste sono le macchine più comuni. Le tariffe variano tipicamente da $40 a $70 all'ora. Sono ideali per parti con caratteristiche su uno o due lati.

• Fresatura a 5 assi: Queste macchine avanzate possono spostare il pezzo e l'utensile in cinque direzioni contemporaneamente. Sebbene possano creare forme incredibilmente complesse in un'unica configurazione, le macchine stesse costano significativamente di più. Le tariffe orarie per il lavoro a 5 assi variano spesso da $75 a $150 all'ora.

• Torni (tornitura): Generalmente più economici per parti cilindriche, con tariffe intorno a $35 a $60 all'ora.

Il tempo totale di lavorazione è influenzato dal "tempo ciclo", ovvero i minuti e i secondi in cui il mandrino sta effettivamente girando. Velocità del mandrino più elevate e velocità di avanzamento più elevate riducono questo tempo, ma richiedono percorsi utensile ottimizzati e utensili di alta qualità.

4. Complessità e tolleranze

Il modo in cui progetti il tuo pezzo determina quanto tempo la macchina deve lavorare.

• Tolleranze: Una tolleranza standard di $pm 0.125text{ mm}$ è facile da ottenere. Tuttavia, se richiedi una tolleranza "stretta" di $pm 0.01text{ mm}$ o inferiore, l'operatore deve rallentare la macchina, utilizzare apparecchiature di misurazione specializzate ed eseguire ispezioni più frequenti. Questo può raddoppiare o triplicare il tempo di lavorazione.

• Profondità della tasca: Le tasche profonde e strette sono nemiche della lavorazione a basso costo. Richiedono utensili lunghi e sottili che sono soggetti a vibrazioni (vibrazioni). Per evitare di rompere l'utensile, l'operatore deve eseguire tagli molto superficiali, il che aumenta il tempo ciclo.

• Raggi interni: Poiché gli utensili di fresatura CNC sono rotondi, non possono tagliare un angolo interno a 90 gradi perfettamente affilato. Se il tuo progetto richiede un angolo acuto, l'officina potrebbe dover utilizzare la lavorazione a scarica elettrica (EDM), che è un processo secondario costoso.

5. Post-elaborazione e finitura

Una volta che il pezzo esce dalla macchina, è "lavorato". A seconda dell'applicazione, potrebbe essere necessario un ulteriore trattamento.

• Finiture standard: La sbavatura (rimozione dei bordi taglienti) e la sabbiatura (creazione di una trama opaca) sono relativamente economiche.

• Anodizzazione e placcatura: Questi forniscono resistenza alla corrosione o colore. La maggior parte delle officine esternalizza questo servizio a strutture specializzate. Pagherai il servizio più una commissione di gestione dall'officina meccanica.

• Trattamento termico: Se il pezzo deve essere temprato (comune per utensili in acciaio o componenti aerospaziali), ciò aggiunge costi e tempi di consegna significativi.

Come ridurre i costi di lavorazione CNC

Se scopri che i tuoi preventivi stanno superando il budget, considera questi tre suggerimenti "Design for Manufacturability" (DFM):

Aumentare i raggi interni

Invece di specificare un raggio di $3text{ mm}$ per un angolo interno, aumentalo a $4text{ mm}$. Ciò consente a un utensile da $6text{ mm}$ di navigare nell'angolo senza rallentare in modo significativo, riducendo il carico dell'utensile e il tempo ciclo.

Limitare i requisiti di tolleranza

Applica tolleranze strette solo alle superfici che ne hanno effettivamente bisogno (ad esempio, dove si adatta un cuscinetto). Per il resto del pezzo, usa una "tolleranza generale". Ciò consente all'officina di eseguire quelle sezioni del pezzo alla massima velocità.

Consolidare le configurazioni

Ogni volta che un operatore deve fermare la macchina, aprire la porta e capovolgere il pezzo per lavorare un nuovo lato, ciò aggiunge costi. Progetta il tuo pezzo in modo che il maggior numero possibile di caratteristiche possa essere raggiunto da una singola direzione.

Conclusione

Il calcolo dei costi di lavorazione CNC è un esercizio di bilanciamento dei requisiti di progettazione con i vincoli di produzione. Comprendendo che il tempo macchina e la configurazione sono le tue spese maggiori, puoi fare scelte di progettazione più intelligenti che portano a prezzi più bassi senza sacrificare la qualità.