Design para Fabricação: Um Guia Prático de DFM para CNC

Design para Fabricação (DFM) é uma prática de engenharia que envolve a otimização do design de um produto para torná-lo mais fácil, rápido e econômico de produzir. Quando aplicado à usinagem por Controle Numérico Computadorizado (CNC), o DFM se concentra em ajustar a geometria da peça, a seleção do material e as tolerâncias para aproveitar as capacidades de fresadoras CNC, tornos e outros equipamentos, minimizando o tempo de máquina, o desgaste da ferramenta e o desperdício. A implementação de uma forte estratégia de DFM para CNC é fundamental para preencher a lacuna entre a intenção do projeto e a realidade da fabricação, garantindo, em última análise, um produto final de alta qualidade e econômico.

O objetivo principal do DFM para CNC é reduzir o custo e o tempo geral de fabricação sem comprometer o desempenho ou os requisitos estéticos do produto. Isso envolve um relacionamento colaborativo entre o engenheiro de projeto e o engenheiro de fabricação da oficina mecânica. A colaboração inicial é fundamental, pois as decisões tomadas nas fases iniciais do projeto - quando o custo das alterações é menor - têm o impacto mais significativo nos custos finais de produção.

Uma das considerações de DFM mais imediatas e impactantes é minimizar o tempo de configuração e as operações. Toda vez que uma peça precisa ser removida, reorientada e fixada novamente na máquina (um processo conhecido como operação ou configuração), o tempo é perdido e o risco de erro posicional aumenta. Os engenheiros devem se esforçar para projetar peças que possam ser usinadas no menor número possível de configurações, idealmente em uma ou duas. Isso pode ser alcançado concentrando os recursos em uma ou duas faces principais e garantindo espaço livre suficiente para que as ferramentas padrão acessem todos os recursos a partir dessas orientações. Se uma peça exigir usinagem em cinco faces, o custo será exponencialmente maior do que uma peça semelhante que exija apenas duas configurações.

Em seguida, a atenção deve ser dada à geometria dos recursos e acessibilidade das ferramentas. As ferramentas CNC padrão são cilíndricas, o que significa que produzem raios nos cantos de recursos internos, como rebaixos ou ranhuras. Projetar cantos internos com o maior raio aceitável é um princípio de DFM simples, mas poderoso. Raios internos pequenos e afiados exigem ferramentas de diâmetro pequeno e frágeis, que devem funcionar em velocidades mais lentas, levando a tempos de ciclo mais longos e alto risco de quebra da ferramenta. Uma boa regra geral é especificar um raio interno que seja pelo menos um terço da profundidade do rebaixo. Além disso, recursos como ranhuras profundas e estreitas ou furos cegos devem ser evitados. Rebaixos profundos, especialmente aqueles com uma relação de aspecto (profundidade para largura) maior que 4:1, exigem ferramentas de comprimento personalizado, evacuação agressiva de cavacos e velocidades de usinagem mais lentas, aumentando drasticamente os custos. Se um recurso profundo for necessário, considere projetá-lo como dois recursos separados e menores que podem ser unidos posteriormente ou ajustar o projeto para ser acessível de ambas as extremidades.

Tolerâncias e acabamento superficial são frequentemente superespecificados, levando a despesas de fabricação desnecessárias. Tolerâncias apertadas (≤ ± 0,001 polegadas ou menos) exigem ambientes com temperatura controlada, equipamentos de inspeção especializados, operadores altamente qualificados e usinagem significativamente mais lenta para garantir a precisão. Os projetistas devem aplicar tolerâncias apertadas apenas a recursos críticos que impactam diretamente as interfaces de função ou montagem, confiando em tolerâncias padrão ou gerais para todas as outras dimensões. Da mesma forma, exigir um acabamento superficial liso (por exemplo, $32$ Ra ou melhor) aumenta o tempo de usinagem, pois exige várias passagens de acabamento leves com ferramentas específicas. Se a função de um recurso não exigir um acabamento semelhante a um espelho, uma superfície fresada padrão deve ser especificada.

A seleção do material é uma escolha fundamental de DFM. Embora as propriedades mecânicas necessárias (resistência, resistência à corrosão, etc.) restrinjam as opções, a usinabilidade do material escolhido tem um impacto direto no custo. Materiais usináveis, como Alumínio 6061, Aço C1018 e Latão, são normalmente mais fáceis e rápidos de cortar do que materiais difíceis, como Aços Inoxidáveis da série 300 (especialmente 303 vs. 304), Inconel ou Titânio. A usinagem de materiais difíceis leva a uma vida útil mais curta da ferramenta, velocidades de corte mais lentas e custos de material mais altos, todos contribuindo para um custo total da peça mais alto. Quando as propriedades do material permitem, mudar para uma liga de usinagem mais livre pode economizar tempo e dinheiro significativos de produção.

Outra consideração crítica é fixação e fixação da peça. A oficina mecânica deve ser capaz de segurar com segurança a peça bruta durante o processo de usinagem sem obstruir o caminho da ferramenta de corte. Os projetistas devem incorporar áreas de fixação planas, paralelas e de fácil acesso no projeto, mesmo que sejam recursos temporários (como abas ou material sacrificial) que são removidos durante uma operação de acabamento final ou pós-usinagem. Projetos que são finos, frágeis ou têm formas complexas e não uniformes são difíceis de fixar com segurança, levando à vibração (tremor), acabamento superficial ruim e possível movimento ou dano da peça.

Finalmente, incorporar recursos padrão simplifica o processo de fabricação. Recursos como tamanhos de rosca padrão (por exemplo, roscas Unified National ou Métricas) permitem que a oficina mecânica use machos e fresas de rosca prontos para uso. Formas de rosca não padrão ou proprietárias exigem ferramentas personalizadas e caras e geralmente envolvem ciclos de rosqueamento mais lentos. Da mesma forma, usar tamanhos de broca padrão e manter as profundidades dos furos dentro de limites razoáveis são práticas simples de DFM que reduzem a complexidade e o custo.

Em resumo, um guia prático de DFM para CNC incentiva os projetistas a pensar como fabricantes. Ao minimizar as configurações, aumentar os raios internos, aplicar tolerâncias com critério, selecionar materiais usináveis, garantir uma fixação fácil e utilizar recursos padrão, os engenheiros podem reduzir drasticamente os custos de fabricação, encurtar os prazos de entrega e entregar um produto melhor. A chave é comunicar cedo e com frequência com a equipe de fabricação para garantir que o projeto seja otimizado para a realidade da oficina mecânica CNC.