Diseño eficiente de piezas: consejos para reducir costes y mejorar la calidad de las piezas.

Los fallos en el diseño de las piezas plantean serios problemas en la fabricación, el montaje y la funcionalidad. Una pieza diseñada de forma eficiente ahorra mucho tiempo y dinero. En este artículo, explicaremos qué es un diseño de piezas eficiente y le guiaremos para optimizar el diseño de sus piezas para el mecanizado.

¿Por qué es importante un diseño de piezas eficiente en el mecanizado CNC?

El diseño eficiente de las piezas es importante para el mecanizado CNC porque puede mejorar la eficiencia desde los siguientes aspectos:

1. Características de diseño estándar como filete, ranuras de alivio, etc.
2. Características personalizadas fáciles de mecanizar, como agujeros especiales, ranuras, agujeros roscados, etc.
3. No se permite una tolerancia demasiado estricta, como ≤±0.005 mm.

Por lo tanto, un diseño eficiente para el mecanizado puede aumentar la velocidad de procesamiento y reducir los plazos de entrega. Además, un diseño eficiente de las piezas puede disminuir los costos de mecanizado al eliminar características de diseño innecesarias.

¿Cómo lograr un diseño de piezas eficiente?

Lograr un diseño de piezas eficiente es fundamental para garantizar:

• Funcionalidad
• Fabricabilidad
• Rentabilidad

Ayuda a abordar los desafíos desde el principio. Algunos principios clave contribuyen a lograr un diseño de producto eficiente para la fabricación CNC. En general, los fabricantes de CNC proporcionan retroalimentación sobre el diseño de la pieza (revisión DFM) a los clientes, teniendo en cuenta los siguientes factores:

• Funciones alcanzables
• Estrategia de mecanizado ejecutable
• Requisitos de montaje
• Tolerancia razonable

A continuación, podrá optimizar el diseño de sus piezas basándose en la retroalimentación de los proveedores de máquinas CNC. En el siguiente contenido, explicamos por qué y cómo las funciones, las geometrías, las tolerancias y las características de ensamblaje afectan la eficiencia del diseño de piezas.

Diseño orientado a la función

El diseño eficiente de piezas prioriza la funcionalidad sobre la estética. Los detalles estéticos son de valor secundario. Por lo tanto, debe evaluarse la viabilidad de fabricación de todos los elementos de diseño innecesarios. Si su fabricación presenta dificultades, deben eliminarse. Es fundamental cumplir con los requisitos operativos.

Por ejemplo, si desea fabricar una pieza con rosca para su ensamblaje, no debe eliminarla. De hecho, debe confirmar las especificaciones y estándares de las roscas con los fabricantes de máquinas CNC para garantizar la correcta producción de sus piezas.

Optimizar geometría compleja

Los elementos de diseño que son difíciles de mecanizar deben reemplazarse por elementos que sean fácilmente mecanizables. Algunos ejemplos de elementos difíciles de mecanizar son:

• bolsillos profundos
• cavidades estrechas
• esquinas internas afiladas
• socavaciones

Solo deben incluirse en el CAD si son absolutamente imprescindibles. Las características de diseño deben facilitar el acceso a las herramientas y ser fabricables con un mínimo de operaciones de mecanizado. Las iteraciones de diseño deben centrarse en la simplificación. Como regla general, las geometrías más simples pero funcionales resultan más eficientes en el diseño.

Optimizar la tolerancia

Una tolerancia demasiado amplia o demasiado estricta puede afectar el ensamblaje de las piezas. Una tolerancia demasiado amplia puede reducir los costos, mientras que una tolerancia estricta puede aumentarlos. Debe adoptarse la tolerancia máxima razonable que garantice la funcionalidad.

Optimizar el diseño del ensamblaje

Un diseño de piezas eficiente debe facilitar el ensamblaje de los componentes. Idealmente, los componentes deberían ser autoalineables y contar con guías de alineación. Si se integran varios componentes en uno solo, se ahorrará tiempo de ensamblaje y se evitará la acumulación de tolerancias. Los diseños simétricos son más fáciles de ajustar que los asimétricos. Los orificios y ranuras deben estar estandarizados; los orificios no estándar requieren herramientas personalizadas.

¿Cómo diseñar piezas en función de los requisitos funcionales?

El cumplimiento de la función prevista es el requisito fundamental para un diseño de pieza eficiente. Un buen diseñador debe considerar el diseño desde todas las perspectivas. La pieza debe ser completamente funcional en las condiciones de operación previstas. Para lograrlo, es necesario un diseño CAD y una lista de materiales (BOM) bien elaborados. Esto contribuye a generar un diseño eficiente para la fabricación.

Identificar las funciones clave

Un diseño de pieza eficiente abarca todos los aspectos de su funcionalidad. Una pieza puede requerir la transmisión de movimiento, el sellado de fluidos o el mantenimiento de la alineación. Sea cual sea su función, los diseños de fabricación deben contemplar las funciones clave. Además de mantener la funcionalidad, un diseño de pieza eficiente debe eliminar todos los elementos de diseño innecesarios.

Considere el entorno operativo

Considerar el entorno operativo es otro aspecto importante. Incluso si el diseño contempla las funciones clave, ignorar las condiciones ambientales inutilizaría las piezas. Por ejemplo, una pieza diseñada sin los márgenes de dilatación térmica adecuados podría fallar por encima de cierta temperatura. Otro ejemplo sería una herramienta sin recubrimiento sometida a una abrasión intensa. Si tuviera un recubrimiento resistente, podría soportar el entorno. Existen muchos más ejemplos. La clave para lograr un diseño de pieza eficiente reside en la habilidad del diseñador.

Seleccione materiales adecuados

En ocasiones, las propiedades de un material desempeñan un papel más crucial que cualquier otro factor. Por ejemplo, el titanio, con su excelente relación resistencia-peso, es un material muy apreciado en la industria aeroespacial. Si se utilizara acero en su lugar, su alta densidad podría comprometer el diseño aerodinámico general. En otro caso, si una barra conductora de cobre, de alta conductividad, se sustituye por un material de menor calidad como el acero inoxidable, podría perder su función principal. Por lo tanto, la selección de materiales adecuados es tan importante como la funcionalidad.

¿Cómo optimizar la geometría compleja en el diseño de piezas?

Las geometrías complejas sin valor funcional son indeseables en el diseño eficiente de piezas. El diseño de productos para la fabricación CNC debe estar bien optimizado. Deben eliminarse las características innecesarias que dificultan el manejo de las máquinas.

Simplifica combinando piezas.

El diseño de piezas integradas suele ser más eficiente que el de piezas separadas. Reduce las operaciones de ensamblaje, los requisitos de fijación y la acumulación de tolerancias.

Eliminar funciones innecesarias

Deben minimizarse todas las características innecesarias que no tengan valor funcional. Se debe dar prioridad a las características funcionales. En ocasiones, algunas características estéticas, como ranuras, grabados o superficies curvas, dificultan considerablemente el mecanizado.

Aquí tienes un ejemplo:

En el caso práctico de Tuofa, nuestro cliente quería fabricar una pieza con superficies curvas irregulares, lo que podría haber supuesto un tiempo de producción prolongado. Sin embargo, el cliente deseaba reducir el plazo de entrega. Por lo tanto, le recomendamos simplificar la superficie. El cliente aceptó el cambio y se redujo el tiempo de mecanizado sin comprometer las funcionalidades.

Evite las características difíciles de mecanizar.

Se busca la simplificación del diseño para lograr un diseño de piezas eficiente. Si existen alternativas, se deben eliminar las características difíciles de mecanizar. Las cavidades estrechas, las esquinas internas afiladas, los socavados, las paredes delgadas y los orificios pequeños deben sustituirse por características mecanizables.

Aquí tienes un ejemplo típico:

Siempre se deben evitar las esquinas afiladas, ya que son difíciles de mecanizar. El fresado CNC utiliza herramientas rotativas, por lo que las esquinas mecanizadas tienden a redondearse. Si una esquina afilada puede afectar las funciones de las piezas, es preferible mecanizarla mediante electroerosión (EDM).

¿Cómo optimizar las tolerancias para reducir costes?

Además de otras áreas clave para la reducción de costos, la optimización de tolerancias también es un aspecto importante. Los ingenieros optimizan las tolerancias para lograr un diseño de piezas eficiente . Esto no solo reduce los costos, sino que también acorta los plazos de entrega.

Aplique tolerancias estrictas únicamente a las características críticas.

Mantener tolerancias estrictas suele ser laborioso. Pueden requerir operaciones de mecanizado adicionales, procesos de acabado y controles de inspección. Por lo tanto, aplicar tolerancias estrictas a características no críticas aumentaría inadvertidamente los costos, los plazos de entrega y las tasas de rechazo. Si se especifican tolerancias estrictas solo para características críticas, los fabricantes pueden centrarse principalmente en esas áreas críticas. Algunos ejemplos de áreas críticas incluyen:

• asientos de cojinetes
• superficies de contacto
• áreas de sellado
• agujeros de alineación

Evite tolerancias que superen la capacidad de fabricación.

Al especificar las tolerancias, es fundamental comprender bien las capacidades de fabricación. Las tolerancias que superan estas capacidades plantean serios desafíos para la producción. Pueden requerir procesos avanzados, inspecciones adicionales y un control de procesos riguroso. Aun así, la tasa de rechazo sería superior a la esperada. Todo esto resulta costoso.

Considere la acumulación de tolerancias en el ensamblaje.

En algunos casos, las variaciones dimensionales superan el límite de tolerancia, incluso si el fabricante suministra piezas que cumplen con dicho límite. Esto se debe a la acumulación de variaciones dimensionales durante el ensamblaje. Un diseño de piezas eficiente tiene en cuenta este problema. Los diseñadores pueden simplificar los diseños o integrar componentes para mitigarlo.

¿Cómo diseñar piezas para facilitar el montaje?

El diseño eficiente de las piezas facilita el ensamblaje. Se centra en minimizar los errores de ensamblaje y el ajuste incorrecto. El diseño CAD incluye características que contribuyen a este objetivo. El diseño multifuncional de las piezas, la inclusión de elementos de autoalineación y la adopción del sistema poka yoke simplifican el ensamblaje.

Minimizar el número de piezas

Cuantas menos piezas haya, menores serán las probabilidades de errores de montaje. Un diseño de piezas eficiente se centra en reducir su número. Menos piezas significan menos manipulación, una gestión de inventario más sencilla, una logística simplificada y tiempos de montaje más cortos. Este diseño eficiente se logra mediante la creación de piezas integradas y multifuncionales.

Utilice las funciones de autolocalización.

Las funciones de autoposicionamiento minimizan los ajustes manuales durante el montaje. Las piezas se ajustan en la ubicación prevista. Algunas funciones de autoposicionamiento comunes incluyen:

• Guías
• pines de alineación
• bordes biselados
• chaflanes
• ranuras
• carriles guía
• características entrelazadas.

Diseño para Poka-Yoke

Poka Yoke es una estrategia de prevención de errores que se centra en minimizar los errores humanos durante la instalación. Los errores comunes incluyen la instalación al revés, el posicionamiento incorrecto o la falta de componentes. El diseño eficiente de las piezas Poka Yoke incluye características que previenen errores. Por ejemplo, los patrones de orificios asimétricos evitan la orientación incorrecta de los componentes de ajuste. Las interfaces codificadas por colores coinciden con las superficies de acoplamiento correctas. El ensamblaje unidireccional evita la instalación al revés. Existen muchas otras estrategias similares.

Errores comunes en el diseño de piezas

Algunos errores de diseño pueden aparecer incluso tras una cuidadosa revisión. Estos errores son comunes y recurrentes. Es recomendable detectarlos durante el diseño, ya que incluso los más pequeños pueden afectar drásticamente el rendimiento de las piezas.

Diseño inadecuado de los orificios de separación

Un error común es especificar una holgura incorrecta para los orificios. Si la holgura es demasiado ajustada, dificulta el mecanizado y el montaje. Si es demasiado amplia, puede causar problemas de alineación y ajuste. Un diseño de piezas eficiente optimiza la holgura de los orificios.

Diseño de esquinas internas afiladas

Las máquinas CNC crean esquinas internas redondeadas de forma natural. Las esquinas afiladas son muy difíciles de crear y pueden requerir un procesamiento adicional. Además, las esquinas internas afiladas generan concentración de tensiones, lo que debilita la estructura. Lo ideal es que las esquinas se redondeen con un radio que coincida con el de las herramientas estándar.

Radio de esquina incorrecto para la profundidad del bolsillo

El radio de la esquina debe coincidir con la profundidad del alojamiento. Si el radio de la esquina es pequeño y los alojamientos son profundos, se necesitarán herramientas largas y estrechas. Pero ese no es el único problema. Mantener un proceso de mecanizado uniforme con estas herramientas es difícil. Lo ideal es especificar radios de esquina proporcionales a la profundidad del alojamiento.

Prototipado para un diseño de piezas eficiente

La verdadera validación de un diseño de pieza supuestamente eficiente solo puede lograrse mediante la prueba del prototipo. Las complicaciones ocultas en cuanto a funcionalidad, ensamblaje y capacidad de fabricación se revelan al probar los prototipos.

Validar el rendimiento funcional

Si bien las simulaciones y el análisis de elementos finitos (FEA) ofrecen información útil sobre la funcionalidad del producto, las pruebas del prototipo en condiciones reales de funcionamiento pueden revelar otras deficiencias. El verdadero rendimiento funcional de un diseño solo se puede obtener mediante las pruebas del prototipo. Esto permite a los diseñadores perfeccionar sus diseños, lo que facilita la obtención de un diseño de pieza eficiente.

Validar el rendimiento del ensamblaje

Aunque una pieza funcione correctamente, su montaje puede presentar dificultades. Por lo tanto, el ajuste, la función y el rendimiento son cruciales. El rendimiento de la integración de las piezas y los elementos autoalineables también se evalúa mediante el montaje de prototipos.

Validar la fabricabilidad

Una pieza que funciona correctamente aún puede ser difícil de mecanizar. Un archivo CAD no puede reflejar completamente estos desafíos. Solo la fabricación de un prototipo real revela los problemas reales del proceso de fabricación.

Lista de verificación para el diseño eficiente de piezas

Una buena práctica consiste en evaluar un diseño mediante una lista de verificación. Los parámetros de evaluación críticos incluyen la geometría, el ensamblaje, la facilidad de fabricación y las tolerancias. Las tablas a continuación proporcionan listas de verificación para la evaluación del diseño.

Lista de verificación de geometría

Lista de verificación de tolerancia

Lista de verificación de fabricación

Lista de comprobación de montaje

Solución integral desde el diseño hasta la fabricación.

Los clientes siempre buscan una solución integral de diseño y fabricación. Si un fabricante de máquinas CNC ofrece soporte de diseño, es una gran ventaja. Una empresa que se responsabiliza de alinear el CAD con el DFM minimiza los errores de comunicación. Una comunicación fluida en el proceso de fabricación conduce a la perfección.

Soporte de Tuofa DFM

Tuofa acepta consultas sobre pedidos de mecanizado CNC. Nuestros equipos especializados revisan el diseño CAD para garantizar su viabilidad de fabricación. Analizan la viabilidad de fabricación, la selección de materiales, el ensamblaje y la funcionalidad. No dude en aprovechar nuestro servicio de soporte DFM para sus diseños. Nuestra asesoría profesional le ayudará a convertir sus ideas de diseño en realidad.

Tuofa proporciona soporte DFM mediante:

• Comprobando dimensión
• Comprobación de tolerancia
• Analizar si las características son adecuadas para el mecanizado.
• Evaluar materiales
• Evaluar el tratamiento de la superficie

Capacidades de mecanizado CNC para piezas personalizadas

Tuofa cuenta con una amplia gama de capacidades de fabricación que se adaptan a la producción personalizada de piezas. Nuestro taller de mecanizado, equipado con tecnología de punta, puede mecanizar geometrías complejas con tolerancias muy ajustadas. Ofrecemos una gran variedad de acabados según los requisitos de diseño. La principal ventaja de optar por nuestra producción de piezas personalizadas es la rápida transición del prototipado a la producción en masa.

Conclusión

El diseño eficiente de piezas mejora considerablemente la fabricación y la funcionalidad. Los diseños eficientes son rentables y permiten una producción más rápida. Por el contrario, un diseño deficiente genera dificultades de fabricación y, a menudo, no aprovecha la funcionalidad real de las piezas. Es fundamental perfeccionar los diseños hasta lograr un diseño de pieza eficiente. Esto minimizará significativamente los errores en la fabricación posterior.

Preguntas Frecuentes

¿Cómo puedo mejorar mis habilidades de CAD?

La práctica hace al maestro. Opta por crear diseños CAD a partir de tutoriales en línea. Busca ayuda de profesionales.

¿Cómo diseñar una pieza para mecanizado CNC?

Considera las capacidades de mecanizado de una máquina CNC. El software CAD puede crear cualquier característica que desees, pero debes asegurarte de que las máquinas CNC puedan mecanizarlas.

¿Cuál es la diferencia entre el diseño de piezas y el diseño de ensamblaje?

El diseño de piezas se refiere a un solo componente. El diseño de ensamblaje es el diseño acumulativo de componentes ensamblados.