Una máquina de control numérico por ordenador (CNC) es una herramienta de mecanizado que da forma al material en stock con la forma deseada que cumplirá con las directivas de fabricación y los requisitos de los componentes. Las máquinas CNC utilizan software preprogramado para controlar los movimientos de maquinaria compleja, incluidas amoladoras, tornos, fresas y otras herramientas de corte utilizadas para eliminar material.
Estas técnicas de fabricación asistidas por computadora pueden realizar una amplia gama de tareas de mecanizado CNC complejas y precisas para crear productos manufacturados y piezas diseñadas específicamente para las industrias automotriz, de defensa y aeroespacial.
Aunque la impresión 3D y otros procesos de fabricación aditiva ocupan un lugar central en la producción de componentes fabricados con materiales blandos en el siglo XXI, la mayoría de los artículos cotidianos siguen siendo el resultado de técnicas de mecanizado sustractivo altamente automatizadas.
Las botellas de agua de plástico se producen a partir de moldes utilizando la técnica de fundición CNC, y los componentes individuales del sistema de transmisión de cualquier automóvil en la carretera se fresan con dimensiones precisas para permitir que todos los engranajes móviles encajen perfectamente para lograr un rendimiento mecánico óptimo.
"Lo más probable es que casi todo lo que tocas en tu vida diaria haya sido tocado en algún momento por una máquina herramienta", dice Tony Schmitz, profesor de ingeniería de la Universidad de Tennessee en Knoxville. "Si alguna vez ha viajado en un avión (un Boeing 747, por ejemplo), se mecanizaron y luego ensamblaron más de un millón de componentes separados para que ese avión despegara".
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Las máquinas herramienta CNC son tan versátiles y dinámicas como la multitud de elementos que crean. Sin embargo, la mayoría de las máquinas CNC funcionan dentro de dos marcos:un sistema de circuito abierto o de circuito cerrado.
En los sistemas CNC de bucle abierto, el operador desarrollará el control numérico por computadora para la tarea en cuestión y generará el código g o el archivo de trabajo utilizando un software de diseño asistido por computadora (CAD). Luego, la computadora transmite los pasos adecuados al controlador y sus servomotores conectados.
Estos motores manipulan herramientas de corte, como tornos o amoladoras, a lo largo de al menos dos ejes (X e Y), aunque las máquinas CNC de alta gama pueden aumentar la versatilidad y precisión moviendo fresas CNC y otros accesorios alrededor de varios ejes adicionales.
Los sistemas CNC de circuito cerrado proporcionan datos de retroalimentación al monitor para abordar inconsistencias mientras las máquinas CNC se mueven alrededor del material. Esta comunicación entre el motor y el monitor permite que los sistemas de circuito cerrado alteren la velocidad, la posición y el avance de los tornos y otras máquinas herramienta CNC en tiempo real.
Estas son algunas de las aplicaciones industriales más comunes para maquinaria CNC:
Las máquinas CNC son excelentes herramientas para proyectos que requieren una velocidad de corte precisa y eficiente y pueden adaptarse a dos de las técnicas de corte más avanzadas:electroerosión por penetración (máquina de descarga eléctrica) y electroerosión por hilo.
Una electroerosión por inmersión utiliza una erosión térmica debido a la interacción entre dos electrodos, uno unido a la herramienta en forma de cobre o grafito. El otro es el fluido dieléctrico en el que se baña el material. Sorprendentemente, la herramienta y la pieza de trabajo nunca entran en contacto directo durante la producción. La electroerosión por hilo funciona de la misma manera, excepto que utiliza electrodos de alambre como herramientas de corte precisas.
Este proceso preciso de perforación utiliza una herramienta de corte giratoria, normalmente brocas o chorros de agua de alta velocidad, para producir agujeros redondos en una pieza de trabajo estacionaria. Estos orificios suelen alojar tornillos y pernos de montaje.
Las máquinas CNC suelen estar equipadas con muelas abrasivas que producen acabados superficiales casi impecables. Esta técnica de pulido sustractivo supera en gran medida la precisión de cualquier proceso de fabricación aditiva y puede reducir las imperfecciones a tolerancias tan pequeñas como 1/10 del ancho de un cabello humano.
Una fresadora CNC, similar a las fresadoras básicas y otras fresadoras manuales, utiliza tornos, chorros de agua o herramientas de torneado para eliminar material de una pieza estacionaria. Las fresadoras CNC pueden moverse a lo largo de múltiples ejes, lo que permite a los operadores realizar tareas de fresado horizontal, vertical, en ángulo y planeado con absoluta precisión. Estas capacidades de múltiples ángulos aumentan la eficiencia en el proceso de fabricación de piezas complejas de madera, metal y plástico, ya que el maquinista puede ajustar y volver a asegurar el material original menos veces.
Este proceso de máquina CNC funciona de manera similar al fresado; sin embargo, en lugar de asegurar el material a una estación de trabajo, está sujeto a un mecanismo giratorio que gira a altas velocidades. Luego, un trabajador que utiliza un torno o un CNC con un accesorio similar retirará pequeñas cantidades de material hasta darle la forma deseada.
El software de fabricación asistida por computadora (CAM) es un componente esencial del proceso de mecanizado CNC. Es el mediador e intérprete de cualquier operación de mecanizado asistida por ordenador porque gestiona las entradas y salidas tanto humanas como automatizadas de cada etapa de la producción.
Por ejemplo, los diseñadores crean modelos 3D de su proyecto en software de diseño asistido por computadora (CAD) y cargan el archivo en CAM. Luego, CAM interpretará el modelo y actuará como un generador de código m o código g, traduciendo el objetivo del proyecto al lenguaje de programación CNC. Mientras la máquina CNC trabaja en el proyecto, envía datos a CAM e informa al operador sobre cualquier variable que pueda afectar el resultado del producto.
El mecanizado CNC tiene sus raíces en los avances tecnológicos durante la Revolución Industrial a mediados del siglo XIX, cuando las empresas manufactureras comenzaron a utilizar tornos de levas y herramientas de fresado en la producción en masa de armas de fuego, equipos de fábrica y artículos cotidianos. En las décadas de 1940 y 1950, el mecanizado de control numérico rudimentario en forma de tarjetas perforadas con código m comenzó a automatizar varias tareas de fabricación que originalmente eran controladas manualmente por un equipo de trabajadores.
A medida que las computadoras digitales y el software mejoraron en las décadas de 1970 y 1980, se pudieron automatizar más herramientas de fabricación para mejorar la velocidad de producción y la eficiencia general.
Ahora, en el siglo XXI, el software CAM y CAD y las máquinas CNC de última generación permiten a los equipos de producción pequeños una estrategia rentable para fabricar grandes cantidades de piezas complejas. A medida que el aprendizaje automático y la inteligencia artificial sigan avanzando, es probable que la industria manufacturera siga optimizando y automatizando procesos.
Puede ser fácil soñar despierto con un mundo donde los robots hagan todo el trabajo a medida que entramos en las primeras etapas de la revolución de la inteligencia artificial; sin embargo, tanto los profesionales del mecanizado como los académicos de ingeniería entienden que el proceso de mecanizado CNC requiere trabajadores calificados para garantizar que todo funcione como debería.
"Eso [el mecanizado por control numérico por computadora] es una capacidad fundamental que no desaparecerá pronto", dice Schmitz. En cambio, Schmitz sostiene que la fabricación aditiva y sustractiva en realidad se complementan hasta el punto de que la "fabricación híbrida" se convertirá en el futuro proceso de mecanizado CNC.
Schmitz también dice que esta fabricación híbrida "comenzará con una pieza aditiva que es la preforma o condición inicial, y luego usaremos mecanizado limitado para producir un acabado superficial suave que no se puede lograr con aditivos".>
Sin embargo, uno de los obstáculos más desafiantes que enfrenta el futuro del mecanizado CNC es la actual escasez de mano de obra de maquinistas calificados que estén familiarizados con la programación CNC. Esta escasez solo se exacerbará a medida que los profesionales veteranos del CNC se jubilen y pocos ingresen a la industria para ocupar su lugar.
En Estados Unidos, el Departamento de Defensa y varias otras agencias federales se han dado cuenta de la necesidad de reactivar un programa nacional de fabricación fallido e implementar procesos de fabricación de vanguardia que harán que el país sea competitivo en la industria.
"Si bien históricamente se ha considerado el mecanizado como un oficio, en el que alguien necesita años y años de formación y experiencia práctica antes de poder crear las piezas que desea, creo que nos alejaremos de eso y pasaremos a un entorno de mecanizado más automatizado. ", dice Schmitz. "Seguirá habiendo empleos, pero serán drásticamente diferentes de lo que eran cuando comenzó la tecnología CNC en los años 1940 y 1950".
Ahora eso es interesanteEstados Unidos fue una potencia manufacturera que lideró al mundo en tecnologías innovadoras después de la Segunda Guerra Mundial. Luego, Estados Unidos comenzó a subcontratar la fabricación en las décadas de 1960 y 1970, lo que llevó a una mayor dependencia de productos fabricados en el extranjero. Los líderes de la industria y las organizaciones federales coinciden en que el país necesita urgentemente una mayor autosuficiencia y un resurgimiento de la industria del mecanizado estadounidense en el siglo XXI. A medida que la fuerza laboral disminuye, con menos personas entrando que saliendo del campo de la tecnología CNC, nunca ha sido un mejor momento para unirse a esta profesión de alta demanda.
