O papel do CAD-CAM na maquinagem CNC

Antes de uma peça chegar ao centro de trabalho CNC, passa por um modelo digital. É esse modelo, não o desenho em papel, que a máquina vai maquinar.

• CAD (Computer Aided Design): modelação da peça em 3D.
• CAM (Computer Aided Manufacturing): a partir do modelo, define trajetórias de ferramenta e gera o programa CNC.
• O fluxo: desenho técnico → modelo 3D (CAD) → programação (CAM) → maquinagem (CNC).
• Um modelo mal construído propaga erros até à peça final.

Onde entra esta UC no processo

Nesta UC o foco é a etapa CAD: construir modelos digitais de peças e componentes com superfícies tridimensionais, prontos para seguir para o CAM.

• Ponto de partida: desenhos e especificações técnicas da peça a fabricar.
• Ponto de chegada: um modelo 3D correto, com todos os elementos que a maquinagem CNC exige.
• Pelo caminho: verificar a exequibilidade técnica e aplicar as ferramentas CAD-CAM certas.

O rigor do modelo determina a qualidade da peça maquinada.

Ler o desenho e avaliar a exequibilidade

Antes de modelar, analisa-se o desenho técnico: cotas, tolerâncias, material, acabamentos e vistas. É aqui que se descobre se a peça é exequível em CNC.

• Analisar desenhos e especificações técnicas da peça a fabricar.
• Avaliar constrangimentos: geometrias impossíveis para a ferramenta, cavidades inacessíveis, espessuras insuficientes.
• Desenvolver soluções para os constrangimentos encontrados, sem alterar a função da peça.
• Verificar a exequibilidade técnica da maquinagem com CNC é uma das três realizações centrais da UC.

Constrangimentos típicos da maquinagem CNC

Cada constrangimento identificado a tempo poupa retrabalho e material.

Superfícies 3D: fresa esférica e altura de crista

O acabamento de superfícies curvas faz-se com fresa esférica, em passagens paralelas. Entre passagens fica uma ondulação, a altura de crista h:

h = R - √(R² - (p/2)²) (R raio da esfera, p passo lateral)

• Fresa de 12 mm (R = 6), passo 1 mm: h = 6 - √35,75 ≈ 0,021 mm.
• Mesma fresa, passo 2 mm: h = 6 - √35 ≈ 0,084 mm (cerca de 4 vezes mais, em metade do tempo).
• Uma concavidade com raio menor que o da esfera não pode ser copiada: fica com o raio da esfera.

O ambiente gráfico do software de modelação sólida

Todo o software de modelação sólida partilha uma estrutura semelhante, mesmo mudando o nome do programa.

• Área de desenho: onde o modelo 3D é construído e visualizado.
• Árvore de construção (feature tree): regista, por ordem, cada operação aplicada ao modelo.
• Barras de ferramentas: comandos organizados por função (esboço, sólidos, superfícies).
• Navegação 3D: rodar, aproximar e deslocar a vista sem alterar o modelo.

Organizar-se no software é a primeira aptidão a dominar.

Organizar as ferramentas de modelação

• As ferramentas dividem-se por famílias: esboço, sólidos, superfícies, conjuntos.
• Cada família tem os seus comandos próprios, agrupados num separador ou painel.
• Organizar no software as ferramentas de modelação é uma aptidão avaliada: saber onde procurar cada comando.
• Personalizar os painéis (mostrar só o que se usa) acelera o trabalho.

Um ambiente arrumado poupa tempo em modelos complexos.

Tipos de ficheiros de sólidos

Um modelo 3D pode ser guardado em formatos diferentes, consoante o objetivo.

• Ficheiros nativos: do próprio software (contêm a árvore de construção, editáveis).
• Ficheiros neutros de troca: STEP (sólidos e superfícies exatos, formato normalizado) e IGES (mais antigo, sobretudo superfícies).
• Ficheiros de malha: STL e OBJ, usados sobretudo em impressão 3D, visualização e relevos 3D em alguns CAM.
• DXF: geometria sobretudo 2D, para contornos e furações.
• Identificar corretamente o tipo de ficheiro evita perder informação ao exportar.

Escolher o ficheiro certo para cada etapa

O tipo de ficheiro escolhido depende do destino do modelo, não é uma opção indiferente.

Importar: unidades e escala

• O STL não guarda unidades; outros formatos guardam, mas convém confirmar.
• 1 polegada = 25,4 mm. Um tampo que aparece com 23,62 x 15,75 x 1,18 "mm" é, na verdade, 600 x 400 x 30 mm.
• Regra: ao importar, mede sempre uma cota conhecida.
• Depois, pôr a peça na posição de maquinagem: rodar (espessura segundo Z) e mover (canto de referência na origem).

Os três modelos de representação de um sólido

Um objeto 3D pode ser descrito de três formas diferentes no computador.

• Arame (wireframe): só arestas e vértices, sem faces; leve, mas ambíguo.
• Malha (mesh): superfície aproximada por triângulos ou polígonos; boa para visualização e scanner 3D.
• Superfície: face exata sem espessura (muitas vezes NURBS).
• Sólido: superfícies exatas fechadas que delimitam um volume; o modelo certo para maquinar com rigor.

Distinguir modelos de arames, malhas e superfícies de sólidos é uma aptidão explícita do referencial.

Quando usar cada modelo

• Arame: esboços rápidos, referência geométrica auxiliar.
• Malha: ficheiros vindos de scanner 3D, pré-visualização, relevos em alguns CAM (aceitando a aproximação).
• Sólido/superfície: o modelo final para maquinar, com precisão dimensional garantida.

Nesta UC, o modelo entregue ao CAM é sempre sólido com superfícies bem definidas.

Eixos e coordenadas do espaço de modelação

Todo o espaço 3D do software assenta num sistema de eixos X, Y e Z, com origem no ponto (0, 0, 0).

• Identificar eixos e coordenadas do espaço de modelação orienta qualquer operação.
• Cada ponto do modelo tem uma posição única (x, y, z) relativa à origem.
• Trabalhar com coordenadas conhecidas evita geometria "à vista".

A origem e os eixos são a referência fixa de todo o modelo.

Z no CAD e Z na máquina

• Sistema cartesiano de mão direita: polegar X, indicador Y, médio Z.
• Na CNC, Z é o eixo da ferramenta: vertical nos centros de mobiliário, Z positivo a afastar-se da peça.
• No CAD, o "para cima" pode ser Y ou Z, conforme o programa.
• Ao passar para o CAM: espessura segundo Z, face a maquinar virada para Z positivo, origem de peça num ponto fácil de encontrar na máquina.

Planos predefinidos e planos auxiliares

• Planos predefinidos do espaço de modelação: normalmente três, perpendiculares entre si, cruzando-se na origem.
• Identificar os planos predefinidos é o ponto de partida para qualquer esboço.
• Criar planos auxiliares: quando nenhum plano predefinido serve, por exemplo numa face inclinada.
• Selecionar planos de modelação adequados a cada operação é uma aptidão avaliada.

Escolher bem o plano evita retrabalho no esboço seguinte.

O sketch: geometria-base de uma peça

O sketch (esboço 2D) é a geometria-base de uma peça: um conjunto de linhas, arcos e curvas desenhado sobre um plano, que depois dá origem a um sólido.

• Executar a geometria-base de uma peça (sketch) é o primeiro passo prático de qualquer modelo.
• Elementos comuns: linha, retângulo, círculo, arco, spline.
• Restrições geométricas: paralelismo, perpendicularidade, coincidência, simetria.
• Cotas: fixam as dimensões exatas do esboço.

Boas práticas no sketch

• Usar restrições, não só arrastar geometria "a olho".
• Cotar o essencial: dimensões que vêm do desenho técnico da peça.
• Manter o sketch simples: geometria complexa a mais dificulta a edição futura.
• Verificar se o esboço está fechado, quando a operação seguinte (ex.: extrusão) o exige.

Um bom sketch é a base de um modelo fácil de corrigir mais tarde.

Criar um sólido por extrusão ou rotação

A partir do sketch, criam-se sólidos com operações de adição de material.

• Extrusão: o sketch "cresce" em linha reta ao longo de uma direção e distância.
• Rotação: o sketch roda em torno de um eixo, gerando peças de simetria circular.
• Ambas exigem um sketch fechado e uma direção ou eixo bem definidos.

Criar um sólido por extrusão, rotação ou varrimento é uma aptidão central do referencial.

Sólidos por varrimento (sweep)

• O varrimento faz um perfil (sketch) percorrer uma trajetória, gerando um sólido de secção constante ou variável.
• Útil para molduras, perfis de guarnição e peças com percurso curvo.
• Exige dois elementos: o perfil a varrer e a trajetória a seguir.
• Combina-se muitas vezes com as outras operações no mesmo modelo.

Sólidos por loft (secções)

• O loft cria um sólido que passa por várias secções diferentes, em planos diferentes.
• Exemplo: pé de cadeira que passa de um quadrado de 40 x 40 mm no topo para um círculo de 25 mm na base.
• Se a transição torcer, alinham-se os pontos de ligação ou acrescentam-se curvas-guia.
• Extrusão, rotação, varrimento e loft cobrem a maioria das peças de mobiliário.

Aplicar operações de subtração

Depois de criado o sólido base, removem-se volumes para gerar furos, rasgos e cavidades.

• Aplicar operações de subtração retira material a partir de um novo sketch ou de um volume auxiliar.
• Casos típicos: furos passantes, rasgos de encaixe, cavidades de alojamento.
• A subtração usa a mesma lógica da extrusão, mas em sentido inverso: remove em vez de adicionar.

Cada subtração fica registada na árvore de construção, e pode ser editada depois.

Planear a sequência de operações

• A ordem das operações (extrudir, subtrair, chanfrar) altera o resultado final.
• Discriminar as operações e a sua sequência para criar e manipular componentes e superfícies tridimensionais é uma aptidão avaliada.
• Boa prática: deixar acabamentos (boleados, chanfros) para o fim da árvore de construção.
• Rever a árvore de construção permite perceber, e corrigir, cada passo do raciocínio de modelação.

Aplicar operações de bolear, chanfrar e perfilar

Estas operações trabalham as arestas e os contornos do sólido, sem alterar a sua forma geral.

• Bolear (fillet): arredonda uma aresta com um raio definido.
• Chanfrar (chamfer): corta a aresta num ângulo, criando uma face plana inclinada.
• Perfilar: aplica um perfil decorativo ou funcional a um contorno (comum em mobiliário).

Atenção: o raio num canto interior vertical é um elemento facilitador; o boleado de uma aresta exterior acrescenta uma operação e exige uma fresa de perfil com esse raio.

Onde aplicar cada acabamento

Estes acabamentos ficam quase sempre para o fim da modelação, depois do sólido estar definido.

Criar e manipular superfícies 3D

Quando a forma da peça não se obtém por extrusão, rotação ou varrimento simples, recorre-se a superfícies.

• Uma superfície define uma face sem espessura; várias superfícies podem depois fechar-se num sólido.
• Criar e manipular superfícies 3D é necessário para formas orgânicas ou curvas complexas.
• Manipular: aparar, prolongar, coser (fechar em sólido), espessar, desfasar.
• Ferramentas comuns: superfície por perfis (loft), por varrimento, por preenchimento de um contorno.

Do sólido às superfícies tridimensionais

• Componentes e superfícies tridimensionais com software CAD-CAM juntam-se para peças de geometria complexa.
• Uma superfície pode cortar ou substituir uma face de um sólido existente.
• Depois de fechadas, as superfícies convertem-se em sólido, pronto para as etapas seguintes.
• Verificar sempre a continuidade entre superfícies adjacentes, para não deixar arestas soltas.

Continuidade entre superfícies

• G1 chega na maioria das peças lixadas; G2 pede-se em lacados de alto brilho.
• Análise zebra e análise de curvatura mostram as junções no ecrã.

Importar e posicionar componentes num conjunto

Peças de mobiliário raramente existem isoladas: fazem parte de um conjunto (assembly).

• Importar para o ambiente CAD-CAM e posicionar componentes e conjuntos de sólidos e superfícies.
• Cada componente entra no conjunto com a sua posição e orientação relativa aos outros.
• Relações de posicionamento (coincidência, distância, ângulo) mantêm o conjunto coerente se algo mudar.

Isolar ou separar um componente

• Isolar ou separar um componente de um conjunto permite trabalhar nele sem a interferência visual dos restantes.
• Útil para aplicar operações adicionais só a essa peça, antes de a devolver ao conjunto.
• Desenvolver componentes por manipulação de sólidos e superfícies tridimensionais aplica-se tanto à peça isolada como ao conjunto completo.

Isolar não é apagar: a peça mantém a sua posição quando volta a ser mostrada no conjunto.

Manipular geometrias 3D

Integrar elementos facilitadores da maquinagem

Um modelo tecnicamente correto pode ainda assim ser difícil, ou impossível, de maquinar. É por isso que se integram elementos facilitadores logo na modelação.

• Raios de canto interior iguais ou maiores que o raio da ferramenta disponível.
• Espessuras mínimas que resistam às forças de corte sem vibrar ou partir.
• Sobrematerial e zonas de fixação a eliminar depois; pontes em peças pequenas.
• Furos de referência e faces planas de apoio para fixar e virar a peça.
• Raios e ângulos de arestas iguais às fresas de perfil existentes.

Integrar na modelação elementos facilitadores é uma das três realizações centrais da UC.

Soluções para constrangimentos da peça

• Quando um canto vivo é inevitável no desenho, propor um raio mínimo compatível com a ferramenta, e validar com quem projetou a peça.
• Dividir uma peça complexa em componentes maquináveis separadamente, e montá-los depois.
• Prever sobre-espessura em zonas a acabar manualmente, quando a CNC não alcança o detalhe final.
• Documentar cada solução aplicada, para que a decisão fique registada e possa ser revista.

Volume de trabalho e origem de peça

• O volume de trabalho é o sólido do material em bruto: o CAM precisa dele para saber quanto remover.
• Exemplo: assento 400 x 350 x 40 mm, 5 mm por lado e maciço desengrossado a 42 mm: bloco de 410 x 360 x 42 mm.
• A origem de peça fica num ponto que o operador encontra na máquina: canto do bloco, furo de referência, batente.
• Modelo, volume de trabalho e CAM têm de partilhar a mesma origem.

Pontes e furos de referência

• Pontes (tabs): pequenas ligações que seguram peças pequenas ao painel no corte de contorno; lixam-se no fim, em arestas retas.
• Furos de referência: dois furos simétricos fora da peça, com pinos na base, permitem virar o bloco e maquinar a outra face na mesma posição.
• Faces planas de apoio e zonas de fixação a eliminar depois.

Moldes para fixação dos componentes a maquinar

A peça tem de ficar imóvel durante a maquinagem CNC. Isso exige um molde, ou dispositivo, de fixação pensado desde a modelação.

• Desenvolver moldes para fixação dos componentes a maquinar é uma aptidão do referencial.
• O molde tem de segurar a peça sem interferir com a zona a maquinar.
• Considerar pontos de apoio, grampos ou vácuo, consoante o material e a geometria.

Fixação e geometria da peça

• Peças com superfícies curvas exigem moldes com apoios adaptados à forma, não apoios planos genéricos.
• Deixar, sempre que possível, margens de aperto fora da zona útil da peça.
• Verificar que o molde não colide com o percurso previsto da ferramenta.
• Um bom dispositivo de fixação reduz vibração e melhora o acabamento final.

Força de fixação por vácuo

F = Δp x A (Δp em Pa, A em m², F em N)

• Ventosa 120 x 120 mm, 0,8 bar (80 000 Pa): 80 000 x 0,0144 = 1152 N teóricos.
• Peça de 80 x 60 mm (0,0048 m²) com a mesma depressão: 384 N, três vezes menos.
• A força real é menor (fugas, porosidade); peças pequenas têm pouca área e pouca força.
• Peça curva: berço (molde negativo) em MDF, obtido por subtração da peça ou de uma superfície desfasada, com batentes ou pinos.

Segurança e normas de qualidade

A modelação para CNC não dispensa as regras de segurança e de qualidade que atravessam todo o curso.

• Equipamentos de proteção individual (EPI): usar sempre os adequados à oficina e à máquina.
• Normas de segurança e saúde no trabalho: aplicam-se também ao trabalho ao computador e à preparação de fixações.
• Normas da qualidade: o modelo é o primeiro ponto de controlo de qualidade da peça final.
• Atitudes da UC: responsabilidade, autonomia, organização, sentido crítico, respeito pelas normas.

Segurança junto da CNC

• Máquinas: requisitos mínimos do DL 50/2005 (equipamentos de trabalho); Diretiva Máquinas transposta pelo DL 103/2008; o Regulamento (UE) 2023/1230 aplica-se a partir de 20 de janeiro de 2027.
• Proteções: tapetes e barreiras, cortinas de luz, paragem de emergência; nunca entrar na área de trabalho com a máquina em ciclo.
• Pó de madeira dura: cancerígeno; valor-limite de 2 mg/m³ desde janeiro de 2023 (Diretiva (UE) 2017/2398, DL 35/2020). Captação na origem e FFP2/FFP3.
• Ferramentas com a rotação máxima marcada (EN 847-1). Sem adornos nem roupa larga junto de ferramentas em rotação.

Do modelo à peça: o fecho do processo

• Fluxo completo: ler o desenho → avaliar exequibilidade → modelar com sketch, sólidos e superfícies → integrar elementos facilitadores → prever a fixação → seguir para o CAM.
• Cada etapa depende da anterior estar correta; corrigir no fim custa mais do que corrigir a tempo.
• O modelo digital com superfícies tridimensionais é o entregável central desta UC.

Um modelo bem feito é a diferença entre uma peça maquinada à primeira e uma peça reprogramada várias vezes.