Cuando se trata de trabajar con materiales de tamaño de panel, como contrachapado, MDF o plásticos, fijarlos antes del mecanizado puede ser una tarea desafiante, pero también requiere mucho tiempo.
Aquí es donde entra en juego la ingeniosa solución de las mesas de vacío.
Las mesas de vacío han ganado popularidad como la solución de fijación preferida para grandes fresadoras CNC y por una buena razón. Ofrecen un nivel de facilidad y versatilidad difícil de igualar con los métodos de fijación tradicionales.
Tanto si eres un profesional experimentado de las CNC como si acabas de adentrarte en el mundo del mecanizado CNC, comprender las ventajas de las mesas de vacío es esencial para desbloquear todo el potencial de una fresadora CNC.
En este artículo, repasaremos la construcción de un sistema de vacío simple que se puede instalar en nuestro modelo CNC Fab.
También explicaremos conceptos clave que te ayudarán a comprender los aspectos más importantes de un sistema de vacío y te guiaremos sobre cómo adaptar este diseño a tu propia configuración.
Empecemos con una explicación muy breve de la física del vacío. Esto nos ayudará a entender cómo optimizar nuestro diseño.
¿No te interesa la teoría? Ve directamente al capítulo 3 para la construcción.
La presión atmosférica estándar a nivel del mar es de 101325 Pa, o más o menos 1 bar. Esta presión es generada por el peso del aire que nos rodea, que puede cambiar según la altitud y las condiciones climáticas. Para crear un vacío, es necesario generar una presión inferior a la presión atmosférica, dentro de un volumen específico.
Las mesas de vacío funcionan utilizando esta diferencia de presión entre el vacío debajo de una pieza de trabajo y la presión atmosférica superior, generando una fuerza de sujeción.
Esta fuerza es directamente proporcional a la diferencia de presión y al área de superficie expuesta. En consecuencia, las piezas más grandes pueden experimentar fuerzas de sujeción sustanciales, mientras que las piezas más pequeñas están sujetas a fuerzas de sujeción menores.
Considera el siguiente ejemplo:
En este caso, tenemos un soplador de canal lateral que puede generar una diferencia de presión de 250 mbar bajo un tablero de contrachapado de 50cm por 50cm. Siguiendo el cálculo de que la fuerza es proporcional a la diferencia de presión y la superficie de vacío utilizable, vemos que la pieza de trabajo experimentará una
En este caso, tenemos un soplador de canal lateral que puede generar una diferencia de presión de 250 mbar bajo un tablero de contrachapado de 50cm por 50cm. Siguiendo el cálculo de que la fuerza es proporcional a la diferencia de presión y la superficie de vacío utilizable, vemos que la pieza de trabajo experimentará una fuerza de sujeción de 625kg.
Para saber si esta fuerza evitará que la pieza de trabajo se mueva durante un trabajo, debemos asegurarnos de que las fuerzas de corte se mantengan por debajo de las fuerzas de sujeción que actúan sobre ese tablero. Aquí entran en juego 4 fuerzas:
Para saber si esta fuerza evitará que la pieza de trabajo se mueva durante un trabajo, debemos asegurarnos de que las fuerzas de corte se mantengan por debajo de las fuerzas de sujeción que actúan sobre ese tablero.
Aquí entran en juego 4 fuerzas:
Fh es la fuerza de sujeción creada por el vacío + el peso del tablero. De la teoría de la fricción estática, sabemos que esta fuerza crea una fuerza de fricción Ff que evita que el tablero se deslice cuando la fuerza de corte radial Fr actúa sobre él.
Si se utiliza una fresa de corte ascendente, la fuerza de corte axial Fa también debe considerarse (aunque a menudo es mucho menor que la radial, dependiendo del ángulo de hélice de las ranuras).
Si la mesa de vacío y el tablero están hechos de madera, el coeficiente de fricción estática tiene un valor de 0,40. Despreciando el peso del tablero, encontramos una fuerza de fricción total de:
Ff = µ x Fh = 0,40 x 6250 = 2500 N
Para darte una comparación (muy) aproximada, una fresa de 6mm cortando contrachapado con un 100% de compromiso de herramienta, 6mm de profundidad de corte y a 5000mm/min generaría una fuerza de corte radial en el rango de 50 N. Como puedes ver, no hay riesgo de que la pieza de trabajo se mueva durante el corte.
Ten en cuenta que la fuerza de sujeción calculada en este ejemplo sigue siendo un valor teórico. En la práctica, hay algunos factores que pueden reducir la fuerza, como:
En cuanto al último punto, siempre debes considerar que la superficie efectiva sobre la que actúa la fuerza de vacío se aplica solo al área con canales o ranuras.
Por lo tanto, es el área de superficie de los canales cubiertos y no el área de superficie de la pieza de trabajo real lo que determinará la fuerza de sujeción. Esta consideración influirá en el diseño de nuestra mesa, como verás más adelante.
Ok, suficiente teoría, hablemos de la práctica y descubramos cómo implementar esto en nuestra fresadora CNC. En resumen, un sistema de vacío se compone de los siguientes elementos principales:
Profundicemos en las especificaciones de cada parte de este sistema y comprendamos cómo funcionan juntas.
Muchos tipos de máquinas pueden utilizarse para crear un vacío, pero aquí nos interesan principalmente dos tipos:
Aquí tienes una tabla simplificada que destaca las diferencias entre cada tipo. La realidad es, por supuesto, más matizada, ya que hay muchos modelos diferentes en muchos rangos de precios para ambos, pero esto debería darte una pista sobre qué elegir al diseñar tu mesa de vacío.
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Soplador de canal lateral |
Bomba de vacío |
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Capacidad de flujo de aire |
Alta |
Baja |
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Nivel de vacío |
Bajo |
Alto |
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Coste |
Asequible |
Caro |
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Durabilidad |
Propenso a fallos |
Más robusto |
Gracias a su alta capacidad de flujo de aire y asequibilidad, los sopladores de canal lateral suelen ser la solución preferida para grandes fresadoras CNC, ya que el tamaño de las piezas de trabajo compensa los niveles de vacío más bajos (recuerda la fórmula: si la diferencia de presión disminuye, se puede aplicar la misma fuerza de sujeción si la superficie de la pieza de trabajo aumenta).
Sin embargo, hay que tener en cuenta una cosa: pueden ser propensos a fallos, generalmente causados por partículas o virutas que entran en la cámara y atascan el impulsor. Del mismo modo, si el flujo de aire es insuficiente, el impulsor se sobrecalentará y expandirá, lo que podría provocar una fusión con la carcasa y un fallo catastrófico.
Como resultado, es muy recomendable instalar un filtro adecuado en la entrada, así como una válvula de alivio de presión que permita que circule un flujo de aire mínimo en todo momento.
En contraste, las bombas de vacío son adecuadas para fresadoras CNC más pequeñas, con piezas de trabajo que proporcionan un área de vacío menor. Rara vez experimentan fallos y representan una solución rentable que requerirá poco mantenimiento.
El plenum es un tablero ranurado con uno o varios orificios que conducen a la bomba de vacío. Cuando la bomba se enciende, se crea un vacío dentro de estos canales libres y cualquier material colocado encima será succionado. Para evitar fugas y la pérdida de rendimiento del vacío, a menudo se coloca una junta de goma blanda dentro de las ranuras en el perímetro de la pieza de trabajo.
Puedes ver en este diseño que el área de vacío efectiva se ha optimizado sin comprometer la rigidez de todo el tablero, utilizando un patrón cruzado en cada cuadrado de sujeción. Esto conducirá a un aumento significativo de la fuerza de sujeción.
Para canalizar el flujo de aire hacia nuestra bomba, existen varias posibilidades. La primera consiste en emplear mangueras flexibles y conectores neumáticos. Esto resulta ser un método eficiente, que facilita un proceso de instalación rápido y sencillo.
Si bien este enfoque es ideal para mesas de vacío más pequeñas, se recomienda precaución para sistemas de vacío más grandes, ya que los diámetros pequeños de las mangueras limitarán el flujo de aire.
Para mesas de vacío más grandes, se recomienda utilizar tubos de PVC y sus conectores estándar. Esto proporciona una solución económica y sencilla, con piezas que se pueden encontrar en cualquier ferretería.
Además, al diseñar una mesa más grande, también se debe considerar la creación de varias zonas. Esto se puede lograr utilizando tapas selladas para cada zona, o teniendo válvulas que permitirán abrir o cerrar fácilmente cada una antes de un trabajo.
La configuración completa de vacío a menudo termina con un spoilerboard de MDF (también llamado bleeder board), que se coloca encima del plenum. El beneficio de este enfoque es doble.
Primero, protegerá la parte costosa de la mesa de vacío de cualquier error de mecanizado, ya que es más fácil reemplazar un tablero de MDF que un plenum mecanizado. Al mismo tiempo, evitará que el polvo y las virutas entren en la bomba de vacío.
En segundo lugar, como el MDF es un material poroso, el tablero distribuirá el vacío de los canales de manera uniforme por toda la superficie. De esa manera, el área efectiva sobre la que se aplica la presión de vacío es mayor, generando una fuerza de sujeción más fuerte.
Si bien este método resulta efectivo, es importante comprender que requiere un soplador de canal lateral capaz de extraer un mayor volumen de aire, ya que el spoilerboard dejará escapar aire de cualquier área que no esté cubierta por la pieza de trabajo.
Para ilustrar este punto, considera la curva de rendimiento de un soplador de canal lateral de 1.5kW, que representa la diferencia de presión alcanzada frente al caudal de aire.
Puedes ver inmediatamente que el vacío es inversamente proporcional al flujo de aire. Digamos que nuestro tablero de MDF tiene una fuga de 90 m³/h, entonces la diferencia de presión disponible es de solo 150 mbar, en comparación con 285 mbar con un vacío perfectamente sellado, ¡generando casi la mitad de la fuerza!
Por supuesto, también es posible combinar ambas técnicas. Puedes crear una plantilla de vacío colocando un cordón de sellado debajo del spoilerboard con las dimensiones exactas de tu pieza de trabajo, para contener el área de vacío y eliminar una gran parte de las fugas.
La construcción de este artículo instructivo tiene como objetivo proporcionar una opción más asequible pero de alto rendimiento para una mesa de vacío para una máquina de tamaño de panel. Sin embargo, debido a consideraciones presupuestarias, se omitieron algunas mejoras ergonómicas mencionadas anteriormente; no dudes en añadirlas a tu propia configuración.
Decidimos trabajar con dos sopladores de canal lateral de 2.2kW que se conectarán en paralelo, lo que nos permitirá tener más capacidad de flujo de aire y mantener un buen vacío.
Esto también proporciona una opción más económica que comprar un soplador más grande y potente y nos permite mantenernos dentro del rango de motores monofásicos (los sopladores de canal lateral más grandes la mayoría de las veces requerirán una toma trifásica). Sin embargo, si tu presupuesto lo permite, considera adquirir una unidad de vacío de Black Box Vacuum, ya que ofrecen una excelente relación calidad/precio.
El plenum se fabricará utilizando los tableros de MDF estándar de nuestro catálogo como base, ya que es barato y modular (solo se puede cambiar una pieza si se daña). Pero, por supuesto, también puedes usar un panel completo para hacer la mesa, solo tendrás que adaptar el G-code proporcionado (enlace al proyecto de Fusion a continuación).
Si quieres optar por una versión más premium, te recomendamos utilizar tableros de plástico hechos de PLA o nailon, ya que son fáciles de mecanizar y proporcionarán un plenum muy estable.
La mayoría de las veces, comenzar con una operación de fresado de superficie es deseable, ya que nivela tu área de trabajo perfectamente. Decidimos evitarlo y mantener las cosas simples aquí, ya que la capa superior de MDF no es tan porosa como su interior.
Esto nos evita tener que fresar toda la superficie y tener que aplicar un producto compuesto en toda la superficie superior de nuestro plenum para hacerlo hermético (esto no se aplica si utilizas otro material que no sea MDF). El nivelado perfecto se logrará más tarde con el uso de un spoilerboard fresado.
Si aún así quieres fresar la superficie, entonces usa sellador de madera en la superficie mecanizada y aplica un poco también en los lados del tablero, para minimizar aún más las fugas. En este caso, también recomendamos usar tableros más gruesos, para mantener suficiente rigidez incluso después de quitar algo de material (tableros de 25mm en lugar de 18mm serían una buena opción, por ejemplo).
Como acabamos de explicar, usaremos un spoilerboard de MDF delgado encima del plenum, que puede usarse como spoilerboard y evitará que la mesa se dañe si la herramienta baja demasiado durante un trabajo.
También utilizaremos un cordón de sellado en el plenum para definir con precisión las zonas donde se debe aplicar el vacío y obtener un buen efecto de sellado. Esto te permite usar sopladores de canal lateral de menor rendimiento y aun así obtener buenos resultados.
Por último, utilizaremos válvulas de compuerta para abrir/cerrar 4 zonas definidas en el plenum. Esto optimiza el área de vacío al fresar piezas más pequeñas.
Esta sección proporciona una guía paso a paso sobre cómo fabricar el plenum de nuestro sistema de vacío y cómo implementar una red de tuberías completa con 4 zonas.
Aquí tienes enlaces importantes que necesitarás para esta construcción:
¡Vamos allá!
Verifica que la estructura de la mesa de tu máquina esté muy bien nivelada. Necesitas tener un área de trabajo bien plana para empezar bien, especialmente porque no fresaremos la superficie de los tableros.
Fija las cuatro partes del spoilerboard. Asegúrate de que estén bien alineadas y que cada tornillo esté bien apretado.
Enciende tu máquina y espera a que PlanetCNC se cargue.
Lleva la máquina a origen y escuadra el pórtico.
Sin cambiar la posición de la máquina, introduce las siguientes coordenadas de trabajo: (X73.5 ; Y66)
Inserta una fresa plana de 8mm (de 3 labios en nuestro caso), y deja 40mm de saliente para permitir que la máquina fresa completamente por debajo del plenum, de lo contrario, la máquina mostrará un error de límite de máquina.
Usa la sonda del eje Z para medir la longitud de la herramienta y pon a cero el eje en la superficie superior del plenum.
Pon la zapata de aspiración en su lugar.
Carga el G-code e inicia el programa.
Cuando los 4 orificios estén fresados, la máquina se detendrá para un cambio de herramienta. Cambia la herramienta actual por una fresa plana de 5mm (de 2 labios en nuestro caso).
No olvides hacer una nueva medición de herramienta para recalibrar el Z0.
Pulsa el botón de pausa para continuar el programa.
Cuando el programa haya terminado, mueve el pórtico hacia atrás. Lija suavemente los bordes del corte con papel de lija fino y aspira todo el plenum.
Comienza abriendo el ensamblaje 3D de todo el sistema para entender cómo se conectará todo.
El sistema de tuberías consiste en una red de tubos de PVC de 63mm normalmente utilizados para el desagüe. Puedes usar tubos a presión PN10 o PN16 si quieres, pero añadirá un coste innecesario a tu ensamblaje.
Las zonas se activarán con el uso de válvulas de compuerta de 63mm, que estarán todas interconectadas a través de un colector de 90mm. Este colector consta de cuatro tes de 90mm ensambladas y que albergan una reducción de 90-63mm en la parte superior.
Primero, necesitarás cortar los tubos de PVC de 63mm a las dimensiones necesarias:
Una vez hecho esto, utiliza una amoladora de banda para crear un ligero bisel en cada lado de los tubos que se han cortado. Luego, lija las superficies que deben entrar en contacto durante el ensamblaje, tanto en el tubo macho como en el conector hembra.
Cuando termines, sopla completamente los tubos para eliminar el polvo de todas las caras, pero también del interior (no querrás que ese polvo termine en tu sistema de vacío más tarde).
Ahora, necesitarás una pistola de calafateo con pegamento multiusos para fijar los cuatro tubos de PVC de 140 mm en el plenum, creando la salida para cada zona.
Aplica pegamento tanto en el tubo de PVC como en la superficie interior del orificio del plenum. Luego, inserta cada tubo de PVC en cada orificio, haciéndolo coincidir con las ranuras del plenum. Déjalo secar durante varias horas según las instrucciones del pegamento. Esto creará una unión fuerte que al mismo tiempo será hermética.
Mientras el pegamento se seca, comienza a ensamblar la red de tuberías. Antes de aplicar cualquier pegamento de PVC, intenta ensamblar todo en seco para asegurarte de que todo encaja y tiene la longitud correcta. También puedes marcar la profundidad a la que los tubos machos entran en los conectores hembra, y asegurarte de que todos los ángulos sean de 90°.
Cuando esté listo, utiliza una brocha pequeña para aplicar el pegamento de PVC en cada tubo y conector, uno por uno. Ensambla primero las piezas intermedias, antes de pegarlas a la salida del plenum, te facilitará las cosas.
Por último, preensambla el colector, ya que será más fácil fijarlo a la estructura de la máquina.
Finalmente, conecta las salidas de cada zona con los tubos y válvulas preensamblados. Es posible que tengas que sujetar los dos tubos más largos con abrazaderas fijadas a la estructura de la máquina, como se muestra a continuación.
Para asegurar el colector a la estructura de la máquina, también necesitarás usar abrazaderas de tubería de 90mm. Luego, puedes pegar las últimas partes, el colector y la válvula de cada zona.
El procedimiento para este paso dependerá en gran medida del tipo de bomba o soplador de canal lateral que tengas a mano. ¿Es solo una unidad conectada directamente al colector o varias para funcionar en paralelo (o en serie), cuál es el diámetro de entrada, necesitas conexiones roscadas...? Por lo tanto, no entraremos en los detalles de esa parte de la construcción.
En nuestro caso, decidimos utilizar dos sopladores de canal lateral de doble etapa, monofásicos y de 1.5 kW. Conectamos ambos en paralelo para maximizar el flujo de aire disponible.
Para crear un spoilerboard económico y ergonómico, decidimos utilizar un tablero de MDF estándar de 6 mm y cortarlo en 4 partes iguales, una para cada zona.
Para fresar la superficie de cada tablero, ¡usaremos la mesa de vacío por primera vez! Queremos quitar 1,5 mm de cada lado para quedarnos con láminas de 3 mm.
Inserta un cordón de neopreno en las ranuras del plenum para crear una junta de sellado en el perímetro de cada tablero de MDF, en cada zona.
Luego, coloca los 4 tableros en cada zona y enciende la bomba de vacío. Ahora puedes iniciar la operación de fresado de superficie (¡no olvides usar una zapata de aspiración!).
Cuando termines, gira los tableros y repite la misma operación en el otro lado. Después de una rápida aspiración, aquí tienes el resultado:
Volviendo a nuestro ejemplo de un tablero de contrachapado de 50 x 50 cm con una diferencia de presión de 250 mbar (lograda en nuestros sopladores de canal lateral al usar cordones de sellado). Teniendo en cuenta una superficie de vacío efectiva del 50% aquí, el tablero experimentará una fuerza de sujeción de alrededor de 300 kg.
Dado que se coloca sobre otra superficie de madera, la fuerza de fricción estática que evita que el tablero se mueva es de más o menos 120 kg.
Utilizamos un simple dinamómetro para verificar que no se movería. No teníamos suficiente fuerza para tirar de 120 kg, pero logramos medir una fuerza de 50 kg y, de hecho, el tablero no se movió en absoluto.
Satisfechos con este resultado, decidimos colocar un tablero de madera de pino más pequeño en la mesa de vacío (esta vez, utilizando el spoilerboard encima del cordón de sellado) y usar una herramienta de fresado de superficie de 25 mm. La operación transcurrió sin problemas, con muy poca vibración del tablero ya que estaba muy bien sujeto, a pesar de su pequeño tamaño.
¡Eso es todo, has llegado al final de este largo artículo!
Esperamos que te haya sido útil y que hayas encontrado inspiración para crear tu propia configuración de vacío. No dudes en compartir tu experiencia con nosotros, o ponte en contacto con nosotros para cualquier pregunta o comentario.
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Xavier Klein
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