Tecnologia di prototipazione rapida: stampa 3D vs lavorazione CNC
La stampa 3D si sta espandendo rapidamente e offre numerosi vantaggi rispetto ai metodi di produzione convenzionali. Tuttavia, presenta anche alcuni problemi, come limitazioni di velocità e accessibilità, e non è fattibile per la produzione di massa.
Un approccio produttivo alternativo per la produzione medio-bassa è Lavorazione CNC (controllo numerico computerizzato), un metodo di produzione sottrattiva comunemente utilizzato per la creazione di parti. In questo contesto, abbiamo cercato di confrontare i punti di forza e i limiti di ciascuna tecnica per determinare le aree di applicazione appropriate.
Stampa 3D
Definizione
La stampa 3D, nota anche come produzione additiva, è un processo di creazione di oggetti tridimensionali da un modello digitale aggiungendo materiale strato dopo strato fino a ottenere la forma desiderata. Il modello digitale viene prima creato utilizzando la progettazione assistita da computer (CAD) software e poi inviato alla stampante 3D, che utilizza vari materiali come plastica, metalli o ceramica per creare l'oggetto fisico. La stampa 3D consente la creazione di forme e geometrie complesse che sarebbero difficili o impossibili da produrre utilizzando metodi di produzione tradizionali.
Come funziona
La stampa 3D funziona costruendo un oggetto strato per strato da un modello digitale. Ecco i passaggi coinvolti:
Creare un modello digitale
Il primo passo è creare un modello 3D digitale dell'oggetto che desideri stampare. Questo può essere fatto utilizzando un software di progettazione assistita da computer (CAD) o scaricando un modello da una libreria online.
Preparare il file per la stampa
Il modello digitale viene quindi esportato in un software speciale che suddivide il modello in strati e genera il codice (codice G) che la stampante 3D utilizza per stampare l'oggetto.
Configura la stampante
La stampante è configurata con il materiale appropriato e la piattaforma di stampa è livellata per garantire che il primo strato aderisca correttamente.
Stampa
La stampante inizia a stampare l'oggetto, strato dopo strato, utilizzando vari materiali come plastica, metalli o ceramica. La stampante segue le istruzioni del codice G per depositare il materiale nella posizione corretta, costruendo l'oggetto.
Post produzione
Una volta stampato, l'oggetto potrebbe richiedere una post-elaborazione, come la rimozione delle strutture di supporto, la levigatura o lucidatura e la verniciatura o il rivestimento, per ottenere la finitura desiderata.
Vantaggi della stampa 3D
Personalizzazione
La stampa 3D consente la creazione di prodotti altamente personalizzati, adattati a requisiti e preferenze specifici.
Complessità
La stampa 3D consente la produzione di forme e geometrie altamente complesse che sarebbero difficili o impossibili da produrre utilizzando metodi di produzione tradizionali.
Economicamente vantaggioso
La stampa 3D elimina la necessità di costose attrezzature, stampi e linee di assemblaggio, riducendo i costi di produzione e i tempi di consegna.
Riduzione dei rifiuti
La stampa 3D produce poco o nessun materiale di scarto, rendendolo un processo di produzione e produzione più sostenibile.
Velocità
La stampa 3D consente una prototipazione e una produzione rapide, riducendo il tempo necessario per portare un prodotto sul mercato.
Svantaggi della stampa 3D
Materiali limitati
La stampa 3D attualmente ha opzioni di materiali limitate rispetto ai metodi di produzione tradizionali, che potrebbero limitare le proprietà del prodotto finale.
Finitura superficiale
La finitura superficiale degli oggetti stampati in 3D spesso non è liscia come quella delle parti prodotte tradizionalmente e potrebbe richiedere la post-elaborazione per ottenere la finitura desiderata.
Scala limitata
La stampa 3D non è adatta alla produzione su larga scala a causa della sua lentezza e del volume di costruzione limitato.
Forza limitata
Le parti stampate in 3D potrebbero non avere la stessa resistenza o durata delle parti prodotte tradizionalmente, in particolare per applicazioni portanti o ad alto stress.
PRECISIONE e risoluzione
La precisione della stampa 3D è relativamente bassa rispetto ad altri processi di lavorazione. La tolleranza comune per la stampa 3D è di circa 0.2 mm o peggiore. A seconda della tecnologia, la maggior parte della stampa 3D ha anche una risoluzione limitata e alcuni dettagli fini delle parti non possono essere stampati bene. Ad esempio, una filettatura inferiore a M3 non può essere realizzata correttamente con la stampa 3D SLA.
Lavorazione CNC
Definizione
La lavorazione CNC (controllo numerico computerizzato) è un processo di produzione che utilizza macchine controllate da computer per rimuovere materiale da un pezzo in lavorazione per creare una parte o un prodotto finale. Implica l'uso di utensili da taglio controllati da computer che rimuovono materiale da un blocco o foglio di materiale per creare la forma e le dimensioni desiderate del prodotto finale. Le macchine CNC sono in grado di produrre parti altamente precise e complesse con tolleranze strette, rendendole ideali per un'ampia gamma di applicazioni in settori come quello aerospaziale, automobilistico e medico.
Come funziona
Ecco i passaggi generali di come funziona la lavorazione CNC:
Crea un modello 3D
Il primo passo è creare un modello 3D della parte o del prodotto utilizzando un software di progettazione assistita da computer (CAD).
creare percorso utensile e PROGRAMMA NC
L'ingegnere operativo deve decidere come realizzare le parti in dettaglio, ad esempio quale strumento utilizzare, percorso utensile, flusso di lavoro, dimensione del materiale grezzo, ecc. Queste informazioni vengono raccolte in CAM (Computer Aided Manufacturing) Software. Successivamente viene creato un programma NC corrispondente. Il programma NC viene quindi inviato alla macchina CNC, in pratica il programma dice alla macchina quale utensile va dove, a che ora e a quale velocità.
Caricare la materia prima
La materia prima viene caricata nella fresatrice CNC, che verrà modellata nella forma desiderata utilizzando utensili da taglio.
Prepara la macchina
La macchina è configurata con gli utensili da taglio appropriati specificati dal programma NC. Ora la macchina CNC è pronta per l'azione.
Avvia la macchina
La macchina viene avviata e gli utensili da taglio si muovono lungo il percorso programmato, rimuovendo materiale dalla materia prima per creare la parte finale.
Controlla la qualità
Una volta completata la parte, viene controllata la qualità e l'accuratezza. Tutte le modifiche necessarie vengono apportate alla macchina o al programma per garantire che le parti successive siano prodotte correttamente.
POST PRODUZIONE
Se necessario, vengono quindi applicati processi successivi come il trattamento superficiale, la molatura o la levigatura.
Vantaggi della lavorazione CNC
Precisione
La lavorazione CNC è estremamente accurata e può produrre parti con tolleranze molto strette, rendendola ideale per applicazioni che richiedono precisione e coerenza.
Flessibilità materiale
La lavorazione CNC può funzionare con un'ampia gamma di materiali, inclusi metalli, plastica e compositi, consentendo un'ampia gamma di applicazioni.
Molta forza
Le parti lavorate a CNC sono spesso più resistenti e durevoli delle parti stampate in 3D, rendendole adatte per applicazioni portanti e ad alto stress.
Produzione su larga scala
La lavorazione CNC può essere utilizzata per cicli di produzione su larga scala, rendendola un metodo efficiente per la produzione di massa.
Automazione
La lavorazione CNC può essere completamente automatizzata, riducendo i costi di manodopera e aumentando la produttività.
Svantaggi della lavorazione CNC
Costo di installazione elevato
La lavorazione CNC può essere costosa, soprattutto per piccole serie di produzione o pezzi unici, a causa del costo degli strumenti, della configurazione e del costo della manodopera per la realizzazione della programmazione NC.
Limitazioni di progettazione
La lavorazione CNC presenta alcune limitazioni di progettazione, come l'incapacità di produrre determinate forme e geometrie complesse. Ad esempio, pareti troppo sottili, fessure troppo strette, fori troppo piccoli, fori troppo lunghi o angoli acuti, tutte queste caratteristiche sono difficili da realizzare con la lavorazione CNC e richiedono altri processi supplementari.
Richiede tempo
La lavorazione CNC può essere un processo dispendioso in termini di tempo, soprattutto per parti complesse, che può aumentare i tempi di produzione.
Rifiuti materiali
La lavorazione CNC produce materiale di scarto, che può aumentare i costi di produzione e avere implicazioni ambientali.
Assistenza
Le macchine CNC richiedono manutenzione e calibrazione regolari per garantire precisione e affidabilità, il che può aumentare il costo complessivo di produzione.
Stampa 3D e lavorazione CNC
Flussi di lavoro di produzione
La produzione CNC è un processo ad alta intensità di manodopera che richiede all'operatore della macchina di prendere diverse decisioni, tra cui la selezione dell'utensile, la velocità del mandrino, il percorso di taglio e il potenziale riposizionamento delle parti. L'operatore deve impostare manualmente il blocco nella macchina, considerando tutti questi fattori, e determinare se il componente richiederà fasi di post-elaborazione. Tutte queste considerazioni influiscono sulla qualità del componente e sui tempi di costruzione.
D’altra parte, la stampa 3D comporta un minore intervento umano. L'operatore prepara il file digitale, seleziona l'orientamento e, se necessario, aggiunge supporto. Una volta che il file è pronto, la stampante costruisce la parte con poco intervento umano. Tuttavia, è necessaria la post-elaborazione, che può richiedere molto lavoro e comportare pulizia e fasi di lavorazione aggiuntive. Questi passaggi finali sono le parti più dispendiose in termini di tempo e manodopera del flusso di lavoro di produzione della stampa 3D.
Materiali
Le materie plastiche più frequentemente utilizzate nella lavorazione CNC sono ABS, nylon (PA66), policarbonato (PC), acrilico (PMMA), polipropilene (PP), POM e PEEK. Nel frattempo, l’alluminio è un metallo ampiamente utilizzato nella lavorazione CNC, in particolare nella prototipazione. Può produrre prototipi di alta qualità per vari settori e vanta riciclabilità, eccellenti proprietà di protezione ed efficacia nella lavorazione. Altri metalli comunemente utilizzati nella lavorazione CNC includono acciaio inossidabile, lega di magnesio, lega di zinco, titanio e ottone.
I materiali termoplastici frequentemente utilizzati nella stampa 3D sono ABS, PLA, nylon, ULTEM e fotopolimeri come cera, resine calcinabili e biocompatibili. Esistono anche alcune stampanti 3D specializzate in grado di stampare parti utilizzando sabbia, ceramica o materiali viventi. I metalli più comunemente utilizzati nella stampa 3D includono alluminio, acciaio inossidabile, titanio e Inconel. Tuttavia, è importante notare che la stampa 3D dei metalli richiede costose macchine industriali che costano oltre 100,000 dollari. Alcuni materiali, come le superleghe o il TPU (materiale flessibile), non possono essere prodotti con il CNC e devono essere utilizzati con la stampa 3D o la tecnologia di utensili rapidi.
Costo
Il costo della stampa 3D dipende da fattori quali le dimensioni e la complessità del progetto, il materiale utilizzato e la tecnologia di stampa. La stampa 3D è in genere meno costosa per la produzione e la prototipazione su piccola scala perché non richiede attrezzature costose o costi di installazione. Tuttavia, il costo unitario per quantità maggiori potrebbe diventare più elevato rispetto alla lavorazione CNC a causa del costo dei materiali e del tempo necessario per la stampa.
La lavorazione CNC, d'altro canto, richiede maggiori costi iniziali per attrezzature e configurazione, ma diventa più conveniente in termini di costi all'aumentare della quantità di parti. Il costo unitario diminuisce man mano che vengono prodotte più parti perché il tempo richiesto per la lavorazione di ciascuna parte si riduce. La lavorazione CNC è anche più adatta per la produzione di parti da materiali più costosi come metalli e compositi, dove il costo unitario per la stampa 3D può essere proibitivo.
Environmentally Friendly
Il CNC prevede il taglio del materiale da un blocco originale, risultando in pezzi di materiale rimanente che devono essere puliti e smaltiti, cosa non richiesta nella stampa 3D. Con il processo di produzione additiva, un oggetto viene formato sulla piattaforma di costruzione utilizzando il materiale immesso nella macchina, con conseguente riduzione degli sprechi e del disordine inutilizzati, ad eccezione dei supporti (se utilizzati). Pertanto, la stampa 3D è considerata il metodo più etico poiché genera meno rifiuti.
Conclusione
In conclusione, la stampa 3D e la lavorazione CNC sono due diverse tecnologie di produzione con vantaggi e svantaggi distinti. La lavorazione CNC è ideale per produrre grandi volumi di parti complesse con tolleranze strette, mentre la stampa 3D è più adatta per produrre piccoli volumi di parti personalizzate in modo rapido ed economico. Mentre la lavorazione CNC può produrre parti da un’ampia gamma di materiali, la stampa 3D è in grado di produrre parti sia da materiali tradizionali che esotici, come tessuti viventi o ceramica. Inoltre, la stampa 3D genera meno sprechi e disordine, rendendola una scelta più etica. In definitiva, la scelta tra queste tecnologie dipende dall’applicazione specifica, dal volume richiesto e dalle proprietà materiali desiderate delle parti prodotte.