Prototipazione rapida metodi additivi e sottrattivi

Prototipazione rapida: metodi additivi e sottrattivi

Come visto nel precedente articolo il digital manufacturing utilizza diverse tecnologie per produrre i vari componenti, le tecnologie di stampa 3D possono essere divise in due grandi categorie: metodi di produzione ad addizione (Additive manufacturing) e metodi a sottrazione (Subtractive manufacturing). In questo articolo ci concentreremo sulle differenze tra questi due metodi e sui loro rispettivi punti di forza e di debolezza. Come vedremo le due tecnologie, sostanzialmente, si completano a vicenda.

Le differenze fondamentali

I metodi di addizione e sottrazione sono entrambi utilizzi nella produzione digitale, ma esistono alcune fondamentali differenze tra i due. È importante comprendere queste differenze per avere una migliore prospettiva di come questi metodi possono essere utilizzati.

Additive manufacturing

La produzione “additiva” è un metodo di costruzione delle parti che procede aggiungendo via via singoli sottili strati di materiale. Man mano che ogni strato viene aggiunto, esso serve come base per gli ulteriori strati di materiale. Il termine “stampa 3D” è un termine spesso usato in modo intercambiabile con quello di produzione additiva ma, in realtà, sono diversi i processi che rientrano nella generale categoria della produzione additiva. Anche se comunemente le stampanti 3D disponibili in genere costruiscono le parti usando la plastica fusa o materiali simili, esistono altri processi di fabbricazione che offrono maggior versatilità nella qualità costruttiva e nella scelta del materiale. Ad esempio, il metodo della sinterizzazione metallica fonde strati di opportune polveri per creare parti metalliche.

Subtractive manufacturing

La produzione sottrattiva è un metodo di lavorazione dei pezzi a partire da un blocco di materiale e procedendo alla rimozione del materiale “superfluo” fino a giungere alla parte finita. Il materiale in eccesso può essere rimosso utilizzando diversi tipi di utensili, ma processi di produzione come la tornitura e la fresatura sono la scelta più comune.

Per visualizzare meglio la produzione sottrattiva, possiamo considerare l’esempio di uno scultore che inizia con un grande blocco di pietra. Utilizzando martelli e scalpelli, lo scultore rimuove via via la pietra in eccesso fino a creare una statua. La statua naturalmnete risulta più piccola rispetto al blocco originale perché lo scultore ha sottratto successivamente la quantità pietra che non contribuisce al progetto finale.

Oggigiorno, la produzione sottrattiva spesso include macchine a controllo numerico (CNC) come torni e fresatrici per la produzione delle parti con la precisione richiesta. Le macchine CNC sono generalmente molto più veloci e precise rispetto ai macchinari azionati manualmente. Inoltre, le macchine CNC offrono un livello di ripetibilità che sarebbe quasi impossibile per gli operatori umani.

E’ interessante notare che lo stampaggio ad iniezione è, tecnicamente, un tipo di processo additivo ma è spesso etichettato come sottrattivo poichè i metodi utilizzati per creare gli stampi di iniezione sono sottrattivi.

Punti di forza dei metodi additivi

Poiché la produzione additiva costruisce le parti attraverso migliaia di strati estremamente sottili, è possibile creare geometrie molto complesse che altrimenti risulterebbero impossibili utilizzando altri metodi. Per esempio, è possibile ottenere parti che presentano fori e canali interni, in luoghi che sarebbero irraggiungibili da qualsiasi moderna fresatrice. Ciò significa che un assemblaggio molto complesso può essere fabbricato in un unico pezzo invece di richiedere diverse parti da accoppiare.

La produzione additiva offre anche opportunità uniche di creazione di pezzi su ordinazione ed a bassi volumi. Si consideri, ad esempio, le possibilità che la produzione additiva fornisce nel campo dentale e nei gioielli. Ovviamente, una protesi dentaria personalizzata non è qualcosa che verrà creata in grande quantità essendo ogni pezzo fortemente personalizzato.

Sebbene sia i metodi additivi che quelli sottrattivi condividano la possibilità di utilizzare una varietà di materiali, le proprietà di questi materiali spesso differiscono da un metodo all’altro.

Debolezze della produzione additiva

Anche se la produzione additiva è, come detto, molto versatile, essa non si adatta a tutte le esigenze per almeno due motivi:

  • La produzione di additiva è più adatta per piccole quantità di produzione. Se la produzione richiede migliaia o decine di migliaia di pezzi, questo processo diventa troppo costoso per essere utilizzato a regime. In genere non risulta economicamente vantaggioso produrre più di poche centinaia di pezzi. Questo onere di costo potrà diminuire in futuro con i miglioramenti della tecnologia, ma resta una considerazione valida a tutt’oggi, se vi è la necessità di produrre molte parti;
  • Un’altra debolezza della produzione additiva risiede nel modo stesso con cui le parti vengono create. A differenza dei pezzi stampati o lavorati, quelli fatte con metodi additivi tendono ad avere un aspetto più ruvido. Spesso è possibile lucidare o trattare la superficie delle parti realizzate con metodi additivi, ma questa elaborazione supplementare aggiunge tempi di produzione e costi.

Punti di forza dei metodi sottrattivi

Fresatura e tornitura sono processi ben noti nella produzione tradizionale. I pezzi lavorati possono essere costruiti praticamente da qualsiasi materiale che sia disponibile in forma solida. Ad esempio, molti tipi di metallo, legno e plastica possono costituire la base per la fabbricazione delle parti utilizzando i metodi sottrattivi.

La produzione sottrattiva tende a creare parti di ottimo aspetto e finitura che spesso non hanno bisogno di alcuna ulteriore elaborazione per essere pronti per l’uso. Inoltre, perché la lavorazione inizia con un blocco solido di materiale, generalmente non si hanno i problemi di porosità che a volte caratterizzano i processi additivi. Infine, la fabbricazione sottrattiva tende ad essere meno costosa di quella additiva a causa dei costi inferiori dei materiali.

Debolezze dei metodi sottrattivi

Come i metodi di fabbricazione additivi, anche la produzione sottrattiva presenta dei punti deboli. Ad esempio, per la lavorazione di un canale interno o di un foro in una pezzo, l’area dove devono essere realizzati deve essere accessibile all’utensile. Purtroppo, questo requisito implica che alcune parti dovranno avere un grado di complessità inferiore a quello che sarebbe possibile con una produzione additiva. In alcuni casi, ciò significa anche che devono essere progettati più componenti in modo che essi possano essere lavorati correttamente e poi accoppiati durante l’assemblaggio finale.

La lavorazione è anche limitata dalle possibilità degli utensili usati per la produzione dei pezzi. A seconda del produttore, ci potrebbero essere dei limiti alle dimensioni massime e minime dei pezzi lavorabili.

Usare i processi in modo complementare

Non si è, ovviamente, limitati a produrre l’intero prodotto usando un singolo metodo e materiale. In realtà, spesso metodi diversi corrispondono alle diverse parti di un prodotto. Inoltre, spesso è necessario utilizzare metodi diversi per il passaggio dai prototipi ai prodotti finiti. Ad esempio, una finitura ruvida può essere accettabile per un prototipo stampato in 3D, ma i clienti potrebbero non gradire l’effetto tattile che un processo additivo spesso produce su un pezzo. Possibili soluzioni possono essere opzioni secondarie di finitura, il ricorso a una parte lavorata tradizionalmente, o perfino l’utilizzo dello stampaggio ad iniezione durante la creazione di prototipi.