Nello sviluppo dell'industria moderna, i progressi in Tecnologia di lavorazione hanno portato a molte nuove idee e innovazioni. Si è passati dalla tradizionale produzione sottrattiva, come la fresatura e la tornitura, alla produzione additiva in rapida crescita, nota anche come stampa 3DOgni metodo ha i suoi vantaggi e utilizzi unici. Le aziende devono comprendere la differenza tra produzione additiva e sottrattiva. Questo è fondamentale per scegliere la tecnologia migliore. In questo articolo, analizzeremo le caratteristiche, i pro e i contro e gli utilizzi di questi due metodi. Questo vi aiuterà a capire come scegliere la tecnologia migliore per diversi prodotti e condizioni nella produzione moderna.
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Sommario
Che cosa è la produzione additiva?
La produzione additiva è un metodo di produzione ad alta tecnologia. Costruisce oggetti 3D aggiungendo materiale uno strato alla volta. A differenza della produzione sottrattiva tradizionale, la produzione additiva non richiede utensili da taglio per rimuovere il materiale. Invece, "stampa" parti solide da file di progettazione digitali. Questo approccio migliora notevolmente la flessibilità di progettazione. Permette di produrre parti di forme complesse. Riduce inoltre gli sprechi di materiale e accorcia i cicli di produzione.
Tecnologie principali
Getto di legante: Il Binder Jetting è una tecnologia di stampa 3D che crea oggetti strato per strato spruzzando colla liquida su materiale in polvere. Questo metodo può essere utilizzato per metalli, sabbia, plastica e ceramica. È veloce ed economico, il che lo rende popolare per la realizzazione di modelli e stampi.
Deposizione di energia diretta (DED): La deposizione di energia diretta crea oggetti fondendo polvere o filo metallico. Viene utilizzata principalmente per riparare o migliorare parti metalliche esistenti. Questa tecnica è utilizzata in settori come l'aerospaziale, l'automotive e l'energia.
Estrusione di materiale: Questo metodo è noto anche come modellazione a deposizione fusa (FDM). Crea oggetti strato per strato riscaldando ed estrudendo lunghi filamenti di plastica. Questa è una delle tecniche di stampa 3D più comuni per materiali plastici come PLA, ABS e PETG.
Getto di materiale: Il getto di materiale crea oggetti di pregio spruzzando e indurendo materiali liquidi come la resina strato dopo strato. È ideale per la produzione di componenti in diversi materiali e colori, ad esempio per la progettazione di gioielli, modelli medicali e prototipi di prodotti.
Fusione a letto di polvere (PBF): Le tecniche di fusione a letto di polvere includono tecnologie come la fusione laser selettiva (SLM) e la fusione a fascio di elettroni (EBM). Questi metodi utilizzano un fascio di luce ad alta energia per fondere il materiale strato per strato su un letto di polvere, creando parti in metallo o plastica resistenti. La fusione a letto di polvere è quindi ideale per la produzione di componenti ad alta precisione e resistenza.
Laminazione di fogli: La laminazione in fogli crea oggetti tagliando e saldando sottili strati di materiali come carta, plastica o metallo. È un metodo conveniente per produrre modelli, stampi e utensili di grandi dimensioni.
Vasche di fotopolimerizzazione (fotopolimerizzazione VAT): Questo metodo include la stereolitografia (SLA) e l'elaborazione digitale della luce (DLP). Utilizzano la luce per indurire la resina liquida strato per strato. Questo metodo può produrre parti molto sottili. Alcuni esempi includono apparecchiature odontoiatriche, modelli medicali e prototipi di prodotti di consumo complessi.
Vantaggi della produzione additiva
- Flessibilità di progettazione: La produzione additiva consente di creare forme complesse e strutture interne senza richiedere passaggi aggiuntivi.
- Elevato utilizzo dei materiali: A differenza della produzione tradizionale, la produzione additiva non produce praticamente alcuno spreco di materiale. Questo perché utilizza solo il materiale necessario.
- Prototipazione rapida: La capacità di passare rapidamente dalla progettazione al prodotto finito accelera notevolmente lo sviluppo.
- Produzione personalizzata: La produzione additiva è ideale per creare prodotti personalizzati e su misura per soddisfare le esigenze specifiche dei clienti.
Limitazioni della produzione additiva
- Velocità di produzione lente: La produzione additiva prevede la costruzione strato per strato. Pertanto, è più lenta della produzione di massa tradizionale.
- Selezione limitata di materiali: Non tutti i materiali sono adatti alla produzione additiva, in particolare alcune leghe e compositi ad alte prestazioni.
- Qualità e precisione della superficie: Alcuni componenti prodotti con tecniche di produzione additiva potrebbero richiedere lavorazioni successive. In questo modo si ottengono la qualità superficiale e la precisione dimensionale richieste.
- Costi più elevati: Soprattutto nella produzione additiva di metalli, i costi delle attrezzature e dei materiali sono elevati, rendendola adatta a piccole produzioni.
Quando utilizzare la produzione additiva?
- Prototipazione: Nelle prime fasi di sviluppo del prodotto per una progettazione e test iterativi rapidi.
- Parti complesse: Per geometrie complesse che non possono essere prodotte con processi tradizionali o sono molto costose da produrre.
- Produzione a basso volume: Per la produzione di prodotti personalizzati o in edizione limitata, come impianti medici e componenti aerospaziali.
- Design leggero: La produzione additiva viene utilizzata per creare strutture leggere quando sono richieste riduzione del peso e prestazioni ottimizzate.
Che cosa è la produzione sottrattiva?
La produzione sottrattiva è un processo di produzione tradizionale. In esso, una parte della materia prima viene rimossa per ottenere il pezzo o il prodotto desiderato. Il processo prevede in genere diversi tipi di taglio. Tra questi: fresatura, svolta, perforazione e macinazioneSono progettati per rimuovere con precisione il materiale da un blocco solido, per conferirgli una forma e una dimensione specifiche.
Tecnologie principali
Abrasione (lavorazione abrasiva): La tecnologia dell'abrasione utilizza mole abrasive o altri abrasivi per tagliare la superficie di un pezzo in lavorazione e ottenere dimensioni e finiture superficiali precise. I metodi abrasivi più comuni includono la rettifica superficiale, la rettifica cilindrica e la rettifica senza centri. Questa tecnologia è adatta a materiali duri come metalli, ceramica e vetro. Pertanto, è ampiamente utilizzata per la produzione di componenti e utensili ad alta precisione.
Centri di lavoro CNC: I centri di lavoro CNC (Computer Numerical Control) eseguono lavorazioni multiasse con utensili da taglio controllati da computer (ad esempio, frese, punte). La tecnologia CNC può eseguire una varietà di processi come tornitura, fresatura, foratura, maschiatura, ecc. ed è adatta a quasi tutti i materiali metallici e plastici. I vantaggi della tecnologia CNC sono l'elevata precisione di lavorazione, l'elevato grado di automazione e l'idoneità alla produzione in serie di componenti complessi.
Elettroerosione (EDM): L'elettroerosione (EDM) viene utilizzata per fondere ed evaporare localmente il materiale attraverso l'alta temperatura e l'alta pressione generate dalla scarica, formando forme complesse e superfici sottili. L'EDM è particolarmente adatta alla lavorazione di materiali duri difficili da tagliare, come leghe dure e acciai temprati. Viene quindi spesso utilizzata nella produzione di stampi e nella lavorazione di componenti di precisione.
Taglio laser: Il taglio laser utilizza un raggio laser ad alta potenza per fondere o vaporizzare il materiale e ottenere un taglio preciso. Questa tecnologia è adatta a un'ampia gamma di materiali, tra cui metallo, plastica, legno e tessuti, perché consente di tagliare forme complesse con elevata precisione. Il taglio laser è ampiamente utilizzato nella lavorazione della lamiera, nella produzione di insegne pubblicitarie e nella produzione di apparecchiature medicali.
Taglio a getto d'acqua: Il taglio a getto d'acqua utilizza un getto d'acqua ad alta pressione (talvolta con l'aggiunta di abrasivi) per tagliare i materiali. Di conseguenza, non genera calore e può evitare la deformazione del materiale. È adatto per il taglio di materiali come metallo, vetro, ceramica e materiali compositi. Inoltre, è particolarmente indicato per la lavorazione di materiali sensibili al calore e di materiali sagomati. Il taglio a getto d'acqua è comunemente utilizzato nei settori aerospaziale, automobilistico e dell'edilizia.
Vantaggi della produzione sottrattiva
- Alta precisione e qualità della superficie: Grazie alla lavorazione di precisione, la produzione sottrattiva può raggiungere una precisione dimensionale e una finitura superficiale estremamente elevate.
- Ampia gamma di materiali: Quasi tutti i materiali solidi possono essere lavorati mediante la produzione sottrattiva, compresi metalli, materie plastiche, legno e materiali compositi.
- Tecnologia di elaborazione matura: La tecnologia di produzione con materiali ridotti è ormai consolidata per la produzione industriale su larga scala ed è supportata da un'ampia gamma di utensili e attrezzature.
- Utilizzo efficiente dei materiali: lo spreco di materiale può essere ridotto efficacemente ottimizzando i percorsi di taglio e i parametri di lavorazione.
Limitazioni della produzione di materiali ridotti
- Rifiuti di materiale: A causa della lavorazione mediante asportazione di materiale, lo spreco di materiale è elevato, soprattutto quando si lavorano forme complesse.
- Tempi di elaborazione più lunghi: Per le parti complesse, il tempo di lavorazione della produzione sottrattiva è più lungo, soprattutto in caso di requisiti di elevata precisione.
- Elevato costo delle attrezzature: Le attrezzature CNC di fascia alta, le macchine utensili EDM e le apparecchiature per il taglio laser sono costose e richiedono un investimento iniziale elevato.
- Limitazioni della progettazione dell'elaborazione: Nella produzione sottrattiva, alcune strutture interne complesse sono difficili da elaborare direttamente e richiedono processi multipli o attrezzature di lavorazione speciali.
Quando utilizzare la produzione sottrattiva?
- Parti ad alta precisione: Lavorazione di parti che richiedono un'elevatissima precisione dimensionale e una finitura superficiale elevata, come la costruzione di stampi e parti meccaniche di precisione.
- Processi di produzione tradizionali: La produzione sottrattiva rimane il processo dominante nella produzione di massa, soprattutto per la lavorazione di metalli e materiali duri.
- Geometrie complesse: Nonostante i vantaggi della produzione additiva per le forme complesse, la produzione sottrattiva è ancora un metodo affidabile per la lavorazione di parti con geometrie complesse, soprattutto se abbinata alla tecnologia CNC multiasse.
- Produzione di massa: Quando i progetti dei prodotti sono fissi e la domanda è elevata, la produzione sottrattiva può rappresentare una soluzione efficiente e conveniente per la produzione di massa.
Letture correlate: Lavorazione CNC vs. stampa 3D SLS
Tabella di confronto tra produzione additiva e produzione sottrattiva
| Aspetto di confronto | Produzione additiva | Produzione sottrattiva |
|---|---|---|
| Impostare | Configurazione iniziale relativamente semplice, soprattutto per produzioni su piccola scala e prototipazione. | Configurazione iniziale complessa, in particolare per apparecchiature CNC ed EDM avanzate, che richiede una configurazione dettagliata dei parametri di processo. |
| Materiali supportati | Supporta un'ampia gamma di materiali, tra cui plastica, metalli, ceramica e compositi, con alcune limitazioni per i materiali ad alte prestazioni. | Ampia gamma di materiali supportati, tra cui metalli, plastica, legno e materiali compositi; è possibile elaborare la maggior parte dei materiali più comuni. |
| Produzione di forme complesse | Realizza facilmente geometrie complesse e strutture interne senza processi aggiuntivi. | Limitato dai percorsi di lavorazione e dagli utensili; alcune strutture interne potrebbero essere difficili da lavorare direttamente e richiedere più processi o attrezzature speciali. |
| Precisione | A seconda del tipo di tecnologia, la produzione additiva di fascia alta (ad esempio la fotopolimerizzazione in vasca, PBF) può raggiungere un'elevata precisione. | Solitamente offre una maggiore precisione dimensionale e finitura superficiale, soprattutto con la tecnologia CNC. |
| Velocità di produzione | Più lento, soprattutto quando si creano parti di grandi dimensioni o ad alta risoluzione a causa della costruzione strato per strato. | La velocità dipende dall'attrezzatura e dal processo; generalmente è più veloce della produzione additiva, in particolare nelle linee di produzione efficienti. |
| Volume di produzione | Più adatto alla produzione in piccoli lotti, alla prototipazione e ai prodotti personalizzati. | Adatto alla produzione industriale su larga scala, soprattutto quando il design del prodotto è fisso, consentendo una produzione di massa efficiente. |
| Rifiuti di materiale | Scarto minimo di materiale, limitato alle strutture di supporto o alle rifiniture necessarie. | Notevole spreco di materiale, soprattutto quando si rimuove il materiale in eccesso in processi come tornitura e fresatura. |
| Finitura superficiale | Potrebbe richiedere una post-elaborazione per migliorare la precisione e la levigatezza della superficie. | Generalmente fornisce direttamente un'elevata qualità di finitura superficiale, ma per applicazioni specifiche potrebbero essere necessarie lavorazioni successive come lucidatura o rivestimento. |
| Personalizzazione | Particolarmente adatto per la personalizzazione personalizzata e la prototipazione rapida, consentendo una risposta rapida alle modifiche di progettazione. | Capacità di personalizzazione limitate; in genere richiede riprogrammazione e configurazione, soprattutto per la produzione personalizzata di parti complesse. |
| Abilità dell'operatore | Richiede la conoscenza di attrezzature e materiali specifici per la produzione additiva, con una soglia operativa relativamente bassa. | Richiede competenze approfondite di lavorazione meccanica e conoscenza della programmazione CNC; esigenze operative più elevate, soprattutto nei processi di lavorazione complessi. |
| Sicurezza | In genere vengono impiegati materiali e processi sicuri, ma alcune tecniche (ad esempio la sinterizzazione laser) possono generare polveri o fumi nocivi, che richiedono misure di protezione. | Comporta rischi quali schegge, rumore e temperature elevate; gli operatori devono seguire scrupolosamente i protocolli di sicurezza. |
| Proprietà delle parti prodotte | Adatto alla produzione di parti leggere e dalle forme complesse, ma le proprietà meccaniche potrebbero essere inferiori rispetto alle parti prodotte tradizionalmente. | I pezzi prodotti presentano in genere eccellenti proprietà meccaniche e qualità superficiale, risultando adatti ad applicazioni ingegneristiche molto esigenti, come quelle nei settori aerospaziale, automobilistico e della costruzione di stampi. |
Applicazioni della produzione additiva e della produzione sottrattiva
Sia la produzione additiva che quella sottrattiva trovano importanti campi di applicazione nella produzione moderna.
La produzione additiva offre vantaggi significativi nella personalizzazione, nella produzione di piccoli lotti e nella produzione di componenti complessi. Al contrario, la produzione sottrattiva prevale nella produzione ad alta precisione, in grandi volumi e in quella tradizionale.
A seconda delle specifiche esigenze produttive, i due metodi di produzione possono essere utilizzati in combinazione, massimizzando la produttività e l'economicità.
Applicazioni della produzione additiva
Prototipazione: I processi di produzione additiva consentono a progettisti e ingegneri di iterare e convalidare rapidamente i progetti di prodotto, generando prototipi reali a partire da modelli di progettazione in tempi rapidi. Questo è particolarmente importante in settori come l'automotive, l'elettronica di consumo e i dispositivi medicali.
Produzione di parti complesse: La produzione additiva offre vantaggi significativi nella realizzazione di geometrie complesse e strutture interne come quelle a nido d'ape e componenti topologicamente ottimizzati. I settori aerospaziale, medicale e dei beni di consumo di fascia alta sfruttano spesso questo vantaggio per produrre componenti leggeri e ad alte prestazioni.
Prodotti personalizzati: La produzione additiva è particolarmente adatta alla produzione di prodotti personalizzati come impianti medici personalizzati, gioielli personalizzati e prodotti di consumo speciali. In queste applicazioni, ogni componente è unico e la produzione additiva può produrre questi prodotti personalizzati con un investimento di tempo e costi contenuti.
Produzione di piccoli volumi: Nella produzione di piccoli volumi, la produzione additiva può eliminare i costi e i tempi associati alla lavorazione degli utensili ed è particolarmente adatta ai settori in cui la domanda del mercato cambia rapidamente, come la moda, l'arte, il design e la produzione di fascia alta.
Applicazione della fabbricazione sottrattiva
Produzione ad alto volume: Centri di lavoro CNC, torni, fresatrici e altre attrezzature possono produrre grandi quantità di componenti con elevata efficienza e precisione costante. La produzione a ridotto contenuto di materiale è ampiamente utilizzata in settori di produzione di massa come l'industria automobilistica, la produzione di elettrodomestici e la produzione di attrezzature industriali pesanti.
Lavorazione di componenti ad alta precisione: I processi di produzione sottrattiva, quali la lavorazione CNC, la rettifica e l'EDM, possono essere impiegati per realizzare stampi, parti meccaniche di precisione, alloggiamenti per dispositivi elettronici e parti di dispositivi medici ad alta precisione.
Produzione tradizionale: La produzione con riduzione di materiale occupa un posto importante nella produzione tradizionale, soprattutto nel campo della lavorazione dei metalli. Attraverso processi di taglio, foratura, fresatura e rettifica, la produzione con riduzione di materiale può lavorare in modo efficiente una varietà di materiali metallici, come acciaio, leghe di alluminio, leghe di titanio e così via.
Produzione di stampi: Grazie alla lavorazione CNC e all'elettroerosione, la produzione sottrattiva può realizzare stampi ad alta precisione e resistenza per processi di stampaggio a iniezione, stampaggio a iniezione e pressofusione. Questi stampi sono ampiamente utilizzati nella produzione di massa nei settori automobilistico, elettronico e dei beni di consumo.
Costi di produzione sottrattivi vs. additivi
Costi di macchinari e utensili
La produzione additiva comporta solitamente costi elevati per macchinari e utensili. In particolare, sono necessarie macchine utensili CNC di fascia alta, apparecchiature per elettroerosione a tuffo, macchine per il taglio laser e altre attrezzature. Tuttavia, i costi di acquisto e manutenzione di queste macchine sono elevati. Inoltre, potrebbe essere necessaria una gamma di utensili e attrezzature specializzati, a seconda delle esigenze di lavorazione.
D'altro canto, la produzione additiva comporta anche costi iniziali più elevati per le attrezzature. Questo vale in particolare per le stampanti 3D a metallo e le apparecchiature di fotopolimerizzazione di fascia alta. In genere, non richiede stampi aggiuntivi o utensili speciali. Pertanto, in alcuni casi, può comportare un risparmio sui costi.
Costi di manodopera
La produzione additiva richiede un maggiore impiego di manodopera. Richiede operatori con competenze approfondite nella lavorazione meccanica e nella programmazione CNC. Questo perché configurazioni e operazioni complesse richiedono spesso tecnici esperti.
Al contrario, la produzione additiva è altamente automatizzata e relativamente semplice da utilizzare. Di conseguenza, comporta un costo di manodopera inferiore. Tuttavia, la produzione additiva richiede comunque l'intervento di tecnici per la manutenzione e la configurazione delle attrezzature.
Costi dei materiali
I costi dei materiali per la produzione sottrattiva sono generalmente relativamente bassi. Tuttavia, data la natura del processo, si verificano notevoli sprechi di materiale. Questo è particolarmente vero per la produzione sottrattiva di componenti complessi.
D'altro canto, i costi dei materiali per la produzione additiva sono solitamente più elevati. Tuttavia, questo processo presenta un tasso di utilizzo dei materiali molto elevato e pochissimi scarti. Pertanto, a lungo termine, questo potrebbe compensare parte degli elevati costi dei materiali.
Costi di post-elaborazione
Nella produzione sottrattiva, i pezzi sono solitamente pronti all'uso o richiedono solo una minima post-lavorazione, come la lucidatura o il trattamento superficiale.
D'altro canto, i componenti realizzati con la produzione additiva, soprattutto quelli con elevati requisiti di precisione o resistenza, richiedono spesso ulteriori lavorazioni successive. Alcuni esempi includono la rimozione delle strutture di supporto, la levigatura superficiale o il trattamento termico. Questi passaggi solitamente aumentano il costo complessivo.
Nel complesso, nel breve termine, i costi iniziali della produzione additiva potrebbero essere più elevati, soprattutto in termini di attrezzature e materiali. Tuttavia, in alcuni casi, come la produzione personalizzata e la produzione in piccoli lotti, i vantaggi in termini di costi diventeranno gradualmente evidenti.
La produzione sottrattiva ha costi più elevati per macchinari e manodopera. Tuttavia, nella produzione di massa, il suo processo maturo e i minori costi dei materiali la rendono più competitiva in termini di costo complessivo.
Pertanto, la scelta del metodo di produzione dipende dalle esigenze produttive specifiche, dal volume di produzione, dal tipo di materiale e dal budget dei costi.
Conclusione
In questo articolo, esamineremo le differenze tra la produzione additiva e quella sottrattiva. Analizzeremo i punti di forza e i limiti di ciascuna e ne discuteremo l'utilizzo in diversi ambiti. La tecnologia è in continua evoluzione. Sia la produzione additiva che quella sottrattiva si stanno evolvendo, offrendo nuove opportunità e sfide al settore. Yonglihao Machinery è un professionista Fornitore di servizi di lavorazione CNCSiamo in grado di gestire ogni tipo di modifica e di offrire ai nostri clienti servizi professionali di lavorazione CNC.
Domande frequenti
Qual è la differenza principale tra la produzione additiva e quella sottrattiva?
La stampa 3D è un processo di produzione dal basso verso l'alto. Costruisce oggetti 3D aggiungendo materiale strato per strato, consentendo la produzione di forme complesse e riducendo al minimo gli sprechi di materiale. Al contrario, la produzione sottrattiva è il metodo tradizionale di rimozione del materiale da un blocco di materia prima per formare il prodotto finale. È ideale per realizzare componenti con elevata precisione e superfici lisce, ma può comportare maggiori sprechi di materiale.
Quale processo produttivo è più conveniente?
Il rapporto costo-efficacia dipende dal tipo di produzione, dalle dimensioni del lotto e dalla complessità del componente. Per piccoli lotti e componenti personalizzati, la produzione additiva è solitamente più economica. Non richiede utensili costosi o configurazioni complesse. Per produrre molti componenti identici, la produzione sottrattiva può essere più economica. Offre una produzione più rapida e costi unitari inferiori.
La produzione additiva e quella sottrattiva possono essere utilizzate insieme?
Sì, le tecniche possono essere utilizzate insieme. Questo crea un approccio di produzione ibrido. Questo approccio combina la flessibilità di progettazione della produzione additiva con i vantaggi in termini di precisione della produzione sottrattiva. È ideale per la produzione di componenti che richiedono forme complesse, ma anche elevata precisione e finitura. Combinando le due tecnologie, i produttori possono ottenere maggiore flessibilità ed efficienza. Questo favorisce il processo di progettazione e produzione, realizzando prodotti più complessi e ad alte prestazioni.