Differenze tra stampa 3D e lavorazione con macchine CNC

Stampa 3D vs lavorazione CNC: qual è il modo migliore per produrre le tue parti?

La lavorazione CNC e la stampa 3D sono due metodi di produzione molto diversi utilizzati per produrre parti finite. Il loro punto in comune è la capacità di fornire prodotti in tempi brevi; ciò le rende le tecnologie principali per la produzione rapida di prototipi.

Teoricamente, la lavorazione CNC e la stampa 3D utilizzano lo stesso workflow: la parte è progettata con un software CAD, il quale genera un G-code che definisce le istruzioni per le operazioni che deve svolgere la macchina. Quindi, in entrambi i casi, le macchine devono essere preparate per il processo e, dopo che la parte è stata prodotta, potrebbe essere necessaria la post-produzione. Anche se questi processi hanno dei punti in comune, le condizioni sono differenti in termini di tempi e costi di produzione, di manodopera e di risultati.

La lavorazione CNC e la stampa 3D vengono utilizzate per produrre parti con diversi polimeri e materiali compositi, mostrando molteplici vantaggi e svantaggi.

Differenze tra lavorazione CNC e stampa 3D

La principale differenza tra la lavorazione CNC e la stampa 3D risiede nella natura della tecnologia: mentre la lavorazione CNC sottrae materiale da un blocco per formare una parte finita, la stampa 3D aggiunge materiale, strato su strato. La differenza nella natura del processo, si traduce in diversi output nei pezzi finiti, nonché in diverse possibilità in termini di requisiti di geometria e precisione.

Genericamente, si possono identificare delle differenze tra la lavorazione CNC e la stampa 3D. Ecco una tabella che mostra le principali differenze tra queste due tecnologie.

Le macchine CNC più comunemente utilizzate nell’industria manufatturiera sono macchine per fresatura, poiché permettono di ottenere parti precise con tolleranze fini. Solitamente, quando si parla di CNC, si fa riferimento alle fresatrici CNC a 3 assi.

Macchine CNC: cosa sono e come funzionano

Le macchine a controllo numerico (CNC) trasformano blocchi o barre di materiale seguendo un codice elaborato da un computer.

Le macchine CNC sono state scoperti circa 80 anni fa, quando era possibile combinare i processi di lavorazione meccanica con la precisione del controllo numerico computerizzato. Queste macchine CNC sono ora in grado di ottenere tolleranze fini e superfici lisce.

A seconda della tipologia, solitamente le macchine CNC non richiedono un operatore manuale che controlli direttamente la lavorazione in ogni momento. La lavorazione meccanica è il metodo di produzione più comune per metalli, legno e ceramica, e per volumi medio-bassi di plastica e compositi. Fornisce la forma desiderata con un'ottima accuratezza e precisione, ma tende a sprecare materiale nella generazione di trucioli successivamente rimossi.

A cosa servono le macchine CNC?

Le macchine CNC sono utilizzate in vari settori per produrre parti finite. Il motivo per cui hanno avuto un boom negli ultimi anni, è perché possono garantire un'altissima ripetibilità e precisione nell'ordine dei millesimi di millimetro.

È ritenuta la tecnologia di produzione più utilizzata per le industrie ad alta ripetibilità, come ad esempio:

• Medicale
• Aerospaziale
• Trasporti
• Oil&Gas
• Elettronica

Vantaggi e svantaggi della lavorazione CNC

I vantaggi e i limiti della lavorazione CNC possono variare in base alle diverse attrezzature, ma alcuni pro e contro comuni delle fresatrici CNC a 3 assi sono i seguenti.

Ecco i vantaggi della lavorazione CNC di polimeri e compositi:

• Generalmente garantisce tolleranze dimensionali minime e rugosità superficiale molto bassa, quando integrata con fasi di finitura,
• Buona per la produzione di volume medio-basso,
• Forme base personalizzate ottenibili utilizzando fasi di lavorazione custom,
• Tempi di consegna medio-brevi,
• Partendo da un blocco, le proprietà saranno le stesse in ogni direzione, ottenendo parti isotrope,
• Ampia scelta di materiali (metalli, polimeri, compositi, legno, ceramica).

Ecco gli svantaggi della lavorazione CNC di polimeri e compositi:

• Molto materiale di scarto: in alcuni casi è difficile da riciclare a causa degli oli di lavorazione. In alcuni settori, come quello dell'Aviazione, il materiale di scarto può rappresentare il 90% dell'intera parte. Quando si parla di materiali costosi, minore è lo spreco, maggiore è il risparmio. Poiché questa tecnologia crea elevate quantità di materiale di scarto, non è sempre un metodo di produzione efficiente,
• Le geometrie complesse sono costose perché richiedono più passaggi di riposizionamento,
• I vincoli geometrici, l'assenza di geometrie cave e i sottosquadri sono difficili e costosi da ottenere,
• A causa del limite nella complessità delle geometrie, non è possibile produrre assiemi integrati,
• La velocità dipende dalla complessità delle parti, quindi le parti complesse impiegheranno più tempo per essere prodotte,
• Il riposizionamento multiplo è dispendioso in termini di manodopera e tempo: l'operatore deve riorientare e fissare nuovamente il pezzo in lavorazione per ogni riposizionamento (se non è presente un CNC a 5 assi), ciò potrebbe comportare una perdita di precisione, solitamente superata con l'uso di dispositivi di centraggio,
• Necessità di operatori specializzati per far funzionare le macchine,
• Difficoltà, parametri macchina e utensili sono determinati dal materiale da lavorare. I parametri da impostare riguardano il fissaggio del pezzo, il numero di passaggi di lavorazione, gli utensili di taglio, velocità di rotazione e velocità d’avanzamento: quindi è necessario il supporto di un tecnico qualificato per la progettazione del processo, che può impiegare fino a 7 ore. I tempi di preparazione del dispositivo e di programmazione delle operazioni di taglio aumentano all'aumentare della complessità dell'oggetto.
• Elevati costi delle attrezzature in termini di investimento iniziale della macchina, nonché i costi della strumentazione.
• In assenza di un sistema completamente automatizzato, è necessaria la presenza di un operatore specializzato durante l'intero processo, in modo che possa cambiare utensile e riposizionare l'oggetto sul piano ogni volta che la facciata da lavorare non è accessibile agli utensili di taglio.
• I costi per la preparazione e il funzionamento potrebbero essere elevati, quindi il costo di produzione complessivo risulta vantaggioso per un numero maggiore di parti da produrre.

Esempi di macchine CNC

A seconda del tipo di lavorazione da eseguire, esistono molteplici tipologie di macchine CNC che lavorano con polimeri e compositi:

• Fresatrici: la fresatura è un processo di lavorazione che utilizza frese rotanti per rimuovere il materiale facendo avanzare una fresa su un pezzo. Questo può essere fatto cambiando pressione, velocità e direzione della testa di taglio su uno o più assi;
• Torni: comunemente eseguita con un tornio, la tornitura è un processo di lavorazione utilizzato per ridurre il diametro delle parti a una specifica dimensione. Viene utilizzato per la produzione di parti cilindriche in cui l'utensile da taglio si muove in modo lineare mentre il pezzo ruota;
• Macchine laser: la lavorazione laser è un processo di lavorazione che utilizza il calore diretto da un raggio laser. Questo processo rimuove il materiale dalla superficie attraverso l'uso di energia termica. Il riscaldamento, la fusione e la vaporizzazione della superficie del materiale avvengono a causa dell'impatto dei fotoni.

Quando si parla di macchine CNC, di solito si fa riferimento alle fresatrici CNC, poiché sono le più comuni. Esistono più tipologie di macchine sul mercato, a seconda del numero di assi in movimento: ci sono macchine CNC a 3 assi, 4 assi e 5 assi. La principale differenza tra questi tipi di macchine CNC sta nella complessità del movimento tra il pezzo e l'utensile da taglio. Maggiore è il numero di assi, maggiore è la libertà progettuale ottenibile. Le più flessibili sono le macchine CNC a 5 assi. Offrono un'elevata flessibilità nella produzione di parti complesse, richiedendo meno passaggi di lavorazione.

La stampa 3D è più economica della lavorazione CNC?

La stampa 3D può essere più economica della lavorazione CNC, soprattutto se riferita alle macchine CNC a 5 assi. Le più frequenti sono però le macchine CNC a 3 assi, perché il costo dell'investimento è inferiore. Recentemente, con l'avvento della lavorazione CNC a 5 assi, l'efficienza di questa tecnologia sottrattiva è notevolmente migliorata. Nonostante ciò, il costo di investimento per una macchina CNC a 5 assi è molto elevato, pertanto la maggior parte delle aziende è dotata di macchine CNC a 3 assi o trapani e frese manuali.

Quali sono i vantaggi della stampa 3D rispetto al CNC?

La FFF (Fused Filament Fabrication) è la tecnologia di stampa 3D più comune. Estrude filamenti continui di materiali termoplastici o compositi per formare un oggetto, strato su strato. Roboze è leader nella tecnologia FFF per polimeri e compositi ad alte prestazioni (consulta tecnologia FFF con polimeri PAEK).

Come spiegato nell'articolo sulla produzione additiva Vs produzione tradizionale, la tecnologia FFF ha i suoi vantaggi e svantaggi.

Cosa scegliere tra la stampa 3D e la lavorazione CNC? Come integrare la stampa 3D con la lavorazione CNC?

La lavorazione CNC e la stampa 3D possono andare di pari passo per la produzione rapida di parti complesse da rifinire leggermente su alcune superfici. A seconda del materiale, le parti stampate in 3D possono essere combinate con la lavorazione meccanica per ottenere una rugosità molto bassa o per soddisfare tolleranze minime. PEEK e Carbon PEEK, ad esempio, hanno un buon comportamento in fase di lavorazione che consente loro di beneficiare di entrambe le tecnologie.

Le operazioni di lavorazione CNC più comuni eseguite su parti stampate in 3D sono per la finitura di cave per O-ring, fori filettati e diametri interni ed esterni.
Grazie alla combinazione di queste due tecnologie, si possono ottenere i vantaggi di entrambe con la produzione accurata di parti complesse.

Il nostro team di ingegneri qui in Roboze ti supporterà nella valutazione delle migliori opzioni per la tua applicazione.