Come combinare manifattura additiva e sottrattiva nella linea di produzione?

Negli ultimi anni, la produzione additiva e sottrattiva ha guadagnato popolarità e ha avuto un impatto significativo in tutto il mondo. Grazie ai numerosi progressi tecnologici, un’ampia varietà di industrie sta già beneficiando della cosiddetta “produzione ibrida” per la creazione di pezzi finali. Sebbene esistano differenze tra i due metodi di produzione, essi possono essere utilizzati in modo complementare per trarne il massimo beneficio. Tuttavia, è importante conoscere nel dettaglio in cosa consistono queste tecnologie per poterle implementare in azienda. Per affrontare questo tema, abbiamo parlato con tre esperti dell’industria manifatturiera. Ci hanno fornito le loro opinioni e i loro consigli su come implementare in modo ottimale la produzione additiva e sottrattiva nella catena di produzione.

Il primo è Peter Genovese, Ingegnere delle applicazioni di stampa 3D per SolidCAM Additive. Lavora con le tecnologie additive da quasi un decennio e attinge alla sua esperienza professionale per determinare come le tecnologie additive si adattino al meglio ai vari ambienti di produzione. La nostra seconda esperta Elena Lopez è Responsabile del Dipartimento di Produzione additiva presso il Fraunhofer IWS, Assistant Professor di produzione additiva e rappresenta Women in 3D Printing come Direttrice regionale per l’Europa. Infine, Brian Kristaponis è Direttore generale della divisione Hybrid di Phillips, fornitore leader di soluzioni di produzione e nuove tecnologie per un’ampia varietà di mercati.

Caratteristiche della produzione additiva e sottrattiva

Prima di parlare di come implementare la produzione ibrida, è importante comprendere le differenze significative tra i due metodi. Da un lato, la manifattura additiva consiste nello stratificare il materiale, strato per strato, fino a creare il pezzo desiderato. Nella famiglia delle tecnologie di stampa 3D rientrano: l’estrusione di materiale, il Material Jetting, il Binder Jetting, la fotopolimerizzazione, la fusione a letto di polvere, la DED e la laminazione. La produzione sottrattiva, invece, si basa sulla creazione di parti estraendo materiale da un blocco o da una parte più grande. Questi processi sottrattivi comprendono la lavorazione CNC (fresatura, tornitura, foratura, alesatura, molatura), il taglio laser, la lavorazione a scarica elettrica e il taglio a getto d’acqua.

Entrambi i processi di produzione hanno i loro punti di forza e i loro limiti, quindi sarà necessario capire cosa utilizzare in ciascun caso. Vediamo ora i vantaggi che un’azienda può ottenere dalla combinazione di queste due tecnologie. Peter Genovese, esperto di SolidCAM, spiega: “Uno dei principali vantaggi della produzione ibrida è la possibilità di utilizzare la stampa 3D per stampare innanzitutto una geometria organica molto complessa, altrimenti impossibile da produrre con la sola manifattura sottrattiva. La produzione sottrattiva viene poi utilizzata per ottenere gli elevati livelli di precisione dimensionale e le strette tolleranze richieste per le caratteristiche critiche del pezzo“. Come vediamo, la produzione ibrida combina la produzione additiva e quella sottrattiva, prendendo il meglio di entrambi i processi e incorporandoli in un’unica macchina, rendendo la produzione ibrida più veloce e più facile da creare per i pezzi finali dei settori più esigenti.

Per quanto riguarda il processo nel suo complesso, Brian Kristaponis aggiunge: “Un processo ibrido può ridurre la quantità di materiale di partenza necessario, che a sua volta può ridurre il tempo di ciclo per creare una forma quasi netta. Può consentire geometrie interne, ridurre la necessità di dimensioni specifiche del materiale di partenza e abbassare i costi complessivi degli utensili eliminando i processi di lavorazione grezza“. A questo punto, è importante scegliere il processo giusto, sia additivo che sottrattivo, per ottenere il massimo da ogni particolare applicazione.

A. Processo di produzione sottrattiva / B. Processo di produzione additiva.

Se ci concentriamo specificamente sulla stampa 3D, vediamo che ogni tecnologia ha caratteristiche chiave che ne influenzano l’uso come complemento alla produzione sottrattiva. Questo aspetto è sottolineato anche da Elena López, che spiega: “Non tutte le tecnologie di produzione additiva sono adatte a migliorare la scalabilità dei pezzi o a effettuare riparazioni in modo conveniente“. Gli aspetti da tenere in considerazione in questa scelta sono: la risoluzione o la tolleranza del processo additivo, i materiali compatibili con la tecnologia e la necessità di un post-processing specifico dei pezzi. Quest’ultimo punto, relativo al post-processing, sarà discusso in dettaglio più avanti.

Produzione ibrida: altri aspetti da considerare

Oltre al processo di produzione in sé, è necessario comprendere l’importanza di altri aspetti della catena produttiva. Quando si parla di produzione ibrida, la progettazione a monte e il post-processing a valle giocano un ruolo fondamentale. Una comprensione dettagliata delle funzioni di entrambi i processi consentirà alle aziende di sfruttare al meglio la produzione additiva e sottrattiva per creare pezzi finali ottimali.

La fase di progettazione di solito dipende direttamente dal processo di produzione che verrà utilizzato per creare il pezzo, e sia Elena che Peter concordano sul fatto che la produzione additiva e sottrattiva incontrano limitazioni diverse in termini di progettazione. “Non tutti i progetti possono essere lavorati su una macchina CNC. Soprattutto le strutture interne complesse potrebbero non essere l’approccio più ragionevole“, esordisce Lopez. A questo proposito, Genovese aggiunge: “In generale, con la lavorazione CNC, all’aumentare della complessità del progetto aumenta anche la difficoltà di lavorazione del pezzo. Con la tecnologia additiva, invece, ci sono molti casi in cui un aumento della complessità del pezzo non si traduce in una produzione più complessa“.

Kristaponis conclude parlando del processo di progettazione nella produzione ibrida: “La complessità delle caratteristiche interne si presta molto bene a un processo ibrido. Con un ibrido, il deposito e la lavorazione possono essere ripetuti durante tutto il processo. Questo ci permette di produrre pezzi con caratteristiche interne lavorate di alta qualità che non sarebbero possibili soltanto con un processo di produzione additiva o CNC.” Quindi, combinando le due tecnologie, i designer hanno una maggiore libertà di progettare i pezzi in base alle loro prestazioni, anziché essere vincolati da un unico metodo di produzione.

La progettazione è una fase importante della produzione ibrida (Credit: nTopology).

Altro aspetto importante è il post-processing. Questo passaggio è fondamentali nella maggior parte dei processi produttivi, in quanto consente di ottenere una migliore finitura superficiale dei pezzi e, in alcuni casi, di rafforzarne le proprietà meccaniche per le applicazioni più impegnative. In questo senso, tutti e tre gli esperti concordano sul fatto che si tratta di un aspetto cruciale, non solo una volta ottenuto il pezzo grezzo, ma anche prima. Già nella progettazione del modello si deve tenere conto del tipo di post-processing da attuare, poiché la morfologia del pezzo potrebbe variare. Infatti, spiega Lopez: “La rugosità superficiale prevista, a seconda dei processi ibridi utilizzati, può essere diversa da quella di un semplice processo di stampa 3D. Se si utilizzano tecnologie sottrattive, la quantità di materiale da rimuovere deve essere presa in considerazione nella progettazione e nei percorsi di lavorazione“.

Genovese concorda su questo punto, ma cita anche le tolleranze dei pezzi. “Spesso è possibile stampare forme che non possono essere lavorate. Se in seguito è necessario lavorare il pezzo per ottenere tolleranze critiche, assicurarsi di poter accedere a questi punti una volta stampato il pezzo con le tecniche sottrattive più tradizionali“, spiega Peter. Infine, Brian affronta la questione del post-processing, concludendo: “Idealmente, si vuole produrre una forma quasi netta con quantità uniformi di materiale in tutte le direzioni. Questo rende il processo di lavorazione più prevedibile e riduce i tempi di lavorazione, poiché le operazioni di semi-finitura possono essere ridotte o omesse”.

Nella produzione ibrida, il post-processing viene utilizzato per ottenere la finitura superficiale desiderata. Con le tecnologie metalliche, questo viene fatto utilizzando tecniche come la lavorazione CNC.

I consigli finali dei nostri esperti

Peter Genovese: Il mio consiglio è di rivolgersi a qualcuno che ha già percorso questa strada e che può essere d’aiuto nell’intraprendere questa strada. Il mondo della produzione additiva e della lavorazione CNC è incredibilmente vasto. Conoscere le numerose opzioni possibili e sapere come sfruttarle insieme non è semplice. Trovare consulenti o aziende in settori simili al proprio che hanno avuto successo con la produzione ibrida è un’ottima risorsa per vagliare tutte le opzioni.

Elena López: È necessario esaminare attentamente il caso d’uso a cui si mira e valutare ciò che è più importante per noi. L’aggiunta di tecnologie di lavorazione CNC richiede l’assunzione o la formazione di un esperto in queste altre tecnologie. La soluzione di produzione ibrida può non essere la più conveniente, ma può aggiungere flessibilità per applicazioni future.

Brian Kristaponis: Con le macchine ibride che utilizzano macchine CNC come sistema di controllo del movimento, è necessaria una soluzione software CAM che supporti entrambe le tecnologie allo stesso modo. Con l’arrivo sul mercato di un numero sempre maggiore di macchine, le aziende produttrici di software dedicheranno maggiori risorse per rendere più facile e veloce la programmazione di queste macchine e ottenere una perfetta integrazione tra additivo e sottrattivo.

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*Crediti immagine di copertina: Cenit