Produzione additiva e sottrattiva: Un confronto completo

Introduzione

Nella produzione attuale, progetti complicati vengono trasformati in oggetti tangibili grazie all'uso di vari materiali e processi. Tra questi, le due tecniche più comuni sono la fabbricazione additiva e la fabbricazione sottrattiva. Ovviamente non userete questi due termini nella vostra conversazione quotidiana, ma sono sicuro che conoscete i processi correlati a questi termini: stampa 3D, taglio laser, taglio al plasma e CNC rientrano tutti in uno di questi due termini.

Sebbene entrambi i metodi siano progettati per produrre il prodotto finale, il meccanismo di funzionamento è del tutto opposto. Questo articolo confronta e contrappone la produzione additiva e la produzione sottrattiva in termini di differenze, impieghi nelle industrie e modalità di scelta tra i due metodi.

Che cos'è la produzione additiva

La stampa AM o 3D è un processo di creazione di oggetti a strati mediante il deposito di materiale sulla superficie dell'oggetto. Questo metodo di solito parte da un modello digitale, che può essere realizzato con un disegno assistito da computer o CAD. Il modello CAD viene quindi suddiviso in molti strati sottili sotto forma di sezioni trasversali. La macchina per la fabbricazione additiva prende quindi queste cianografie digitali e stende strati successivi di materiale o li solidifica strato per strato in base agli strati trasversali dell'oggetto da produrre, costruendo l'oggetto finale con geometrie intricate.

La produzione additiva comprende una serie di tecnologie, quali:

• Modellazione a deposizione fusa (FDM)
• Stereolitografia (SLA)
• Sinterizzazione laser selettiva (SLS)
• Sinterizzazione laser di metalli diretti (DMLS),
• Binder Jetting (BJ)
• Deposizione diretta di energia (DED)
• Laminazione dei fogli (SL)
• Produzione di oggetti laminati (LOM)
• Laminazione a deposizione selettiva (SDL)
• Elaborazione digitale della luce (DLP)
• Produzione continua di interfacce liquide (CLIP)

Tutte queste tecniche utilizzano metodi diversi per depositare il materiale e solidificarlo, ma il concetto di aggiunta strato per strato è lo stesso. La fabbricazione additiva ha la capacità di produrre strutture intricate direttamente dal progetto senza l'uso di utensili e stampi, il che ha creato nuove opportunità nella progettazione e nella produzione, in particolare per i pezzi di piccole dimensioni.

Che cos'è la produzione sottrattiva

La produzione sottrattiva (SM) è un processo di produzione convenzionale in cui il materiale viene progressivamente rimosso da un blocco solido di materiale o pezzo da lavorare per ottenere la forma desiderata. Ciò avviene normalmente attraverso vari processi di lavorazione. Anche la produzione sottrattiva si basa generalmente su un modello digitale, che viene convertito in istruzioni per macchine controllate da computer, come frese e torni CNC. Queste macchine utilizzano utensili da taglio per tagliare il materiale dal pezzo in lavorazione fino alla realizzazione del prodotto finale.

Le più comuni tecniche di produzione sottrattiva includono:

• Fresatura
• Trasformazione
• Perforazione
• Rettifica
• Taglio
• Lavorazione a scarica elettrica (EDM)
• Taglio a getto d'acqua
• Taglio laser
• Taglio al plasma

Si tratta di un metodo consolidato e ampiamente utilizzato per produrre pezzi con un'elevata precisione e una buona finitura liscia in un'ampia gamma di materiali.

Differenze chiave: Produzione additiva e sottrattiva

Sebbene entrambi i processi partano da materiali grezzi o da cianografie digitali e mirino a produrre pezzi completi, la produzione additiva e quella sottrattiva si differenziano notevolmente per i metodi di produzione e le caratteristiche. Conoscere queste differenze è importante per scegliere l'approccio giusto per una particolare applicazione.

Rifiuti di materiale

La produzione sottrattiva inizia con un pezzo di materiale di grandi dimensioni e il processo di taglio e rimozione del materiale per ottenere la forma desiderata del prodotto implica lo spreco di una grande quantità di materiale sotto forma di trucioli, scaglie o ritagli. Anche se alcuni di questi scarti possono essere riciclati, ciò significa che in molti casi le materie prime vengono utilizzate in modo meno efficiente.

D'altra parte, la fabbricazione additiva comporta uno spreco relativamente minore di materiale nel processo di produzione. Poiché il materiale viene aggiunto solo dove necessario, anche lo spreco di materiale è minore con questo metodo. Spesso si ha l'impressione che si tratti di un processo più rispettoso dell'ambiente e anche se ciò può essere vero, è necessario esaminare i dettagli di ciascun processo per determinare se è il migliore per l'applicazione.

Selezione del materiale

La produzione sottrattiva offre in genere una gamma più ampia di opzioni di materiali rispetto alla produzione additiva. Quasi tutti i materiali che possono essere lavorati, compresi vari metalli (acciaio, alluminio, acciaio inossidabile, rame, ottone, ecc.), plastiche, legno, compositi e ceramiche, possono essere lavorati con i metodi tradizionali di produzione sottrattiva, comprese le tecniche di taglio a raggio laser.

Sebbene la produzione additiva stia ampliando costantemente la sua applicabilità ai materiali, è ancora piuttosto limitata in termini di ampia gamma di materiali che possono essere utilizzati in modo efficiente. La scelta dei materiali per specifici processi di fabbricazione additiva può essere limitata e alcuni di essi possono richiedere attrezzature o condizioni speciali per la lavorazione. Tuttavia, la produzione additiva è particolarmente utile per realizzare parti con materiali diversi in un'unica costruzione, cosa che potrebbe non essere fattibile con i metodi convenzionali di rimozione del materiale.

Complessità della progettazione del prodotto

La produzione additiva eccelle quando si tratta di creare forme complesse e intricate che non possono essere realizzate con i metodi tradizionali di rimozione del materiale. Geometrie complesse come reticoli interni, curve complesse e dettagli fini possono essere facilmente realizzati con i processi additivi senza la necessità di strumenti speciali o di configurazioni multiple.

La produzione sottrattiva è un metodo molto accurato per la produzione di pezzi, ma ha l'inconveniente della disponibilità di utensili da taglio e di attrezzature. Le caratteristiche interne o i sottosquadri intricati possono richiedere diversi utensili e impostazioni, il che rende il processo più lungo e costoso.

Volume di produzione

La produzione sottrattiva è in genere più produttiva ed economica per la produzione di massa di componenti di forma semplice in varie officine meccaniche. Dopo l'attrezzaggio e l'impostazione, il tempo necessario per produrre ogni pezzo è inferiore a quello della produzione additiva.

La manifattura additiva è più adatta alla produzione di bassi volumi, alla prototipazione e alla produzione di pezzi unici, per i quali i costi di allestimento della manifattura sottrattiva sarebbero molto elevati. Tuttavia, i miglioramenti nella tecnologia della produzione additiva la rendono costantemente possibile anche per la produzione di medi volumi.

Velocità di produzione

La velocità di produzione delle tecniche additive e sottrattive può essere fortemente influenzata dalla complessità del pezzo e dal numero di pezzi da produrre. Nel caso di prototipi e piccole serie di pezzi intricati, la produzione additiva può essere più veloce perché non richiede utensili e configurazioni complesse.

Tuttavia, per grandi quantità di componenti relativamente poco complicati, i processi ben sviluppati ed efficienti della produzione sottrattiva possono fornire tempi di produzione totali molto più brevi.

Il tempo di costruzione nella produzione additiva dipende dalle dimensioni e dalla complessità del pezzo, poiché ogni strato deve essere depositato e solidificato. Nella produzione sottrattiva, il tempo di lavorazione è funzione della quantità di materiale da tagliare e del tipo di operazioni da eseguire.

Precisione e tolleranza

La produzione sottrattiva, in particolare i processi di lavorazione di precisione, sono in grado di fornire elevati livelli di accuratezza e tolleranze ridotte. Le macchine CNC sono in grado di muoversi e tagliare con grande precisione e questo permette di produrre pezzi con tolleranze di pochi micrometri.

La produzione additiva, pur migliorando la precisione, presenta generalmente tolleranze più ampie rispetto ai metodi sottrattivi. La precisione dei pezzi prodotti con la fabbricazione additiva dipende dal tipo di materiale utilizzato, dal tipo di tecnologia impiegata nel processo di fabbricazione e dalle impostazioni della macchina.

Nei casi in cui le dimensioni del prodotto devono essere molto precise e le tolleranze molto ridotte, la produzione sottrattiva è la più adatta.

Finitura superficiale

I processi di produzione sottrattiva, come la lavorazione e la rettifica, possono produrre superfici molto lisce e di alta qualità. Questi utensili da taglio possono generare superfici con bassa rugosità, il che significa che potrebbe non essere necessaria una successiva operazione di finitura.

I pezzi AM sono normalmente costruiti a strati e quindi la finitura superficiale dei pezzi non è liscia come quella dei pezzi realizzati con il processo di produzione sottrattiva. Sebbene sia possibile applicare tecniche come la levigatura, la lucidatura e il rivestimento per migliorare la finitura superficiale dei pezzi prodotti in modo additivo, questi processi aggiuntivi aumentano i tempi e i costi di produzione.

In alcuni casi, quando la finitura superficiale è un fattore importante, è più appropriato utilizzare la produzione sottrattiva.

Produzione additiva e sottrattiva: Applicazioni industriali

Sia la produzione additiva che quella sottrattiva hanno trovato applicazioni diffuse in diversi settori, ciascuno dei quali sfrutta i punti di forza unici dei rispettivi processi.

Applicazioni della produzione additiva

La produzione additiva ha rivoluzionato diversi settori grazie alla sua capacità di creare parti complesse e personalizzate. Le principali applicazioni industriali includono:

Aerospaziale

Applicazioni aerospaziali come la fabbricazione di strutture leggere per aerei e navette spaziali, prototipazione e attrezzaggio. La capacità dell'AM di produrre strutture complesse con materiali minimi è fondamentale per ridurre il peso e migliorare il risparmio di carburante nelle applicazioni aerospaziali. Inoltre, consente di velocizzare le fasi di progettazione e collaudo del processo di sviluppo.

Medico

Creazione di impianti, protesi, restauri dentali o persino guide chirurgiche su misura per ogni singolo paziente. Con l'AM, il livello di personalizzazione raggiunge livelli sorprendenti che consentono di ottenere dispositivi medici ben adattati e quindi più efficienti per i pazienti. La tecnologia consente inoltre di sviluppare tessuti complessi strutturati internamente e porosi che favoriscono la crescita di materiali benefici.

Automotive

Prototipazione rapida, attrezzaggio, produzione di prodotti ed elementi speciali, pezzi di ricambio. L'AM consente la prototipazione rapida e la generazione di progetti complessi senza la necessità di costosi stampi e matrici. Inoltre, consente di produrre piccole quantità di componenti specializzati e parti di ricambio quando necessario, riducendo così al minimo le spese di magazzino.

Architettura

Produzione di modelli architettonici e prototipi dettagliati. L'AM può aiutare gli architetti a produrre modelli fisici più accurati e dettagliati dei loro progetti, che li aiuteranno a spiegare le loro idee e a visualizzare le strutture che stanno per costruire.

Applicazioni della produzione sottrattiva

La produzione sottrattiva è ancora ampiamente utilizzata in molti settori industriali perché consente di ottenere un'elevata precisione, una buona finitura superficiale e un costo ridotto per le grandi produzioni. Le principali applicazioni industriali includono:

Automotive

La produzione sottrattiva è ampiamente utilizzata nell'industria automobilistica per creare un gran numero di componenti essenziali. Si tratta di parti di motore come testate e blocchi motore, telai e sospensioni che devono essere molto precisi e resistenti. La produzione sottrattiva è ideale per la produzione di massa, in quanto è efficiente nel fornire elevate quantità di prodotti uniformi in termini di qualità e prestazioni per soddisfare le esigenze dell'industria automobilistica per milioni di veicoli.

Aerospaziale

La produzione sottrattiva è ampiamente utilizzata nell'industria aerospaziale per produrre parti strutturali complesse e ad alta resistenza per aerei e veicoli spaziali. Componenti come l'alluminio, il titanio e altre leghe specifiche vengono tagliati e modellati secondo le specifiche necessarie per peso e resistenza. Questi metodi aiutano a raggiungere la precisione richiesta dei dettagli e la qualità del materiale, che è fondamentale per la sicurezza dei veicoli aerospaziali utilizzati in condizioni difficili.

Elettronica

La produzione sottrattiva è ampiamente utilizzata anche nella produzione di dispositivi elettronici, in particolare nella realizzazione di involucri e custodie di diversi gadget e apparecchiature. La lavorazione e la fresatura sono impiegate per tagliare e modellare metalli e plastiche in modo da adattarsi ai contorni dell'involucro, proteggere le parti interne e migliorarne l'aspetto. Inoltre, nella formazione di dissipatori di calore e di altre parti con determinate caratteristiche termiche ed elettriche, si utilizzano i processi sottrattivi.

Medico

La produzione sottrattiva è ampiamente utilizzata in campo medico per la produzione di vari dispositivi e strumenti medici che richiedono un'elevata precisione e spesso utilizzano materiali biocompatibili. Si tratta di strumenti chirurgici, impianti ortopedici e parti di apparecchiature diagnostiche. Le caratteristiche delicate e le finiture superficiali lisce sono essenziali per la sicurezza e l'efficienza dei dispositivi medici utilizzati per aiutare i pazienti e vengono ottenute attraverso la lavorazione e la rettifica.

Come scegliere tra produzione additiva e sottrattiva?

La scelta tra produzione additiva e sottrattiva dipende da diversi fattori che sono specifici dell'applicazione e delle esigenze di produzione. Di seguito sono elencati alcuni dei fattori che dovrebbero essere presi in considerazione al momento della decisione:

Tipo di materiale

Il tipo di materiale scelto può talvolta essere un fattore decisivo. Se si tratta di materiali come alcuni acciai, metalli o leghe di alluminio, i processi di produzione sottrattiva sono più efficaci.

Tuttavia, se il progetto consente l'uso di materiali più facili da lavorare o con prestazioni migliori attraverso l'AM, come i materiali termoplastici, l'AM presenta un chiaro vantaggio sia nel processo di produzione che nell'applicazione finale.

Volume di produzione

Nel caso di bassi volumi di produzione, soprattutto quando si tratta di pezzi intricati o di piccoli lotti, l'AM può essere più economica grazie ai bassi costi di attrezzaggio e alla capacità di creare forme complesse senza bisogno di strumenti aggiuntivi.

Tuttavia, quando i volumi di produzione aumentano, il costo per pezzo della produzione sottrattiva diventa più favorevole, soprattutto per le geometrie complesse. I metodi sottrattivi sono generalmente preferiti nella produzione di alti volumi perché, una volta impostati gli utensili, il processo è più rapido.

Sostenibilità

Altri fattori che possono essere presi in considerazione sono quelli della sostenibilità. Uno dei vantaggi della produzione additiva è che in alcuni casi può aiutare a ridurre al minimo lo spreco di materiale. Tuttavia, occorre tenere conto anche del consumo energetico e della riciclabilità dei materiali utilizzati nella AM.

La produzione sottrattiva crea scarti, ma nella maggior parte dei casi questi scarti (in particolare i metalli) possono essere riutilizzati. È possibile che sia necessaria una valutazione del ciclo di vita per decidere quale opzione sia più sostenibile per una determinata applicazione.

Precisione e tolleranze

Se l'applicazione richiede alta precisione e tolleranze ridotte, la produzione sottrattiva, in particolare la lavorazione di precisione, è il metodo più appropriato.

Sebbene la precisione della produzione additiva stia aumentando, non è ancora così precisa come la produzione sottrattiva per le applicazioni con tolleranze critiche.

Requisiti di resistenza e durata

Le proprietà meccaniche dei pezzi realizzati con la fabbricazione additiva e sottrattiva sono diverse in termini di resistenza e durata a seconda del materiale e del processo utilizzato.

La produzione sottrattiva, in particolare quando si tratta di metalli battuti, produce pezzi ad alta resistenza e durata grazie al flusso continuo dei grani del materiale.

I pezzi AM possono avere proprietà anisotrope o una resistenza complessiva inferiore in base alla tecnologia e al materiale utilizzato nel processo e possono essere più deboli dei pezzi prodotti con la fabbricazione sottrattiva.

Tuttavia, per le applicazioni portanti o ad alta sollecitazione, è più sicuro utilizzare materiali tradizionali attraverso il processo di produzione sottrattiva.

Parte Design

L'intricatezza della progettazione dei pezzi è molto importante. Rispetto ai metodi sottrattivi, la produzione additiva è in grado di produrre geometrie complesse, reticoli interni e curve intricate che i metodi sottrattivi sono talvolta impossibili o estremamente difficili da creare.

Tuttavia, se il progetto non è molto complesso e può essere realizzato tagliando il materiale da un blocco, è più vantaggioso utilizzare la produzione sottrattiva.

Tempi di consegna

Poiché per la maggior parte dei processi di produzione additiva non è necessario l'uso di utensili, i prototipi rapidi e le piccole serie possono spesso essere completati in una frazione di tempo. Sebbene questo sia vero, per la produzione di alti volumi, il processo di produzione sottrattiva, unito a un'elevata efficienza di processo, tende a produrre tempi migliori dopo il completamento della configurazione iniziale.

Costo

Infine, il costo è un fattore molto importante che non può essere trascurato. I costi dei materiali, delle attrezzature, della manodopera e della post-elaborazione devono essere confrontati tra i processi di produzione additiva e sottrattiva. Il metodo di produzione più conveniente dipende dall'applicazione, dal numero di pezzi da produrre e dalla complessità del pezzo.

TZR: il vostro partner nella produzione sottrattiva di precisione

TZR fornisce servizi esperti di produzione sottrattiva, specializzati nel taglio laser, nel taglio al plasma e nel taglio laser di tubi per progetti che richiedono alta precisione, resistenza e parti metalliche di lunga durata. Con oltre 10 anni di esperienza nel settore e con l'utilizzo di tecnologie moderne, tra cui una taglierina laser da 20.000W per lavorare su diversi tipi di metalli come acciaio, acciaio inox, alluminio, rame e ottone.

Spaziando dai settori automobilistico, dei dispositivi medici, delle stampanti 3D e delle energie rinnovabili, TZR offre una gamma completa di soluzioni di progettazione, prototipazione e produzione. Il nostro impegno per la qualità garantisce una precisione fino a ±0,02 mm e un tasso di qualificazione 98%, che soddisfa i rigorosi standard globali.

Collaborate con TZR per ottenere soluzioni affidabili e di alta qualità nella lavorazione di precisione della lamiera. Visitate il nostro sito web per saperne di più sulle nostre soluzioni esperte.

Conclusione

La produzione additiva e quella sottrattiva sono due metodi di produzione diversi ma importanti nel mondo contemporaneo. Tutti hanno vantaggi e svantaggi e vengono utilizzati in vari campi a seconda del compito specifico. La scelta dipende dalla valutazione delle esigenze del progetto in questione.

È chiaro che le tecnologie di produzione additiva e sottrattiva rimarranno rilevanti anche in futuro, con il progredire delle tecnologie di produzione. È quindi importante capire le differenze tra di esse e i fattori che ne determinano la scelta, per fare le scelte giuste e migliorare il processo di produzione di qualsiasi progetto.

FAQS

D: La produzione additiva è più rispettosa dell'ambiente rispetto alla produzione sottrattiva?

A: La produzione additiva riduce in genere gli scarti di materiale, ma ha un consumo energetico più elevato. D'altra parte, la produzione sottrattiva può produrre più rifiuti, ma utilizza processi di produzione tradizionali.

D: Quale metodo di produzione è più adatto alla prototipazione rapida?

A: La fabbricazione additiva è generalmente più adatta alla prototipazione rapida, perché consente iterazioni di progettazione flessibili e una produzione rapida di prototipi. Inoltre, consente di sviluppare forme geometriche complesse che non possono essere prodotte con le tecniche di produzione convenzionali.

D: La produzione sottrattiva può gestire materiali duri?

A: Sì, la produzione sottrattiva è particolarmente adatta alla lavorazione di materiali duri, come le leghe di titanio, gli acciai temprati e gli acciai inossidabili, che hanno meno probabilità di danneggiare gli utensili da taglio durante la lavorazione.