Trovare l’equilibrio tra lavorazione CNC e stampa 3D per fabbricare pezzi metallici
Come le tecniche di fabbricazione additiva e sottrattiva possono offrire la combinazione vincente per la produzione di pezzi in metallo
Desideri progettare pezzi metallici? L’unione delle tecniche di lavorazione CNC e stampa 3D di metalli non solo offre maggiore flessibilità in fase di progettazione, ma permette anche di ridurre le tempistiche di realizzazione beneficiando di costi più convenienti che mai. Per approfittare di tali vantaggi, però, occorre innanzitutto comprendere le differenze e i punti di forza inerenti a ciascun processo al fine di volgerli a proprio vantaggio.
Svelare i pro e i contro delle tecniche di fabbricazione dei metalli
Le metodologie di lavorazione CNC e sinterizzazione laser diretta dei metalli (DMLS), la principale tecnica usata per realizzare pezzi metallici complessi con stampa 3D, presentano un legame particolarmente significativo. La DMLS ha il vantaggio di riprodurre praticamente qualsiasi forma a partire semplicemente da un fascio laser e da un mucchio di polvere metallica. Anche se può rivelarsi un processo lento. La lavorazione, d’altro canto, è più limitata in termini di geometrie disponibili ma offre tempi di fabbricazione decisamente ridotti. Pertanto, la scelta della tecnica da adoperare dipenderà in ultima analisi dalla fattibilità delle geometrie richieste e dal numero di unità desiderate.
In molti casi però i due processi possono lavorare in sinergia. Qualche esempio? Spesso, la fabbricazione additiva a base di polvere metallica si affida alla sua controparte sottrattiva per ultimare il lavoro, ad esempio al fine di praticare fori o sottoporli ad alesatura, consentire la maschiatura o fresatura di elementi filettati o la tornitura, smerigliatura o fresatura di superfici critiche. Nella migliore delle ipotesi, i pezzi prodotti con stampa 3D necessiteranno di una qualche forma di trattamento manuale quale pulizia, goffratura o rimozione di supporti. Il passaggio in officina è dunque pressoché assicurato.
| PADRONEGGIARE LA FABBRICAZIONE DI PEZZI METALLICI |
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L’utilizzo congiunto di stampa 3D e lavorazione è consigliabile per:
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Che importanza assume tutto questo per te o per tutti coloro che ricercano la modalità più efficace per realizzare prototipi funzionali o pezzi metallici in quantità ridotte destinati all’utenza finale? Un’importanza notevole. L’adozione di una strategia in cui la stampa 3D di metalli e la lavorazione diventano fasi diverse del medesimo processo di fabbricazione, significa poter sfruttare i vantaggi di entrambe le tecniche, eliminare possibili sorprese, contenere i costi e migliorare il design dei componenti. Ecco alcune considerazioni di progettazione a cui vale la pena pensare prima di buttarsi sul prossimo progetto di creazione di pezzi metallici.
Fabbricazione o taglio di pezzi metallici
Come già accennato all’inizio di questo suggerimento per il design, è importante acquisire solide conoscenze dei processi in questione. Se sei un ingegnere potresti già avere familiarità con le nozioni che seguono; in quel caso di chiediamo di avere un po’ di pazienza per alcuni paragrafi.
Delle sei tecnologie di fabbricazione additiva in uso presso Protolabs (che rappresentano anche la principale gamma di processi di stampa 3D industriale), la DMLS è l’unica in grado di realizzare pezzi metallici. Analogamente a qualsiasi altro processo di stampa a letto di polvere, tale tecnica sfrutta uno o più laser per fondere grani microscopici di polvere metallica all’interno della camera di processo della macchina. Lavorando dal basso verso l’alto, la macchina fonde uno per volta gli strati sottilissimi che andranno a comporre il pezzo finale, mentre la lama del recoater provvede a depositare gli strati successivi di polvere fino al completamento del processo.
La lavorazione si avvale invece di utensili da taglio superduri per asportare metallo attraverso la rotazione dell’utensile attorno/a contatto con un pezzo ancorato a un banco (fresatura), oppure mediante il movimento di un utensile da taglio stazionario attorno/a contatto con un pezzo che si muove con moto rotatorio. Il processo di lavorazione va bene al di là di questa spiegazione ultra-semplificata, ma ciò che è importante ricordare per il momento è che questa tecnica ha la capacità di completare il lavoro lasciato in sospeso dalla DMLS. In altre parole, la DMLS aggiunge materiale strato dopo strato, mentre la lavorazione asporta materiale in grosse quantità o talvolta in volumi estremamente ridotti al fine di ottenere finiture superficiali ad alta precisione.
Considerazioni sulla precisione dei pezzi metallici
Sebbene la DMLS sia in grado di creare forme estremamente complesse non realizzabili con metodi alternativi, presenta alcune limitazioni: Innanzitutto, il metallo è sottoposto a un notevole riscaldamento e raffreddamento durante il funzionamento del laser, generando sollecitazioni interne che sarà necessario rimuovere tramite trattamento termico a processo ultimato. Tale aspetto non ha grosse implicazioni per chi si occupa di progettare il pezzo, ma occorre tenere presente che il ciclo di distensione comporta un certo movimento del componente e dunque una perdita di precisione. E questo è uno dei motivi che possono di sottoporre anche i pezzi realizzati con DMLS meglio progettati a lavorazione successiva per i dettagli che richiedono tolleranze inferiori a ± 0,1 mm.
Terminare il lavoro interrotto dalla DMLS
Un’altra buona ragione per combinare DMLS e lavorazione con macchine è rappresentata dalla finitura di superficie. Su una superficie verticale o orizzontale, la DMLS è in grado di produrre una rugosità più o meno corrispondente a quella generata mediante colata in sabbia. Tutte le altre superficie presenteranno un certo livello di irregolarità che dipende ampiamente dal posizionamento del pezzo all’interno della camera di processo. Se il pezzo che si intende produrre necessita di finitura liscia sarà necessario sottoporlo a carteggiatura, sabbiatura o, più probabilmente, lavorazione. Quest’ultimo passaggio non sarà particolarmente laborioso, a meno che il pezzo non richieda una finitura di precisione che la fresatrice a codolo, il trapano o il tornio non sarebbero in grado di praticare. A prescindere dalla circostanza specifica, consigliamo di segnalare dettagli critici come questo ai nostri tecnici durante l’invio del modello CAD a Protolabs, in modo da consentire l’identificazione delle parti che necessitano di processi secondari (quali la lavorazione).
Rimozione dei supporti della DMLS
Anche le strutture di supporto meritano una certa attenzione durante la progettazione di pezzi metallici mediante fabbricazione additiva. Ricorrere alla DMLS è un po’ come costruire un castello di sabbia fatto di metallo: se non si provvede ad aggiungere conchiglie o rametti per supportare la struttura, il bastione e le architravi saranno destinati a crollare e sgretolarsi. La DMLS prevede perciò l’impiego di supporti simili a impalcature che servono a impedire che il metallo semi-fuso si inclini, si pieghi o dia luogo ad altri comportamenti inattesi. Spesso, la rimozione dei supporti può avvenire tramite una fresa Dremel, anche se la lavorazione rappresenta il metodo prediletto in caso di fabbricazione di volumi significativi o qualora il pezzo debba comunque essere sottoposto alle operazioni di foratura, fresatura o tornitura citate in precedenza.
Fissaggio di pezzi stampati
A differenza della DMLS, la quale necessita di una semplice “piastra” per gestire l’intero processo di fabbricazione del pezzo, i pezzi lavorati devono essere mantenuti saldamente in posizione mediante bulloni, morse o altri dispositivi di fissaggio al fine di impedire movimenti indotti dall’azione dell’utensile di taglio. Se il tuo pezzo realizzato con stampa 3D è composto interamente da forme curve e organiche (che rientrano tra le caratteristiche più interessanti offerte dalla stampa tridimensionale), in che modo potrà essere fissato durante la tornitura o fresatura? Parlane con un tecnico specializzato Protolabs, ma potrebbe essere necessario inserire nel design un paio di superfici parallele o alcuni fori di montaggio che permettano il fissaggio del tuo pezzo durante la fase di lavorazione.
Considerazioni sulla lavorabilità
Infine, bisogna anche pensare al metallo. Per i laser adoperati nella DMLS, il grado di durezza o robustezza del metallo non è importante. Nel caso degli utensili da taglio, la faccenda è tuttavia molto diversa. La DMLS è nota per la capacità di stampare in 3D metalli di grado medico o aerospaziale quali il titanio, Inconel e altri. E sebbene sia possibile adottare differenti parametri di sinterizzazione laser o velocità di realizzazione, il risultato ottenuto sarà relativamente inalterato. La lavorazione di tali metalli, d’altra parte, richiederà profondità di taglio inferiori oltre a velocità e input ridotti, consumando un quantitativo maggiore di utensili da taglio e allungando i tempi di lavorazione. Per accedere alla gamma completa di metalli Protolabs destinati alla lavorazione e alla stampa 3D, consulta la Guida al confronto dei materiali. Dopo aver visionato l’elenco potresti anche avere ulteriori domande legate ai metalli; ad esempio, qualora un determinato materiale non sia disponibile per il servizio di lavorazione, non è detto che non possa essere utilizzato per i processi secondari applicati ai pezzi stampati in 3D. Per domande come questa, rivolgiti ai nostri tecnici specializzati al numero +39 0321 381211 o scrivi all’indirizzo [email protected].
Combinare processi complessi per la fabbricazione di pezzi metallici
In conclusione, è possibile beneficiare dei vantaggi offerti dalle tecniche di lavorazione e di stampa 3D per fabbricare pezzi metallici, ma invitiamo a considerare attentamente i suggerimenti trattati in questo articolo. La lavorazione e la stampa 3D di metalli sono tecnologie altamente complesse e solo comprendendone le implicazioni sul proprio progetto sarà possibile volgerle a proprio vantaggio. Quindi, non avere timore di porre domande e di sfruttare i punti di forza propri di ciascun processo, tenendo presente che possono lavorare in perfetta sinergia nella fase di fabbricazione.
Se pensi che il pezzo metallico che stai progettando potrebbe beneficiare da una combinazione di stampa 3D e lavorazione CNC, non esitare a segnalarlo durante la tua richiesta di preventivo. In fase di caricamento del file CAD, seleziona l’opzione relativa alla finitura personalizzata e aggiungi commenti specificando i dettagli o le superfici che necessitano di finitura aggiuntiva. È possibile anche allegare documenti (come un disegno) per identificare tolleranze, finiture di superficie e altri requisiti di fabbricazione.