Stampa CNC e stampa 3D a confronto: qual è il modo migliore per realizzare una parte?

Introduzione

Lo sviluppo di materiali di stampa 3D più resistenti ha incoraggiato i produttori di tutti i settori a esplorare la stampa CNC rispetto alla stampa 3D e a trovare il modo di stampare in 3D parti funzionali che in precedenza venivano lavorate con macchine CNC. Il processo di stampa 3D può far risparmiare ai produttori tempo e denaro, pur garantendo la qualità necessaria per una produzione di livello industriale.

I produttori che effettuano il passaggio possono sfruttare il software di stampa 3D per prototipare e produrre parti in un solo giorno, a costi notevolmente ridotti rispetto alla tradizionale lavorazione CNC. Tuttavia, ci sono ancora diverse aree chiave in cui il CNC può ancora essere la scelta giusta per la produzione di parti.

Da una prospettiva fisica a una finanziaria, esaminiamo alcune delle aree chiave da valutare prima di decidere tra stampa CNC e stampa 3D.

Leggi la nostra Guida all'acquisto di stampanti 3D

Considerazioni di carattere fisico

Geometria

Dimensioni del particolare: sia i processi di stampa CNC che quelli di stampa 3D sono vincolati alle dimensioni dell'utensile; nel caso della stampa CNC, il diametro dell'utensile determina il particolare negativo più piccolo che può essere creato. Nel caso della stampa 3D, invece, è il diametro dell'ugello a determinare il particolare positivo più piccolo che può essere prodotto. Il diametro dell'ugello delle stampanti 3D a estrusione è tipicamente compreso tra 0,25 e 0,8 mm, mentre la dimensione minima dei particolari per queste macchine è 4 volte superiore, con una dimensione minima dei particolari compresa tra 1,0 e 3,2 mm.

Per maggiori dettagli sulle dimensioni minime dei particolari per il rinforzo in fibra continua, abbiamo creato una guida alle dimensioni minime dei particolari in fibra.

Finitura superficiale: con gli strumenti giusti, le macchine CNC sono in grado di produrre superfici molto più lisce rispetto alle stampanti 3D. Le stampanti 3D sono in grado di produrre parti per l'adattamento e la finitura, ma in caso di parti che richiedono una levigatezza eccezionale per l'accoppiamento con altri componenti di precisione, può essere preferibile la lavorazione CNC.

Tolleranze: alcune delle migliori stampanti 3D per compositi sono in grado di mantenere tolleranze dimensionali fino a +/- 0,005" e, in genere, dispongono di una superficie conforme per il fissaggio a pressione. I particolari delle parti stampate in 3D con una tolleranza ristretta possono essere post-lavorati. Tuttavia, a seconda degli altri particolari che dovrà avere la parte, potrebbe essere più facile lavorare l'intera parte. I risultati possono variare in base alla macchina, al materiale e alla geometria della parte.

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Carichi: le parti non strutturali in genere possono essere realizzate facilmente con la stampa 3D convenzionale. Di contro, le parti strutturali che devono resistere a carichi fisici significativi possono essere prodotte con un rinforzo continuo in fibra o mediante lavorazione CNC. Sebbene il rinforzo in fibra continua possa fornire un miglioramento significativo della resistenza rispetto ad altre parti stampate in 3D, le parti in composito sono più forti su due assi (X, Y) rispetto all'asse Z e non presentano proprietà isotropiche come le parti in metallo. Per saperne di più su come ciò potrebbe influire sulla progettazione e sull'orientamento delle parti per la stampa, è possibile questo articolo sul riempimento isotropico delle fibre, che analizza queste parti in modo più approfondito.

Consulta il nostro white paper su come stampare in 3D utensili e attrezzature

Ambiente

La stampa 3D e la lavorazione CNC sono entrambe in grado di produrre parti in metalli e polimeri, quindi la scelta si orienterà su quale processo è più facilmente disponibile per formare il materiale di cui si ha bisogno.

Temperatura: la stampa 3D e la lavorazione CNC sono entrambe in grado di produrre parti in metalli e polimeri, quindi la scelta si orienterà su quale processo è più facilmente disponibile per formare il materiale di cui si ha bisogno. La temperatura di esercizio di un particolare metallo è in un certo senso in relazione con la sua temperatura di fusione. "I metalli puri di solito si indeboliscono gravemente a circa metà del punto di fusione su una scala di temperatura assoluta (punto di fusione in gradi F più 459)" Le leghe possono tipicamente spingere l'intervallo utile più in alto, in alcuni casi fino a circa il 65% della temperatura di fusione.

I compositi e i polimeri stampati in 3D presentano limiti di temperatura di esercizio inferiori a quelli dei metalli. Tendenzialmente i materiali Markforged non devono essere utilizzati per periodi prolungati a temperature elevate superiori a 150 °C.

Umidità: alcuni filamenti polimerici assorbono l'umidità e possono perdere resistenza in caso di esposizione o immersione prolungata. Potrebbe essere necessario un rivestimento, come il Liquitex. L'umidità in genere non influisce sull'alluminio, ma può far arrugginire l'acciaio.

Prodotti chimici: se la parte sarà sottoposta a sostanze chimiche, è bene verificare la compatibilità chimica del materiale con le sostanze chimiche. Sebbene molti metalli siano adatti all'uso con una varietà di sostanze chimiche, verificare sempre la compatibilità prima di introdurre un nuovo materiale o ambiente. I materiali Markforged a base di nylon sono chimicamente resistenti e non vengono intaccati dalla maggior parte dei prodotti petrolchimici. Non sono adatti all'uso in ambienti con acidi o basi forti.

Considerazioni di carattere economico

Quando è necessaria la parte?

Lavorazione interna: se la parte è necessaria immediatamente, non ci sono altri ritardi nell'operazione e si dispone di una macchina, di un operatore, di materiali e di sistemi di presa pezzo, è consigliabile eseguire la lavorazione CNC della parte. Se ci sono lavori più urgenti, o se la parte può aspettare, la stampa 3D in genere consente di realizzare la parte il giorno successivo, in modo che l'operatore possa dedicarsi ad attività più critiche.

La lavorazione CNC di solito è in grado di asportare il materiale molto più velocemente di quanto la stampa 3D possa depositarlo. Per la lavorazione, le dimensioni di solito non sono un fattore determinante per il vincolo temporale; la quantità di asportazione di materiale richiesta è molto più critica. Se il rapporto volume della parte /volume di magazzino è molto basso (l'asportazione di materiale è elevata), la stampa 3D può essere una buona opzione.

Con la stampa 3D, le dimensioni della parte influiscono sui tempi; le parti più grandi richiedono più tempo per essere stampate. Se una parte sta nel palmo di una mano, di solito è possibile ottenerla in giornata. Con le parti più piccole, spesso è più veloce stampare in 3D che lavorare a macchina. Con una macchina CNC è necessario dedicare del tempo a procurarsi il materiale, scrivere il codice G, definire il supporto di lavoro, configurare gli utensili e ripulire al termine dell'operazione. Alcune parti possono essere stampate nel tempo necessario per preparare una macchina CNC.

Lavorazioni esterne: il processo di esternalizzazione dei componenti lavorati ai servizi di lavorazione CNC richiede in genere almeno alcuni giorni tra il riesame delle parti, la creazione dei disegni, l'invio di un preventivo e il riesame con l'ufficio acquisti. Tutto questo, sommato alle spese di spedizione e ai lead time dell'officina, può talvolta sfociare in un processo molto lungo. In questo caso, la stampa può essere un modo adatto per verificare l'adattamento e la finitura, o per avere una parte pronta il giorno successivo mentre viene tagliata una parte permanente.

Quante ne servono?

Quando si analizza il costo delle parti lavorate in volumi ridotti, la maggior parte del costo deriva dal tempo necessario per la programmazione e la configurazione; il tempo effettivo di taglio del metallo è generalmente piuttosto breve. L'aumento dei volumi di produzione si ottiene generalmente realizzando configurazioni più grandi per tagliare più parti in maniera non presidiata. Con l'aumento della complessità delle parti e del numero di feature, possono aumentare anche il tempo di programmazione e il numero di configurazioni necessarie. Tuttavia, il costo delle unità aggiuntive diminuisce abbastanza rapidamente. A seconda della geometria, il costo unitario del CNC può raggiungere ordini di centinaia o migliaia di unità al mese, poiché la programmazione e la configurazione possono essere riutilizzate.

Con la stampa 3D, la programmazione (slicing) avviene in pochi minuti e la complessità ha un effetto minimo sul tempo di programmazione. Mentre il costo e lo sforzo della prima unità sono bassi, il costo unitario non è influenzato molto dal volume. L'aumento dei volumi di produzione si ottiene generalmente mettendo online più macchine.

Qual è il budget disponibile per le attrezzature e gli operatori?

Le macchine CNC possono funzionare in maniera non presidiata quando sono configurate correttamente, ma in genere gli operatori e i programmatori formati a tempo pieno sono fondamentali per il successo dell'operazione. Le macchine non sono sempre facili da manutenere per i proprietari e richiedono costosi piani di manutenzione.

Le stampanti 3D possono facilmente funzionare senza presidio, gli operatori richiedono una formazione minima e la programmazione è facilitata dal software. Le macchine sono in genere facili da manutenere e hanno costi di manutenzione molto più bassi.

Le macchine CNC e le stampanti 3D hanno prezzi diversi in base alle feature e alla qualità costruttiva, ma in genere le stampanti 3D possono essere acquistate con un investimento significativamente inferiore a quello di una macchina CNC.

I costi iniziali e operativi della produzione additiva sono bassi e la rendono ideale per applicazioni in volumi ridotti come la prototipazione e la costruzione di utensili. Tuttavia, in caso di volumi più elevati, la produzione sottrattiva e la formatura sono economicamente più convenienti.

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Come collocarsi nel dibattito sulla stampa CNC rispetto alla stampa 3D?

Non si tratta semplicemente della sostituzione di un processo uno a uno, e la stampa 3D non risolverà tutti i problemi di produzione da un giorno all'altro. I vincoli economici limitano la quantità di parti economiche per la stampa 3D in volumi ridotti, e i vincoli dei materiali e dei processi possono limitare lo spazio di applicazione. La lavorazione CNC, d'altra parte, vede economie di scala favorevoli quando le quantità sono un po' più elevate, di solito dell'ordine di centinaia di unità al mese.‍