Fabbricazione additiva vs. sottrattiva

La fabbricazione additiva è un processo che costruisce parti dalla base in su, aggiungendo strati successivi per realizzare un prodotto. La stampa 3D è la tecnologia più associata alla fabbricazione additiva. La produzione sottrattiva rimuove il materiale per fabbricare un pezzo. Questo processo utilizza tradizionalmente la lavorazione a controllo numerico computerizzato (CNC).

Entrambe le tecnologie possono utilizzare modelli software di progettazione assistita da computer (CAD) per produrre prodotti. Queste tecnologie di produzione hanno avuto un enorme impatto sui prototipi e sulla produzione e continuano a fare progressi.

Questo articolo parla di fabbricazione additiva e sottrattiva, delle loro differenze, delle spese, delle applicazioni e del processo ibrido.

Le differenze tra fabbricazione additiva e sottrattiva sono significative. La fabbricazione additiva, spesso chiamata stampa 3D, aggiunge strati successivi di materiale per creare un oggetto. La produzione sottrattiva rimuove il materiale per creare un oggetto.

Fabbricazione additiva

Entrambe le tecnologie utilizzano disegni CAD per creare pezzi; la fabbricazione additiva fonde o fonde polveri o polimeri liquidi per formare pezzi basati sui disegni CAD. I processi di fabbricazione additiva sono più lenti e diverse tecnologie richiedono metodi di post-produzione per curare, pulire o rifinire il prodotto. La finitura superficiale non è liscia come quella della produzione sottrattiva e le tolleranze non sono così precise. Questi processi sono ideali per pezzi più leggeri, per l'efficienza dei materiali, per la prototipazione rapida e per la produzione di piccoli e medi lotti.

Sono disponibili geometrie complesse, compresa la stampa di giunti articolati con la fabbricazione additiva. Le geometrie sono più complicate e l'impostazione è semplice e veloce, senza la necessità di un operatore durante il processo di stampa. I materiali più comuni utilizzati nella fabbricazione additiva sono la plastica e i metalli. Il costo delle attrezzature è inferiore a quello della produzione sottrattiva e sono disponibili vari colori di materiali per la maggior parte delle operazioni di stampa 3D.

Le tecnologie additive comprendono:

• Binder Jetting - Il processo utilizza agenti leganti liquidi depositati selettivamente per unire materiali in polvere. I materiali includono metallo, plastica, ceramica e sabbia.
• Directed Energy Deposition (DED) - Il DED utilizza energia termica focalizzata per fondere i materiali mentre vengono depositati. I materiali includono fili e polveri.
• Estrusione di materiale - L'estrusione dispensa selettivamente il materiale attraverso un ugello o un orifizio in strati. I materiali includono plastica, nylon, FDM, FF e sabbia.
• Getto di materiale: le gocce vengono depositate selettivamente per formare prodotti. I materiali includono fotopolimeri, cera, sabbia e materiale per il poly-jetting.
• Fusione del letto di polvere: l'energia termica fonde selettivamente regioni di un letto di polvere. I materiali includono metalli, polimeri e fibre.
• Laminazione di fogli: fogli di materiale vengono incollati per formare un oggetto. I materiali includono metallo, carta, legno e plastica.
• Fotopolimerizzazione in vasca: il fotopolimero pre-depositato viene polimerizzato selettivamente mediante reticolazione attivata dalla luce di catene polimeriche adiacenti. I materiali includono i fotopolimeri.

Produzione sottrattiva

La produzione sottrattiva prevede l'asportazione di materiale mediante tornitura, fresatura, foratura, molatura, taglio e alesatura. Il materiale è tipicamente metallo o plastica e il prodotto finale ha una finitura liscia con tolleranze dimensionali ristrette. È disponibile un'ampia varietà di materiali. I cambi di lavorazione sono più lunghi, ma i cambiautensili automatici aiutano a ridurre i ritardi. I processi possono essere completamente automatizzati, anche se un addetto può supervisionare due o più macchine.

I costi delle attrezzature sono più elevati e di solito richiedono maschere, attrezzature e utensili aggiuntivi. È la soluzione migliore per la produzione di grandi dimensioni, con tempi di produzione ragionevolmente rapidi ma cambi di produzione lunghi. Le attrezzature per la movimentazione dei materiali aiutano entrambi i processi a caricare e rimuovere il materiale. Le geometrie non sono complesse come quelle dei processi di fabbricazione additiva.

Le tecnologie di produzione sottrattiva includono:

• Abrasione: questo processo di produzione utilizza l'attrito per consumare la superficie del materiale attraverso la molatura e la lucidatura dei prodotti.
• Centri di lavoro CNC - Il processo di produzione computerizzato per controllare macchinari complessi tramite un software pre-programmato per regolare le attrezzature di lavorazione per tagliare e modellare i pezzi. Queste attrezzature comprendono fresatura, tornitura, foratura, alesatura, smerigliatura e centri di lavoro CNC a 5 assi.
• Lavorazione a scarica elettrica (EDM) - Conosciuta anche come "lavorazione a scintilla", "bruciatura del filo" o "erosione del filo", l'EDM è un processo di lavorazione non tradizionale che utilizza scariche elettriche da 80,00ºC a 12.000ºC per rimuovere il materiale da un pezzo posto in un liquido dielettrico. 
• Taglio laser: questo metodo di produzione utilizza un laser a gas, spesso CO2, per l'energia. Il raggio laser è guidato da specchi e diretto verso il pezzo da lavorare per rimuovere il materiale. La potenza del raggio laser è compresa tra 1.500 e 2.600 watt.
• Taglio a getto d'acqua: il taglio a getto d'acqua è un processo di erosione accelerata che utilizza un flusso d'acqua ad alta pressione. Questo metodo di taglio CNC utilizza l'energia dell'acqua ad altissima pressione che diventa ipersonica a velocità fino a 2.500 mph (Mach 3).

I materiali per i processi di produzione sottrattiva includono metalli duri, metalli morbidi, plastiche termoindurenti, acrilico, legno, plastica, schiuma, compositi, vetro e pietra.

	Fabbricazione additiva	Produzione sottrattiva
Processo:	Costruisce un oggetto aggiungendo strati di materiale.	Rimuove materiale da un pezzo o da un materiale più grande per creare un oggetto.
Apparecchiature:	Questo processo comprende la fabbricazione digitale, la stampa 3D e la fabbricazione additiva, come il getto di legante, la fusione a letto di polvere, il laminato in fogli, il deposito a energia diretta, l'estrusione di materiale e il getto di materiale.	Questo processo comprende la lavorazione tradizionale, la lavorazione CNC, il taglio laser, l'elettroerosione, l'abrasione, il taglio al plasma e il taglio a getto d'acqua. Questi processi comprendono la tornitura, la fresatura, la foratura, la rettifica, il taglio e l'alesatura.
Produzione:	Adatto per prototipi e produzione di piccoli lotti.	Più adatto alla produzione di massa
Costi delle attrezzature:	Stampanti professionali da tavolo: $3.500+ Stampanti industriali: $100.000-$400.000+	Mulini e torni per hobby: $2.000+ Centro di lavoro CNC entry level: $60.000+ Centri di lavoro industriali a 5 assi: $500.000+
Precisione	Tolleranza minima di 0,004″.	Tolleranza fino a 0,001″.
Requisiti dell'area:	Le stampanti desktop possono funzionare nella maggior parte degli uffici o delle officine. Le stampanti industriali richiedono spesso un'ampia superficie di ingombro sul piano di produzione. Spesso è necessario un ambiente controllato.	Le macchine di piccole dimensioni sono spesso utilizzate in garage e officine. Le macchine industriali richiedono un ampio spazio all'interno dell'area di produzione.
Attrezzature aggiuntive	Per alcune stampanti sono necessari sistemi di post-elaborazione per l'indurimento, la finitura e la pulizia. Le applicazioni industriali possono prevedere sistemi di movimentazione dei materiali.	Possono essere necessari vari utensili, attrezzature, robotica e sistemi di movimentazione dei materiali. Sono necessari anche sistemi di raffreddamento, cambio utensili e rimozione degli scarti.
Complessità	È possibile realizzare progetti estremamente complessi, compresi pezzi articolati.	Ideale per pezzi di geometria intermedia.
Costi:	In genere più costosi della produzione sottrattiva, anche se la prototipazione in plastica è molto più rapida.	Meno costosa per la produzione in metallo.
Materiali:	Principalmente materiali plastici. Altri materiali includono metalli, ceramiche, gessi, grafite, fibra di carbonio, nitinol, polimeri e carta.	I materiali includono metalli duri, metalli morbidi, plastiche termoindurenti, acrilico, legno, plastica, schiuma, compositi, vetro e pietra.
Proprietà	Le plastiche termoindurenti presentano una potenziale debolezza strutturale a livello degli strati.	I metalli sono strutturalmente solidi e hanno un'eccellente resistenza al calore.
Preparazione:	Non è necessaria alcuna preparazione.	L'impostazione è spesso sostanziale, ma può aumentare la velocità con i cambi utensili automatici.
Velocità	I processi di stampa sono più lenti della lavorazione, ma funzionano più velocemente con i termoindurenti che con i materiali metallici. È preferibile per la prototipazione e la produzione di piccoli lotti.	Un processo relativamente veloce. È il migliore per le grandi produzioni, a causa dei lunghi tempi di messa a punto.
Finitura superficiale	La superficie può essere leggermente ruvida a seconda del materiale e della velocità di stampa.	La finitura è liscia. Sono disponibili diverse finiture per la lavorazione.
Formazione	Le stampanti desktop sono veloci da configurare, ma la programmazione richiede un po' di tempo. Le stampanti industriali richiedono una formazione e un assistente.	Le macchine per hobby richiedono una certa formazione.  Le apparecchiature industriali richiedono una formazione approfondita e la produzione può essere completamente automatizzata con la supervisione di un addetto.

Le tecnologie additive e sottrattive prevedono una varietà di processi diversi. I costi e le capacità variano dalle macchine da tavolo alle grandi attrezzature industriali. Negli ultimi anni i prezzi sono diminuiti notevolmente, soprattutto per le tecnologie additive. Oggi sono disponibili strumenti di fabbricazione additiva e sottrattiva compatti e facili da usare per spazi di lavoro professionali, officine meccaniche e laboratori.

Le stampanti 3D entry-level partono da alcune centinaia di dollari, mentre il costo delle stampanti desktop adatte agli appassionati va da circa 3.500 a 20.000 dollari. Le stampanti industriali partono da 10.000 dollari e arrivano a costare oltre 400.000 dollari.

Le frese e i torni per hobbisti partono da 2.000 dollari e un centro di lavoro CNC entry-level può iniziare a 60.000 dollari. I centri di lavoro industriali a 5 assi costano oltre 500.000 dollari.

La fabbricazione additiva e sottrattiva produce un'ampia gamma di prodotti in diversi settori. La fabbricazione additiva è preferita per la prototipazione rapida, la produzione di piccoli lotti e la produzione su richiesta. La produzione sottrattiva produce da tempo prototipi, ma è più adatta a grandi produzioni.

Quasi tutti i settori utilizzano prodotti di fabbricazione additiva, tra cui l'aerospaziale, l'architettura, l'automotive, l'aviazione, i beni di consumo, il lifestyle, la fabbricazione industriale, la movimentazione dei materiali, la robotica, il settore medico e dentale e lo sport. I prodotti includono impianti medici, componenti per aerei, parti di automobili, modelli di colata, utensili, staffe, pale di turbine, gioielli, intrattenimento, ciclismo e prodotti personalizzabili.

I prodotti della produzione sottrattiva sono utilizzati negli stessi settori e in altri ancora, tra cui l'aerospaziale, l'architettura, l'automotive, l'aviazione, i beni di consumo, i servizi alimentari, il lifestyle, la produzione industriale, la movimentazione dei materiali, il petrolio e il gas, la robotica, il settore medico e dentistico e lo sport. Questi prodotti sono spesso utilizzati in ambienti difficili, dove la robustezza è fondamentale. I componenti di produzione sottrattiva sono utilizzati ovunque, dai pistoni alle pale dei ventilatori, dai fusti d'acciaio alle turbine.

I componenti sottrattivi e additivi spesso si completano a vicenda nella produzione di utensili, maschere e attrezzature.

Gli approcci ibridi combinano processi additivi e sottrattivi, prendendo il meglio di entrambi i mondi e incorporandoli in un'unica macchina. Questi ibridi sfruttano i punti di forza di entrambi i sistemi di produzione e richiedono attrezzature specializzate. La produzione ibrida rende più facile e veloce la produzione di pezzi complessi.

Un esempio è la lucidatura della superficie di un pezzo stampato in 3D o la foratura di un foro che richiede una tolleranza ristretta.