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Come muoversi tra la stampa 3D e la lavorazione di parti in plastica con macchine CNC

Looks at material selection, geometry, and surface finish when choosing processes

Fino a non molto tempo fa, per realizzare prototipi o pezzi di produzione mediante lavorazione meccanica era necessario un procedimento lungo e costoso. Si spediva un disegno in formato cartaceo alla propria officina di fiducia, si discutevano brevemente la data e il prezzo con il proprietario o il capofficina e si aspettava. Se si aveva molta fretta, si poteva pagare il lavoro straordinario necessario per ottenere i pezzi più rapidamente, ma la prototipazione rimaneva una vera prova di pazienza. Era possibile ricevere pezzi reali, ma il costo era elevato sia a livello economico che in termini di tempi di produzione.

Poi sono arrivate le società di servizi con le loro stampanti 3D. I prototipi in plastica potevano essere ordinati velocemente e a un prezzo nettamente inferiore rispetto a quello da pagare per commissionare la configurazione di una macchina a un'officina. L'unico problema riguardava il materiale: i sistemi di stereolitografia (SLA) di prima generazione si limitavano a uno o due tipi di fotopolimeri in resina liquida, adatti solo a scopi dimostrativi o come moduli per la fusione o lo stampaggio.

La produzione additiva stava ancora muovendo i primi passi. Dopo poco sono comparsi altri metodi con strani acronimi come nomi, come ad esempio la SLS (sinterizzazione laser selettiva), una soluzione che utilizza uno strato di polvere formato da un materiale a base di nylon e non più di resina liquida. Come accade per la SLA, questo sistema elimina la necessità di usare strutture di sostegno durante il processo di costruzione, riducendo le attività di trasformazione successiva e consentendo di risparmiare tempo e denaro.

Nel frattempo la stereolitografia non si è certo riposata sugli allori: oggi, i pezzi realizzati mediante SLA sono fabbricati con una serie di resine in grado di imitare alcune proprietà dei materiali plastici industriali. Disponibili in vari colori e gradi di resistenza, tali resine consentono di creare prodotti che non si limitano agli scopi di presentazione.

Anche la lavorazione meccanica si è evoluta con il passare del tempo. Ad esempio, il servizio di lavorazione con macchine CNC di Proto Labs è in grado di fornire pezzi in plastica e metallo entro un lasso di tempo più ridotto di quello necessario per ottenere un semplice preventivo da altre, più tradizionali, officine. Carica un file in 3D, scegli il materiale e il numero di pezzi e comunicaci la data entro la quale ne hai bisogno; è probabile che tu possa ricevere i pezzi il giorno seguente e a un prezzo paragonabile a quello della stampa 3D, se non inferiore per alcune geometrie.

Proprio come succede quando si vuole acquistare uno smartphone, oggi il problema è riuscire a orientarsi nella scelta. Come fa un progettista a individuare il processo più adatto alla progettazione del proprio pezzo? Considerato che la lavorazione meccanica esiste da almeno cent'anni in più rispetto alla produzione additiva, inizieremo dalla prima.

 

Scelta dei materiali

In linea di massima, la plastica è molto semplice da tagliare. Naturalmente, i materiali rinforzati in vetro risultano piuttosto duri per le frese a codolo e quelli acrilici si possono scheggiare. Il teflon è più scivoloso di una buccia di banana. Quindi, in generale, la plastica rappresenta la scelta migliore per la lavorazione meccanica dei pezzi.

Proto Labs è in grado di realizzare pezzi in più di tre dozzine di materiali termoplastici industriali. Alcuni di questi sono disponibili anche nel reparto di produzione additiva di Proto Labs, ma quanto alla selezione e alla qualità dei materiali, la lavorazione meccanica non teme confronti. Acrilico, acetale, ABS, nylon, PC, PP, PEI, PEEK e un gran numero di altri materiali plastici soddisfano le esigenze di progettazione di quasi tutti i pezzi che è possibile immaginare. I pezzi finiti in plastica realizzati mediante lavorazione meccanica possono essere impiegati per testare la forma e l'accoppiamento e, in molti casi, possono anche essere utilizzati come pezzi funzionali.

Per quanto riguarda la produzione additiva dei pezzi in plastica, la scelta dei materiali è molto più limitata. I pezzi realizzati mediante SLA sono fabbricati con resine fotopolimeriche che imitano alcune proprietà di materiali plastici quali ABS, PC e PP. Funzionano bene per la prototipazione di forma e adattamento, ma per i pezzi funzionali la plastica lavorata meccanicamente rappresenta la soluzione migliore, ammesso che il progetto lo consenta. La situazione è un po' differente per la SLS, che utilizza invece dei nylon termoplastici per costruire i pezzi. Questo processo tende a conferire una resistenza e una rigidità superiore ai pezzi stampati in 3D, ma gli unici colori disponibili sono il bianco e il nero e le finiture superficiali non sono nemmeno lontanamente paragonabili a quelle dei pezzi lavorati meccanicamente.

Geometria

Tuttavia, un aspetto in cui la lavorazione meccanica può fare difetto è la geometria del pezzo. Proto Labs utilizza dei centri di lavorazione con macchine CNC a tre assi per produrre pezzi principalmente ortogonali: il supporto di un motore, il corpo di una fotocamera, la piastra base di un termostato e l'alloggiamento di un termostato sono tutti ottimi candidati per la lavorazione meccanica.

Gli spigoli vivi interni su pareti verticali risultano complessi da realizzare, così come sottosquadri e cavità più profonde di un paio di pollici, ma tutto il resto è fattibile. Nella seconda metà del 2015, Proto Labs lancerà un servizio di tornitura con macchine CNC per pezzi in plastica da accompagnare al medesimo servizio per pezzi in metallo. Fino ad allora, pezzi cilindrici in plastica, come ad esempio l'albero di trasmissione di una motoslitta o un innovativo giunto sferico per rimorchi, potranno essere fresati (o stampati in 3D).

E poi ci sono pezzi ai quali la lavorazione meccanica non può nemmeno avvicinarsi: è proprio qui che entra in gioco la produzione additiva. Sarebbe impossibile, ad esempio, realizzare una palla da wiffleball mediante lavorazione meccanica, mentre con la SLA e la SLS non si incontrerebbero problemi. Lavorare meccanicamente i canali interni di raffreddamento di uno scambiatore di calore risulterebbe altrettanto difficile, mentre con la produzione additiva sarebbe una passeggiata.

Gli altri pezzi sono una scommessa. Gli anelli ricordo possono essere stampati o realizzati mediante lavorazione meccanica, mentre fresare il materiale all'interno dell'anello sarebbe uno spreco di tempo e denaro. Lo stesso vale per cornici portafoto e portatovaglioli. Essendo in grado di stampare solo il materiale necessario, la produzione additiva vince su tutti.

Un altro importante fattore da considerare oltre alla geometria è se il pezzo passerà o meno a un processo di produzione in grado di consentire la realizzazione di quantità superiori, come ad esempio lo stampaggio a iniezione. Di norma, per un pezzo realizzato mediante lavorazione meccanica è più semplice passare allo stampaggio a iniezione di quanto non lo sia per un pezzo fabbricato attraverso la produzione additiva. Le ragioni sono due: il materiale utilizzato nella lavorazione meccanica può essere riprodotto più facilmente nel processo di stampaggio ed è più probabile che i pezzi stampati con geometrie complesse vadano modificati per poter essere stampati a iniezione.

Tolleranze e finiture superficiali 

Oltre ai materiali disponibili, esistono altre importanti differenze tra la lavorazione meccanica e la produzione additiva di pezzi in plastica. Per quanto riguarda la precisione e la finitura superficiale, la lavorazione meccanica tende a risultare più accurata e a mostrare una maggiore stabilità dimensionale a lungo termine rispetto ai pezzi fabbricati mediante SLA, mentre le finiture superficiali appaiono grossomodo uguali in entrambi i processi. I pezzi realizzati attraverso SLS presentano finiture più ruvide di quelli ottenuti con la SLA e con la lavorazione meccanica e mostrano una stabilità dimensionale superiore a quella dei pezzi SLA e pressoché identica a quella dei pezzi in nylon lavorati meccanicamente.

La prototipazione con lo stampaggio a iniezione

La carta jolly nel confronto tra la produzione additiva e la lavorazione meccanica di pezzi in plastiche è rappresentata dallo stampaggio a iniezione rapida. Sebbene presso Proto Labs lo stampaggio a iniezione venga spesso impiegato per volumi ridotti, la maggioranza dei clienti utilizza questo servizio anche per fabbricare piccole quantità di prototipi e pezzi di produzione con tempi di realizzazione simili a quelli offerti dalla produzione additiva e dalla lavorazione meccanica. In questo caso entrano in gioco altre considerazioni di progettazione per quanto riguarda le, gia' citate, selezione del materiale, geometrie e tolleranze, ma forse stiamo andando troppo oltre.

I fattori di cui tenere conto quando si lavora con quantità di pezzi in plastica ridotte sono davvero tanti. Se hai un progetto già pronto, caricandolo sul sito protolabs.it riceverai un preventivo interattivo per ciascuna opzione di produzione e potrai scoprire quale può offrirti il prezzo migliore, i tempi di produzione più ridotti e la scelta di materiali più ampia. In caso di dubbi, consulta il nostro elenco completo dei materiali , oppure rivolgiti a uno dei tecnici all'assistenza clienti chiamando il numero +39 0321 381211.

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