La stampa 3D industriale permette di realizzare componenti metallici e polimerici con geometrie difficili o impossibili da ottenere attraverso le sole lavorazioni tradizionali. La possibilità di costruire canali interni, strutture reticolari, pareti alleggerite e forme derivate dall’ottimizzazione topologica ha ampliato le possibilità progettuali in settori come aerospazio, automotive, energia, dispositivi medicali e produzione di attrezzature.
Una volta estratto il componente dalla macchina, tuttavia, il processo produttivo non è necessariamente concluso. Superfici funzionali, sedi per cuscinetti, fori calibrati, filettature, piani di accoppiamento e zone sottoposte a requisiti dimensionali severi possono richiedere lavorazioni successive.
È in questo passaggio che assume importanza la manifattura ibrida, nella quale tecnologie additive e processi sottrattivi vengono organizzati all’interno di un unico flusso produttivo.
Aziende come LS Manufacturing utilizzano questo approccio combinando stampa 3D industriale, lavorazioni CNC multiasse, trattamenti termici, metrologia e finiture. Parallelamente, produttori di sistemi industriali come DMG MORI, GF Machining Solutions e 3D Systems stanno sviluppando macchine e piattaforme nelle quali le diverse fasi possono essere integrate o coordinate con livelli crescenti di automazione.
L’obiettivo non è stabilire se sia migliore la stampa 3D o la lavorazione CNC. Le due tecnologie svolgono compiti differenti e, quando vengono utilizzate insieme, possono compensare reciprocamente alcuni dei loro limiti.
La stampa 3D costruisce la geometria, il CNC definisce le superfici funzionali
Nella produzione metallica additiva, processi come Laser Powder Bed Fusion, Direct Metal Laser Sintering e Directed Energy Deposition permettono di costruire il componente aggiungendo materiale soltanto nelle zone previste dal modello digitale.
Questo approccio consente di produrre strutture interne complesse, canali curvi, reticoli e forme che richiederebbero numerose operazioni se realizzate partendo da un blocco pieno.
Il componente stampato può però presentare superfici che non soddisfano direttamente i requisiti richiesti dal progetto.
Il processo additivo genera infatti una superficie composta dalla successione degli strati e dalla solidificazione localizzata del materiale. Anche utilizzando sistemi industriali ad alta precisione, la rugosità ottenuta può essere superiore a quella richiesta su superfici di tenuta, accoppiamenti meccanici o elementi soggetti a scorrimento.
Le lavorazioni CNC vengono quindi concentrate esclusivamente sulle zone che necessitano di tolleranze, planarità o finiture specifiche.
Una staffa alleggerita, per esempio, può essere stampata mantenendo una complessa struttura interna e successivamente fresata sulle superfici di montaggio. Un collettore può integrare canali interni impossibili da ottenere con utensili convenzionali, lasciando alla lavorazione CNC il compito di creare filettature e connessioni.
La produzione ibrida sfrutta così la libertà geometrica dell’additive manufacturing senza rinunciare alla precisione delle lavorazioni meccaniche.
Il problema delle tensioni residue nei componenti metallici stampati
Uno degli aspetti più importanti da gestire nei componenti metallici prodotti mediante fusione a letto di polvere riguarda le tensioni residue.
Durante il processo di stampa, piccole quantità di materiale vengono riscaldate e solidificate in sequenza. Il pezzo attraversa quindi migliaia di cicli termici localizzati.
La conseguenza può essere la formazione di tensioni interne che rimangono bloccate nella struttura del componente.
Se un pezzo con tensioni residue significative viene rimosso dalla piattaforma o lavorato con una fresatrice CNC, l’asportazione di materiale può alterare l’equilibrio delle tensioni presenti.
Il risultato può essere una deformazione geometrica.
Per questo motivo, un flusso produttivo industriale deve pianificare attentamente la sequenza tra stampa, distensione termica, rimozione dalla piattaforma e lavorazione.
LS Manufacturing descrive l’impiego di trattamenti termici prima delle lavorazioni di precisione proprio per ridurre questo rischio.
Il problema diventa più importante quando il componente presenta pareti sottili, ampie superfici o strutture ottimizzate topologicamente, nelle quali la distribuzione della massa può essere molto diversa rispetto a quella di un pezzo ricavato dal pieno.
Il ruolo della pressatura isostatica a caldo
Per determinate applicazioni alla distensione termica può aggiungersi la Hot Isostatic Pressing, comunemente indicata con la sigla HIP.
Aziende specializzate nei trattamenti dei materiali come Bodycote utilizzano la pressatura isostatica a caldo per componenti destinati anche ad applicazioni additive.
Il processo combina temperatura elevata e pressione applicata in maniera uniforme al componente.
Uno degli obiettivi è ridurre la microporosità interna che può rimanere dopo il processo di produzione.
Questo aspetto è importante soprattutto quando il componente deve sopportare carichi ciclici, perché le discontinuità interne possono rappresentare punti di concentrazione delle sollecitazioni.
La HIP può quindi essere inserita tra la fase additiva e quella di lavorazione CNC.
Il flusso può assumere una configurazione del tipo:
stampa del componente, trattamento termico, HIP quando richiesta, rimozione dei supporti, lavorazione CNC, controllo dimensionale e trattamento superficiale.
Non tutte le parti richiedono ogni fase. La sequenza viene definita in funzione del materiale, della geometria e delle specifiche previste per il componente.
La difficoltà di bloccare un pezzo ottimizzato topologicamente
La lavorazione meccanica di un componente stampato presenta anche un problema molto pratico: il fissaggio.
I pezzi progettati per la lavorazione CNC tradizionale dispongono spesso di superfici piane utilizzabili come riferimenti e punti di serraggio.
Le geometrie nate per l’additive manufacturing possono invece avere superfici curve, nervature sottili, strutture organiche e zone cave.
Un componente ottimizzato topologicamente può assomigliare più a una struttura ossea che a una tradizionale staffa lavorata dal pieno.
Queste forme permettono di ridurre peso e materiale, ma possono rendere complessa la preparazione della successiva lavorazione CNC.
LS Manufacturing, per esempio, evidenzia l’importanza della lavorazione CNC a cinque assi proprio nella gestione di componenti complessi.
Il produttore deve stabilire dove posizionare i riferimenti dimensionali, come bloccare il componente senza deformarlo e quali superfici lavorare per prime.
In alcuni casi vengono realizzati riferimenti provvisori o superfici specificamente progettate per il serraggio.
Il Design for Additive Manufacturing deve quindi essere affiancato da considerazioni legate alle operazioni successive. Progettare esclusivamente per ottenere la migliore geometria durante la stampa può trasferire problemi e costi alla fase CNC.
Perché il CNC a cinque assi è particolarmente adatto
I centri di lavoro a cinque assi rappresentano uno degli strumenti più utili nei flussi additive-sottrattivi.
Rispetto a una macchina a tre assi, permettono di raggiungere il componente da numerose direzioni riducendo il numero di riposizionamenti.
Questo è importante perché ogni nuovo serraggio introduce una possibile variazione nella posizione del componente.
Su pezzi complessi, limitare il numero di riprese permette quindi di migliorare la continuità tra le diverse lavorazioni.
La macchina può raggiungere piani inclinati, fori orientati e superfici distribuite intorno alla geometria senza richiedere necessariamente una nuova configurazione del pezzo.
LS Manufacturing utilizza lavorazioni multiasse insieme ai propri servizi di stampa 3D proprio per coprire questo tipo di applicazioni.
La logica è semplice: l’additivo viene utilizzato dove la geometria ne giustifica l’impiego; il CNC viene utilizzato dove precisione e finitura hanno la priorità.
Le macchine che stampano e fresano nello stesso sistema
La manifattura ibrida può essere organizzata utilizzando macchine separate oppure concentrando più processi all’interno dello stesso sistema.
DMG MORI ha sviluppato la famiglia LASERTEC DED hybrid, nella quale deposizione laser e lavorazioni sottrattive possono essere eseguite all’interno della stessa macchina.
Alcune configurazioni integrano fresatura, tornitura, rettifica, deposizione laser e sistemi di misura.
Questo permette di alternare l’aggiunta e la rimozione di materiale durante la stessa sequenza produttiva.
Un componente può, per esempio, essere depositato fino a una determinata altezza, lavorato sulle superfici che diventerebbero inaccessibili continuando la costruzione e successivamente completato con nuovi strati di materiale.
Si tratta di una differenza importante rispetto a un semplice flusso nel quale il pezzo viene prima stampato interamente e poi trasferito a una fresatrice.
Nel vero processo ibrido integrato, fasi additive e sottrattive possono essere alternate.
Questo consente anche di affrontare geometrie nelle quali alcune superfici interne devono essere lavorate prima che vengano chiuse dagli strati successivi.
GF Machining Solutions e 3D Systems puntano sulla catena completa
Un altro esempio arriva dalla collaborazione tra GF Machining Solutions e 3D Systems.
Le due aziende hanno sviluppato un ecosistema nel quale la stampa metallica DMP viene affiancata da EDM, sistemi di staffaggio, fresatura e software dedicato.
La logica di GF Machining Solutions consiste nel considerare la stampa 3D come una fase della catena produttiva e non come un processo isolato.
Dopo la stampa, infatti, può essere necessario separare il componente dalla piattaforma mediante elettroerosione a filo, trasferirlo utilizzando sistemi di riferimento ripetibili e completarne le superfici con operazioni di fresatura.
La possibilità di mantenere riferimenti geometrici coerenti durante questi trasferimenti è importante perché riduce il lavoro necessario per riallineare il componente in ogni stazione.
Il software diventa quindi una componente della produzione ibrida al pari delle macchine.
La gestione del modello digitale deve tenere conto sia della geometria nominale sia del sovrametallo lasciato intenzionalmente sulle superfici che verranno successivamente fresate.
Non bisogna stampare esattamente la geometria finale
Uno degli errori possibili nella progettazione di un componente destinato alla lavorazione ibrida è produrre con la stampante 3D la superficie esattamente nelle dimensioni nominali previste dal disegno finale.
Se quella superficie deve essere fresata, occorre lasciare materiale sufficiente per la lavorazione.
Il componente additivo viene quindi progettato come una forma prossima a quella finale, ma con sovrametallo nelle zone critiche.
La quantità deve essere calcolata attentamente.
Se il sovrametallo è insufficiente, eventuali deformazioni o variazioni dimensionali della stampa possono lasciare zone non completamente lavorate.
Se è eccessivo, aumentano tempi CNC, usura dell’utensile e quantità di materiale rimossa.
L’integrazione tra simulazione, metrologia e programmazione CAM diventa quindi fondamentale.
La metrologia entra nel ciclo produttivo
Nei sistemi più avanzati, il controllo dimensionale non viene eseguito soltanto sul componente finito.
Tastatori, scanner laser e sistemi ottici possono misurare il pezzo durante le diverse fasi della produzione.
Il modello reale viene confrontato con quello CAD e le informazioni ottenute possono essere utilizzate per correggere le successive lavorazioni.
Questo principio viene indicato come ciclo measure-compensate-act: misurare, compensare e intervenire.
È un passaggio importante perché il componente stampato non viene considerato una geometria teoricamente perfetta. Il percorso CNC può essere adattato alla posizione effettiva delle superfici.
La ricerca sulla manifattura ibrida identifica proprio l’integrazione della metrologia nella macchina come uno degli elementi utili allo sviluppo di flussi produttivi più automatizzati.
Dalla prototipazione alla produzione di piccoli lotti
Un altro settore nel quale la combinazione di tecnologie può avere vantaggi è la fase compresa tra prototipo e produzione su larga scala.
Un’azienda può iniziare con pochi componenti stampati in 3D per verificare un progetto.
Dopo la validazione può aver bisogno di decine o centinaia di unità per test sul campo, presentazioni commerciali o prime consegne.
La realizzazione immediata di uno stampo definitivo in acciaio può rappresentare un investimento elevato se il progetto non è ancora stabilizzato.
LS Manufacturing utilizza anche la colata sottovuoto come tecnologia intermedia per questo tipo di situazione.
Un modello master può essere prodotto con stampa 3D ad alta risoluzione e utilizzato per realizzare uno stampo siliconico.
La colata di resine poliuretaniche permette quindi di ottenere piccole serie senza dover realizzare immediatamente uno stampo metallico destinato a volumi elevati.
Questo passaggio non sostituisce lo stampaggio a iniezione nella produzione di massa, ma può creare un collegamento tra la prototipazione singola e l’investimento in attrezzature definitive.
La stampa 3D entra anche nella costruzione degli stampi
Il rapporto tra additive manufacturing e lavorazioni tradizionali non riguarda soltanto la produzione diretta di componenti.
La stampa 3D metallica viene utilizzata anche per realizzare inserti destinati agli stampi a iniezione.
Uno dei vantaggi principali è la possibilità di creare canali di raffreddamento conformali.
Nei sistemi tradizionali i canali vengono generalmente realizzati mediante foratura e sono quindi vincolati a geometrie prevalentemente rettilinee.
La stampa 3D consente invece di progettare i condotti seguendo la forma della cavità dello stampo.
EOS GmbH ha documentato diverse applicazioni di questa tecnologia.
In un caso industriale relativo a un inserto per stampaggio a iniezione, il raffreddamento conformale prodotto mediante tecnologia DMLS ha consentito una riduzione del ciclo del 17%.
Il vantaggio non deriva semplicemente dalla presenza di più canali, ma dalla possibilità di portare il raffreddamento vicino alle zone nelle quali il calore deve essere rimosso.
L’inserto stampato richiede comunque lavorazioni successive sulle superfici funzionali.
Anche in questo caso, quindi, additive manufacturing e lavorazione CNC fanno parte dello stesso processo.
La finitura superficiale rimane una fase determinante
La fresatura non è l’unica operazione successiva alla stampa.
A seconda del materiale e dell’applicazione possono essere utilizzate sabbiatura, pallinatura, lucidatura, anodizzazione, rivestimenti, elettrodeposizione o processi chimici.
Nei componenti polimerici ottenuti tramite tecnologie a letto di polvere possono essere applicati processi di smoothing per modificare la rugosità superficiale.
Per i componenti metallici possono essere utilizzate finiture per migliorare resistenza alla corrosione, usura o comportamento estetico.
Il punto fondamentale è che la superficie ottenuta direttamente dalla stampante non deve necessariamente coincidere con la superficie finale richiesta dal prodotto.
Il progettista deve quindi considerare fin dall’inizio quali zone saranno lasciate nello stato as-built e quali saranno sottoposte a lavorazioni.
Quando la manifattura ibrida non conviene
L’integrazione di additive manufacturing e CNC non rappresenta automaticamente la soluzione migliore.
Se un componente è semplice, compatto e facilmente ottenibile da barra o da blocco, la lavorazione CNC tradizionale può essere economicamente più efficace.
Anche per produzioni elevate di determinate geometrie, fusione, forgiatura o stampaggio possono mantenere vantaggi importanti.
La produzione ibrida diventa interessante quando il valore generato dalla geometria additiva compensa la maggiore complessità della catena produttiva.
Esempi tipici sono componenti alleggeriti, condotti interni, parti personalizzate, componenti con volumi produttivi limitati, riparazioni e pezzi nei quali soltanto alcune superfici richiedono tolleranze particolarmente strette.
La valutazione deve quindi essere eseguita sull’intero processo e non soltanto sul costo della fase di stampa.
Riparazione e ricostruzione dei componenti
Le tecnologie additive basate sulla deposizione diretta del materiale aprono inoltre un’applicazione diversa dalla produzione di pezzi nuovi: la riparazione.
Un componente costoso può essere misurato, preparato mediante lavorazione CNC e successivamente ricostruito soltanto nella zona danneggiata.
Dopo la deposizione, la superficie viene nuovamente lavorata per riportarla alla geometria finale.
Sistemi ibridi sviluppati da aziende come DMG MORI sono particolarmente adatti a questa logica perché possono combinare deposizione, lavorazione e misura all’interno dello stesso ambiente produttivo.
Per componenti ad alto valore aggiunto, la possibilità di ricostruire soltanto una zona può essere più interessante della sostituzione dell’intero pezzo.
Il software diventa il punto di collegamento
Più aumenta il numero delle tecnologie coinvolte, più diventa importante la gestione digitale del processo.
Il modello CAD deve essere trasformato in percorsi destinati alla stampa, alla lavorazione CNC e agli strumenti di misura.
Devono inoltre essere gestiti sovrametalli, supporti, orientamento, deformazioni previste e riferimenti geometrici.
Il software CAM tradizionale e quello dedicato all’additive manufacturing stanno quindi convergendo verso ambienti capaci di gestire fasi differenti.
Sistemi sviluppati da 3D Systems, GF Machining Solutions, DMG MORI e altri produttori mostrano come la manifattura ibrida stia diventando un problema non soltanto meccanico, ma anche digitale.
Il valore del sistema dipende dalla capacità di trasferire correttamente le informazioni tra progettazione, stampa, trattamento, controllo e finitura.
Il futuro è nella catena produttiva, non nella singola macchina
L’evoluzione della manifattura additiva industriale sta spostando l’attenzione dalla sola stampante 3D al processo completo necessario per ottenere un componente pronto all’uso.
La velocità di stampa rimane importante, ma non è l’unico parametro da considerare.
Un pezzo che richiede molte ore di rilavorazione, numerose riprese CNC o controlli manuali complessi può risultare costoso anche se la fase additiva è stata eseguita rapidamente.
Per questo aziende come LS Manufacturing organizzano nello stesso flusso stampa 3D, lavorazioni CNC e finiture, mentre produttori come GF Machining Solutions, 3D Systems e DMG MORI lavorano su piattaforme capaci di integrare fisicamente o digitalmente più processi.
L’additive manufacturing offre la libertà di costruire la geometria. Le lavorazioni sottrattive garantiscono la possibilità di definire con precisione le superfici che svolgono una funzione meccanica. Trattamenti come quelli forniti da Bodycote possono intervenire sulla struttura interna e sulle proprietà del materiale. Tecnologie di EOS GmbH mostrano come l’additivo possa inoltre creare funzioni, come il raffreddamento conformale, che diventano parte integrante di attrezzature prodotte con processi tradizionali.
La manifattura ibrida assume quindi il significato di una catena nella quale ogni tecnologia viene utilizzata nel punto in cui offre il vantaggio maggiore.
Non si tratta di sostituire le macchine utensili con le stampanti 3D, né di considerare la lavorazione CNC come una semplice correzione finale del processo additivo.
Il risultato più interessante nasce quando la progettazione prende in considerazione fin dall’inizio tutte le fasi: costruzione additiva, gestione termica, metrologia, serraggio, asportazione di materiale e finitura.
È questa integrazione a trasformare un componente appena uscito da una stampante 3D in un pezzo industriale con geometrie complesse, superfici controllate e caratteristiche adatte alla sua funzione finale.
Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI)
