Metodi comuni di post-lavorazione e finitura per parti metalliche stampate in 3D

Le parti metalliche stampate in 3D raramente lasciano la camera di costruzione nel loro stato finale utilizzabile. Poiché le-superfici stampate in genere presentano linee di strati visibili, particelle di polvere sinterizzate o parzialmente fuse e segni di testimonianza della struttura-di supporto che devono essere risolti prima che una parte sia pronta per l'uso funzionale, l'assemblaggio o la presentazione estetica. I metodi di finitura comuni per le parti metalliche stampate in 3D includono levigatura manuale, sabbiatura, burattatura, rettifica vibrante/centrifuga, lavorazione a flusso abrasivo (levigatura per estrusione), galvanica ed elettrolucidatura, lavorazione di precisione, rettifica ed elettroerosione (lavorazione per scarica elettrica). Le specifiche di ciascun metodo sono descritte di seguito.

La levigatura utilizza strumenti come carta vetrata e lime per abradere meccanicamente la superficie di una parte direttamente a mano e può migliorare significativamente la ruvidità della superficie. Le parti levigate possono migliorare la finitura superficiale di un fattore da tre a cinque e il metodo è particolarmente efficace nel rimuovere linee di strato, spigoli vivi e altri difetti superficiali localizzati rimasti dal processo di stampa. La levigatura manuale è flessibile - un operatore può focalizzare l'attenzione esattamente dove è necessario, lavorando attorno a geometrie complesse che i processi automatizzati potrebbero avere difficoltà a raggiungere - ma è relativamente laboriosa-intensa e lenta. Per questo motivo, tende ad essere più adatto a piccoli lotti di produzione o a finiture mirate e localizzate su caratteristiche specifiche di una parte piuttosto che al trattamento generale di un intero ciclo di produzione.

La sabbiatura utilizza aria compressa per spingere un mezzo abrasivo - ossido di alluminio, perle di acciaio inossidabile o perle di vetro, tra le altre opzioni - sulla superficie di una parte ad alta velocità, producendo una finitura opaca o lucida uniforme a seconda del mezzo selezionato. I suoi vantaggi includono:

Rimozione rapida di graffi superficiali e segni di utensili lasciati dal processo di costruzione;

Nessuna modifica alla precisione dimensionale di una parte, con l'elaborazione generalmente completata in pochi minuti;

Intensità del trattamento regolabile tramite il controllo della pressione dell'aria - è possibile utilizzare una pressione inferiore per alterare il colore e l'aspetto della superficie, mentre una pressione più elevata consente la sbavatura di spigoli vivi e piccole sporgenze.

La sabbiatura è particolarmente adatta alla lavorazione in batch di parti con geometrie complesse, poiché il getto di spruzzo può raggiungere rientranze e contorni che sarebbero difficilmente accessibili con strumenti abrasivi rigidi, rendendolo uno dei metodi di finitura più versatili e ampiamente utilizzati per le parti in metallo AM.

La burattatura colloca le parti insieme a un mezzo abrasivo - come un mezzo in ceramica o un mezzo in acciaio - all'interno di un tamburo o barile rotante, dove l'attrito meccanico tra le parti e il mezzo leviga la superficie nel tempo. Le caratteristiche principali di questo metodo includono:

È più adatto a parti con geometrie relativamente semplici, come componenti cilindrici o a forma di blocco-, dove l'azione di rotazione può stabilire un contatto uniforme su tutta la superficie;

È possibile elaborare più parti contemporaneamente, conferendo al metodo una produttività relativamente elevata per la finitura in lotti;

La sua efficacia su superfici interne o strutture complesse è limitata, poiché i mezzi rotanti potrebbero non essere in grado di raggiungere canali interni, recessi profondi o strutture reticolari complesse - un vero limite data la frequenza con cui l'AM in metallo viene utilizzata proprio per produrre tali geometrie interne.

La rettifica vibrante e centrifuga utilizza dischi centrifughi o sistemi cilindrici, in cui la forza centrifuga spinge i mezzi abrasivi contro la superficie della parte per fornire una finitura ad alta-energia e ad alto-volume. I suoi vantaggi principali includono:

Rimozione rapida del materiale, che lo rende particolarmente adatto alle operazioni di lucidatura, sbavatura e arrotondamento dei bordi-;

Idoneità alla lavorazione in lotti di piccole parti, sebbene le attrezzature specializzate coinvolte comportino un costo iniziale relativamente più elevato rispetto a metodi più semplici come la levigatura o la burattatura.

Poiché il processo concentra l'energia in modo più intenso rispetto alla burattatura standard, può ottenere in pochi minuti ciò che la burattatura convenzionale potrebbe richiedere ore, il che lo rende interessante per gli ambienti di produzione in cui la produttività conta tanto quanto la qualità della superficie.

La lavorazione a flusso abrasivo, nota anche come levigatura per estrusione, utilizza un pistone idraulico per forzare un mezzo abrasivo viscoso - carico di particelle abrasive fini - avanti e indietro attraverso le superfici interne di un pezzo, come fori, canali o cavità, ottenendo una modellatura precisa dall'interno verso l'esterno. Le caratteristiche di questo metodo includono:

Controllo preciso sulla geometria della superficie interna, in grado di formare raggi coerenti o rimuovere bave dai passaggi interni;

L'applicabilità a regioni in cui è difficile o impossibile per i processi di lucidatura tradizionali raggiungere - canali interni e cavità complesse ne è un ottimo esempio, e un'area in cui la stampa 3D in metallo produce spesso geometrie a cui la finitura convenzionale semplicemente non può accedere;

Rimozione del materiale controllabile, anche se il tempo di lavorazione tende ad essere più lungo rispetto ai metodi meccanici di superficie, poiché il flusso abrasivo deve essere fatto passare ripetutamente attraverso la parte per ottenere la finitura desiderata.

La galvanica utilizza una corrente elettrica per depositare ioni metallici da una soluzione - come oro, argento o cromo - sulla superficie di una parte, formando un sottile strato funzionale o decorativo. I suoi scopi principali includono il miglioramento della resistenza all’usura, alla corrosione, alla conduttività elettrica e all’aspetto generale, il che lo rende una scelta comune quando una parte in metallo per AM necessita di proprietà funzionali oltre a quelle che il solo materiale stampato di base può fornire.

L'elettrolucidatura, al contrario, utilizza una corrente elettrica per dissolvere il materiale dalla superficie di una parte, riducendo la rugosità superficiale attenuando picchi e valli microscopici. È particolarmente adatto alla lucidatura di parti con forme irregolari, dove gli strumenti di lucidatura meccanica avrebbero difficoltà a mantenere un contatto uniforme, e può migliorare significativamente l'aspetto della superficie e ridurre i difetti superficiali-correlati all'attrito.

Entrambi i processi richiedono un attento controllo della densità di corrente e della composizione dell'elettrolita per ottenere risultati coerenti e ripetibili. La distinzione fondamentale tra loro è che l'elettroplaccatura è un processo additivo - il materiale viene depositato sulla superficie - mentre l'elettrolucidatura è un processo sottrattivo - il materiale viene rimosso dalla superficie. Comprendere questa distinzione è importante nella pratica, poiché scegliere quello sbagliato per un dato requisito di tolleranza può aggiungere spessore indesiderato o rimuovere più materiale di quanto il margine dimensionale di una parte possa tollerare.

La lavorazione e la rettifica utilizzano frese CNC, torni e attrezzature simili per tagliare direttamente il materiale da una parte, ottenendo un controllo dimensionale e della forma ad alta-precisione. Le finiture superficiali ottenibili attraverso questo percorso possono raggiungere Ra inferiore a 0,8 μm, un livello di levigatezza che la maggior parte delle superfici finite-stampate o multimediali-non possono eguagliare da sole.

La lavorazione a scarica elettrica (EDM) utilizza la scarica elettrica tra un elettrodo e il pezzo in lavorazione per erodere il materiale, rendendola particolarmente adatta alla finitura di leghe temprate o cavità interne complesse che sarebbero difficili da raggiungere con un utensile da taglio. Il suo principale svantaggio è la velocità di lavorazione, che tende ad essere notevolmente più lenta rispetto alla lavorazione convenzionale.

Sia la lavorazione/rettifica che l'elettroerosione richiedono attrezzature specializzate e operatori esperti e sono generalmente riservate a parti con requisiti di tolleranza rigorosi - i componenti aerospaziali ne sono un esempio rappresentativo, dove la precisione dimensionale e l'integrità della superficie influiscono direttamente sulle prestazioni della parte e sui margini di sicurezza.

La scelta del giusto metodo di finitura per una parte metallica stampata in 3D dipende dalla geometria strutturale della parte, dai suoi requisiti di precisione e dalla scala di produzione coinvolta. I metodi meccanici come la levigatura e la sabbiatura sono adatti al trattamento superficiale rapido e generico-dove i tempi di consegna sono più importanti del raggiungimento delle tolleranze più strette possibili. I metodi chimici ed elettrochimici come l'elettrolucidatura e la galvanica vengono generalmente scelti per migliorare le prestazioni funzionali - resistenza alla corrosione, conduttività o caratteristiche di usura - piuttosto che puramente per ragioni estetiche. I processi ad alta-precisione come la lavorazione meccanica e l'elettroerosione sono riservati a parti che devono soddisfare severi requisiti di tolleranza, dove i costi aggiuntivi e i tempi di elaborazione sono giustificati dalla criticità dell'applicazione.

Nella produzione- nel mondo reale, è comune combinare diversi di questi metodi all'interno di un unico flusso di lavoro di finitura - ad esempio, sabbiatura di una parte per rimuovere incrostazioni superficiali e uniformarne l'aspetto, seguita da lavorazione mirata su superfici di accoppiamento critiche e finitura con elettrolucidatura per ottenere sia una superficie liscia che una migliore resistenza alla corrosione sul componente finito. Questo tipo di approccio a più livelli consente ai produttori di bilanciare costi, produttività e qualità della parte finale, anziché fare affidamento su un singolo metodo di post-elaborazione per soddisfare tutti i requisiti contemporaneamente.