Fattori che influenzano la rugosità superficiale nella stampa 3D di metalli

La ruvidità superficiale delle parti metalliche stampate in 3D varia considerevolmente a seconda di una serie di fattori e generalmente è compresa tra pochi micrometri e diverse decine di micrometri. A differenza delle parti lavorate tradizionalmente, dove la finitura superficiale è in gran parte una funzione della geometria dell'utensile e dei parametri di taglio, la produzione additiva in metallo introduce un insieme molto più ampio di variabili: - il processo di stampa stesso, le caratteristiche fisiche del materiale da stampare e le fasi di post-lavorazione applicate successivamente, che interagiscono tutte per determinare le condizioni superficiali finali. Comprendere il contributo di ciascuno di questi fattori aiuta a spiegare perché due parti stampate dallo stesso progetto possono avere una qualità della superficie significativamente diversa.

Fusione laser del letto di polvere (L-PBF). Questo è uno dei processi di stampa 3D in metallo più comuni in uso oggi. Funziona utilizzando un laser ad alta-energia per fondere la polvere di metallo, che viene poi costruita strato dopo strato nella forma della parte finale. In condizioni ideali, la rugosità superficiale con questo processo può essere controllata fino a circa Ra 10–30μm. Ad esempio, quando si stampano parti metalliche con strutture relativamente semplici utilizzando questo processo, è possibile ottenere livelli di rugosità relativamente bassi una volta ottimizzati i parametri. Questo perché l'energia del laser è abbastanza concentrata, consentendo un controllo preciso sulla forma e sulle dimensioni del bagno di fusione. Questa precisione significa che la polvere si fonde e si impila più densamente mentre si solidifica, il che aiuta a ridurre in una certa misura la ruvidità della superficie. La natura strettamente focalizzata del raggio laser significa anche che l'apporto termico nella polvere circostante non fusa può essere ridotto al minimo, riducendo la quantità di polvere parzialmente sinterizzata che tende ad aderire ai bordi di un elemento stampato e contribuisce a una finitura più ruvida.

Fusione con fascio di elettroni (EBM). Questo processo utilizza un fascio di elettroni per scansionare e fondere la polvere metallica. Le parti stampate utilizzando questo processo rientrano tipicamente in un intervallo di rugosità generale simile, sebbene i risultati possano variare a seconda delle caratteristiche del fascio di elettroni e della strategia di scansione utilizzata. I fasci di elettroni trasportano un'energia elevata e offrono un'eccellente messa a fuoco, consentendo la fusione e la formazione delle parti ad alta-precisione. Nelle applicazioni in cui i requisiti di qualità della superficie sono particolarmente esigenti,-la messa a punto dei parametri di processo può ridurre la rugosità fino a raggiungere Ra 10μm o anche meno. Vale la pena notare che l'EBM viene in genere eseguito a temperature elevate della camera di costruzione-e in condizioni di vuoto, il che cambia il comportamento del letto di polvere rispetto ai processi basati sul laser-- la temperatura elevata riduce lo stress termico durante la costruzione, ma può anche causare la sinterizzazione leggera di più particelle di polvere attorno ai contorni di una parte, il che è uno dei motivi per cui le superfici EBM a volte presentano un carattere di rugosità leggermente diverso rispetto alle superfici L-PBF anche quando nominali i valori di rugosità sono simili.

Diversi materiali metallici. Il punto di fusione, la viscosità e altre caratteristiche fisiche di un determinato materiale influiscono direttamente sulla fluidità e sul comportamento di diffusione della polvere-durante il processo di stampa, che a sua volta influenza la ruvidità della superficie. Ad esempio, le leghe di alluminio - che hanno un punto di fusione relativamente basso e una buona fluidità - tendono a riempire gli spazi vuoti e a formare superfici lisce più facilmente durante la stampa e la loro ruvidità può generalmente raggiungere l'intervallo Ra 15–25μm. Al contrario, alcuni metalli con punti di fusione più elevati e maggiore viscosità, come alcune superleghe ad alta-temperatura, potrebbero non diffondersi e fondersi come idealmente durante il processo di stampa e la loro ruvidità potrebbe essere leggermente superiore - tipicamente nell'intervallo Ra 20–35μm. Questa differenza è importante nella pratica: un progettista di parti che sceglie tra una lega di alluminio e una superlega a base di nichel-per una determinata applicazione non si limita a soppesare le proprietà meccaniche e la resistenza alla temperatura, ma accetta anche implicitamente una diversa finitura superficiale di base prima che venga applicata qualsiasi post-elaborazione.

Composizione della lega. Anche la proporzione dei diversi elementi all'interno di una lega influisce sulla rugosità superficiale. Ad esempio, le leghe contenenti una percentuale maggiore di elementi facilmente ossidabili possono subire un degrado della qualità superficiale a causa dell'ossidazione che si verifica durante il processo di stampa, che a sua volta aumenta la ruvidità. Questo effetto è particolarmente rilevante per i processi di stampa 3D in metallo che non operano in un ambiente completamente inerte o sotto vuoto, dove l’esposizione a tracce di ossigeno durante il ciclo di fusione di ogni strato può accumularsi in un effetto misurabile sulla superficie finita nel corso di una costruzione che può coinvolgere migliaia di singoli strati.

Trattamento termico. Un trattamento termico adeguato può alleviare lo stress interno e migliorare la struttura metallurgica di una parte, riducendo così la rugosità superficiale. Dopo il trattamento termico, la superficie di una parte può diventare notevolmente più uniforme, con la rugosità ridotta di diversi micrometri. Ad esempio, la ricottura di una parte metallica stampata dopo la costruzione aiuta a perfezionare la struttura dei grani, rendendo la microstruttura della superficie più uniforme. La rugosità può essere ridotta da circa Ra 20μm prima del trattamento a circa Ra 15μm successivamente. Sebbene il trattamento termico venga spesso applicato principalmente per alleviare lo stress residuo e migliorare le proprietà meccaniche come la duttilità, il suo effetto sulla ruvidità superficiale è un utile vantaggio secondario - che i progettisti a volte trascurano quando pianificano l'intera sequenza di post-lavorazione di una parte, anche se può ridurre significativamente la quantità di finitura meccanica necessaria a valle.

Lavorazione meccanica. È possibile ridurre significativamente la rugosità attraverso metodi di lavorazione meccanica come levigatura e lucidatura. La levigatura rimuove sporgenze e imperfezioni superficiali, migliorando la planarità complessiva della superficie. La lucidatura poi affina ulteriormente la superficie, riducendo la ruvidità a pochi micrometri o anche meno. Ad esempio, dopo la lucidatura fine, la ruvidità di una parte metallica stampata in 3D può scendere al di sotto di Ra 5μm, soddisfacendo le esigenze di applicazioni con requisiti di finitura superficiale estremamente elevati, come i componenti di strumenti ottici. Questo tipo di sequenza di finitura - trattamento termico per stabilizzare il materiale, seguito da levigatura per rimuovere le caratteristiche superficiali grossolane, seguito da lucidatura per ottenere la qualità della superficie finale - riflette come la riduzione della rugosità nella produzione additiva dei metalli sia raramente ottenuta attraverso un unico passaggio. Si tratta in genere di una combinazione stratificata di trattamenti termici e meccanici, ciascuno dei quali affronta una diversa scala di irregolarità superficiale, dalla riduzione dello stress in massa fino alla levigatezza a livello di micron-.

Nel loro insieme, queste tre categorie di fattori - tipo di processo, proprietà dei materiali e metodo di post-elaborazione - interagiscono anziché agire in modo indipendente. Una parte stampata tramite L-PBF da una lega di alluminio a bassa-viscosità con parametri ben-ottimizzati può già raggiungere una ruvidità di costruzione relativamente favorevole-di costruzione, mentre lo stesso disegno stampato da una superlega ad alta-viscosità tramite EBM potrebbe iniziare da una linea di base più ruvida anche prima che venga applicata qualsiasi post-elaborazione. Ciò significa che ottenere una finitura superficiale target per una determinata applicazione non è semplicemente una questione di specificare una fase di post-elaborazione alla fine del flusso di lavoro - ma richiede di considerare il processo e la scelta del materiale fin dall'inizio, poiché queste decisioni a monte stabiliscono il livello pratico e il limite massimo per ciò che la post-elaborazione può realisticamente ottenere. Per le applicazioni con severi requisiti di finitura superficiale, comprendere come interagiscono queste variabili consente agli ingegneri di selezionare fin dall'inizio la giusta combinazione di processo, materiale e metodo di finitura, anziché cercare di compensare una cattiva condizione superficiale iniziale attraverso un'estesa e costosa lavorazione a valle.