Nella stampa 3D sono spesso necessarie parti con una finitura superficiale liscia. Questa specifica può essere un requisito funzionale per l’uso finale di una parte o un’esigenza estetica. Le applicazioni in cui la levigatezza può essere un requisito funzionale includono componenti di accoppiamento, parti mobili, superfici sollecitate/portanti, ecc.

Anche se la stampa 3D è solitamente un processo strato su strato, le tecnologie di produzione additiva sono in grado di stampare superfici relativamente lisce. Tuttavia, la levigatezza delle parti stampate in 3D dipende dal processo di stampa, dal materiale, dalle operazioni di post-elaborazione e da altri fattori secondari che saranno analizzati in questo articolo.

Tecnologie di stampa 3D con una finitura superficiale liscia

Per via della tecnica di stampa a strati impiegata nella stampa FDM e del diametro dell’ugello, l’FDM non produce sempre una finitura superficiale molto liscia. Tuttavia, le moderne macchine industriali FDM sono capaci di realizzare superfici molto più sottili. SLS, MJF e DMLS producono una superficie granulosa a causa della natura polverulenta delle materie prime utilizzate in queste tecnologie. Indipendentemente dalla tecnologia di stampa 3D, è sempre possibile ottenere una superficie liscia nelle parti stampate, utilizzando operazioni di post-elaborazione.

Esistono diverse tecnologie di stampa 3D in grado di realizzare parti lisce durante la stampa. Vediamole qui di seguito.

Stampa 3D SLA 

La stampa 3D stereolitografica produce componenti con la miglior precisione e finitura superficiale possibile tra tutte le tecnologie di stampa 3D. Sebbene sia un processo strato su strato, la materia prima è solitamente in forma di resina e si solidifica durante la stampa ottenendo una superficie liscia.

Stampa 3D Polyjet

Come l’SLA, la tecnica di Polyjet stampa fotopolimeri. La maggior parte delle parti in Polyjet sono pronte all’uso una volta stampate in termini di aspetto e sensazione al tatto. Il motivo principale di questa levigatezza è la combinazione di stampa a strati ultrasottili e resina di alta qualità.

Carbon DLS

Il Carbon DLS utilizza materiali in resina come il poliuretano. La finitura superficiale della parte 3D prodotta con questo metodo è simile al vetro. Questo processo produce componenti perfetti che possono sostituire i prototipi di MJF o SLS. Oltre a una finitura superficiale di alta qualità, il Carbon DLS realizza perfettamente anche dettagli esterni ed interni.

Materiali di stampa 3D con una superficie liscia

La considerazione del materiale sulla levigatezza superficiale va generalmente di pari passo con la tecnica di stampa utilizzata, in quanto, nella maggior parte dei casi, il processo è un fattore molto più significativo. I termoplastici, le resine termoindurenti, i fotopolimeri e il poliuretano sono di solito materiali per la stampa 3D con una finitura superficiale liscia.

Ma è importante notare che raramente la levigatezza è l’unico criterio per la selezione dei materiali. Vengono anche fatte considerazioni come la forza, la resistenza al calore e la precisione.

Migliorare la linearità superficiale con la post-elaborazione

La post-elaborazione è il modo più efficace per garantire una finitura superficiale liscia nella stampa 3D. Nella maggior parte dei casi, la post-elaborazione può essere utilizzata per ottenere l’uniformità superficiale in una parte, indipendentemente dal materiale o dalla tecnologia con cui è stata stampata.

Esistono vari metodi di post-elaborazione che non sono adatti a tutte le parti. La geometria e il materiale della parte sono i due principali fattori che influenzano le tecniche di post-elaborazione. Va notato che i diversi metodi forniranno trame e aspetti diversi.

Sabbiatura

La tecnica di sabbiatura prevede che venga emesso un flusso ad aria compressa di minuscole perline (plastica o vetro) tramite un ugello sulla superficie del pezzo. In questo modo si rimuovono i segni dei layer lasciando una finitura liscia. Inoltre, il prodotto finale riceve una finitura opaca uniforme. Questo trattamento superficiale viene eseguito dentro una camera chiusa. La sabbiatura con perline di plastica è più comune per le parti stampate in 3D. Questa finitura è efficace con la maggior parte delle parti e dei materiali stampati in FDM.

Il supporto plastico è solitamente costituito da particelle termoplastiche finemente rimescolate; il livello di abrasività può variare da pesante a leggero. Un altro materiale popolare utilizzato nella sabbiatura è il bicarbonato di sodio.

Uno dei vantaggi della sabbiatura rispetto alla levigatura è la rapidità di esecuzione. Il processo richiede da 5 a 10 minuti per un singolo pezzo. Tuttavia, la durata dipenderà dalle dimensioni della parte. Un altro vantaggio di questa finitura è la conservazione delle dimensioni del pezzo.

Levigatura a vapore

Il sistema di levigatura a vapore industriale opera con un processo a più stadi. Esso abbassa la pressione all’interno delle camere sigillate contenenti le parti stampate in 3D. Quindi, un vassoio riscaldato sul fondo raccoglie il solvente immesso, trasformandolo in vapore.

Un sistema di ventilazione d’aria aspira il vapore emesso e lo fa circolare sulla superficie del pezzo, condensandone la superficie. Questo scioglie la superficie della parte stampata, realizzandone una superficie uniforme. Il controllo preciso del flusso d’aria e della temperatura consente di ottenere i risultati desiderati senza un’eccessiva levigatura.

Questo processo impiega circa tre ore per levigare completamente la parte stampata indipendentemente dalla quantità o dalle dimensioni. 

La sicurezza di questo trattamento è estrema in quanto la camera è sigillata durante il funzionamento per crearne il vuoto. Il solvente condensato e non utilizzato si deposita sul fondo del serbatoio per essere riutilizzato.

La levigatura a vapore può sposarsi per parti realizzate con ASA, ABS e altri polistireni ad alto impatto. Tuttavia, è possibile levigare anche il policarbonato e altri polimeri che si sciolgono in presenza di un solvente. L’acetone è un esempio di solvente utilizzabile nella levigatura a vapore.

La levigatura a vapore è comunemente applicata sui prodotti di consumo. Il processo non ha un impatto significativo sulla precisione dimensionale della parte stampata in 3D. Inoltre, le parti possono essere preparate per essere verniciate o rivestite di film con la microsabbiatura.

Uno svantaggio della levigatura a vapore è la sua mancanza di versatilità. Il processo non può ospitare più materiali come accade invece per la levigatura o la sabbiatura.

Burattatura

Questa tecnica di finitura, nota anche come burattatura o vibrofinitura, viene solitamente utilizzata su parti relativamente piccole. Alcuni dei barili rotanti comunemente più grandi sono in grado di rifinire parti di 400 x 120 x 120 mm o 200 x 200 x 200 mm. È molto efficace per parti che contengono un’alta percentuale di polvere metallica.

In appena un’ora di lucidatura, la levigatezza delle stampe metalliche può essere aumentata esponenzialmente. Il processo di burattatura utilizza un barile orizzontale riempito con parti, fluidi, acqua o qualsiasi altro materiale. Un vibratore fa ruotare il barile, facendo sì che l’elemento rifinitore (solitamente dei sassi) eroda continuamente le parti e le levighi progressivamente.

Carteggiatura e lucidatura

La carteggiatura è il processo di rimozione progressiva di uno strato molto sottile di materiale per scoprirne uno più liscio sottostante. Una superficie ruvida significa semplicemente che alcuni punti della superficie sono più in rilievo rispetto ad altri. La carteggiatura è il processo che uniforma la superficie mediante materiali relativamente ruvidi come levigatrici o smerigliatrici.

Si può eseguire a mano o tramite smerigliatrici a nastro e si esegue progressivamente. La carteggiatura è spesso combinata con la lucidatura.

Uno degli inconvenienti di questa tecnica è la difficoltà di levigare geometrie piccole e complesse. Inoltre, la carteggiatura può anche modificare le dimensioni di una parte. Quando sono richieste tolleranze molto strette dalle parti 3D, questa finitura potrebbe non essere l’opzione migliore. Durante la progettazione della parte è necessario considerare la quantità di materiale che verrà rimosso mediante carteggiatura.

Confronto delle opzioni di post-elaborazione per una finitura superficiale liscia nella stampa 3D

Fattori che influenzano la levigatura superficiale della parte in fase di stampa

I seguenti sono alcuni dei fattori che influenzano la levigatezza di una parte stampata in 3D durante la stampa.

Flusso di estrusione

Questo fattore si applica solo alle tecnologie di stampa che stampano tramite estrusione, come l’FDM. Potrebbe verificarsi un’eccessiva estrusione se la stampante estrude materiale in eccesso rispetto a quanto necessario. La stampa che ne risulterà avrà ogni layer sporgente dalla superficie in forme irregolari. Un semplice rimedio a questo fattore è quello di regolare la velocità di estrusione. Lo stesso vale per la sotto estrusione.

Surriscaldamento del materiale

Quando si stampa con l’FDM, la temperatura di riscaldo e la velocità di raffreddamento svolgono un ruolo fondamentale nella qualità della superficie delle parti stampate. È importante raggiungere il giusto equilibrio tra esse. Va ricordato che la plastica stampata può modellare forme diverse prima di raffreddarsi. La stampante deve essere sempre impostata alla temperatura adeguata per il materiale in uso.

Ghosting / Rippling

Il difetto causato da questo fenomeno si manifesta sottoforma di imperfezioni irregolari simili ad onde sulla superficie della parte stampata. Esso si verifica quando la stampante si muove più velocemente di quanto possa sopportare le vibrazioni delle sue parti mobili. Questo difetto è più comune nella stampa FDM in cui la macchina vibra quando l’ugello deposita materiale.

Per evitare ciò, i motori in movimento devono essere ben lubrificati e le parti vibranti vanno regolate.

Conclusione

Raggiungere un livello di levigatezza superficiale nelle parti stampate in 3D dipende da diversi fattori. Questi includono la tecnologia di stampa, i materiali e la modalità di stampa. Nella maggior parte dei casi, è possibile ottenere l’uniformità superficiale desiderata mediante operazioni di post-elaborazione.

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