Capire la rugosità superficiale nella stampa 3D

Imparate a regolare e migliorare la rugosità della superficie.

La rugosità superficiale ha un impatto significativo sulla funzionalità, sull'estetica e sulla qualità complessiva delle parti stampate in 3D. Ingegneri e progettisti devono capire come misurare, controllare e ottimizzare la rugosità superficiale all'interno del processo di produzione per ottenere i risultati desiderati del progetto.

Il raggiungimento di una levigatezza superficiale ottimale è spesso l'obiettivo principale quando si ottimizza la rugosità della superficie nella stampa 3D, in quanto migliora sia l'aspetto che la sensazione dei pezzi finiti. Le parti prodotte con la tecnologia di modellazione a deposizione fusa (FDM) presentano tipicamente linee di strato che possono influire sia sulla sensazione tattile che sull'aspetto visivo della parte.

Questo articolo esplora le metriche critiche per la misurazione della rugosità superficiale, Ra e Rz, il modo in cui le varie tecnologie di stampa 3D influiscono sulla finitura superficiale, i fattori che influenzano la rugosità superficiale e come regolarla e migliorarla.

Che cos'è la rugosità superficiale nella stampa 3D?

La rugosità superficiale nella stampa 3D si riferisce alla misurazione della struttura e delle irregolarità sulla superficie di una parte stampata in 3D. La qualità del primo strato e della superficie superiore gioca un ruolo cruciale nel raggiungimento di una finitura superficiale liscia, in quanto impostazioni precise del primo strato e un'attenta cura della superficie superiore possono migliorare significativamente l'aspetto finale e la qualità del pezzo.

È un aspetto critico della stampa 3D, in quanto può influire sull'estetica, sulla funzionalità e sulle prestazioni complessive del pezzo. Vari fattori, tra cui la stampa 3D, le proprietà dei materiali e le tecniche di post-elaborazione, possono causare la rugosità della superficie. Inoltre, la superficie ruvida e porosa delle parti stampate in 3D può diventare un terreno fertile per i batteri ed è incline ad assorbire i liquidi, compromettendo l'integrità della parte.

Una superficie liscia è essenziale per molte applicazioni, come quelle aerospaziali, automobilistiche e mediche, dove la qualità della superficie è fondamentale. Tuttavia, una finitura liscia non è sempre necessaria e spesso riguarda più che altro l'estetica del pezzo, ma può migliorare il comfort e l'esperienza d'uso del pezzo.

Comprendere i valori di Ra e Rz

Ra (rugosità media) e Rz (altezza massima media) sono comunemente utilizzati per quantificare la rugosità della superficie.

Ra misura la deviazione media delle irregolarità della superficie dalla linea media, fornendo un'idea generale della levigatezza della superficie. Valori Ra più bassi indicano superfici più lisce, spesso preferite in applicazioni che richiedono un'estetica o un adattamento preciso.
Rz misura la differenza di altezza media tra i cinque picchi più alti e le cinque valli più profonde su una lunghezza di campionamento. Mentre Ra fornisce una rugosità media, Rz cattura gli estremi, offrendo una comprensione più dettagliata della texture della superficie.

Ra e Rz sono essenziali per valutare la qualità delle superfici stampate in 3D, in particolare per selezionare la tecnologia e i metodi di post-elaborazione giusti per ottenere requisiti di superficie specifici. La misurazione di questi valori avviene in genere attraverso un test di rugosità superficiale, in cui si utilizza uno stilo sensibile per raccogliere le misure.

Misurazione della rugosità superficiale

La misurazione della rugosità superficiale è fondamentale per determinare la qualità di una parte stampata in 3D. La calibrazione dell'estrusione assicura che la stampante estruda l'esatta quantità di plastica richiesta per evitare una sovra o sotto-estrusione.

Il metodo più comune è l'utilizzo di un profilometro, che misura la deviazione della superficie dal suo piano ideale. Il valore Ra (rugosità media) è la misura più diffusa della rugosità della superficie, calcolata facendo la media dei valori assoluti delle deviazioni della superficie. Anche le condizioni e la calibrazione del letto di stampa possono influire sulle misurazioni della rugosità superficiale e sulla qualità di stampa complessiva.

Un valore Ra più basso indica una superficie più liscia. Altri metodi di misurazione della rugosità superficiale sono l'ispezione visiva, il test tattile e la scansione ottica.

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Come le diverse tecnologie di stampa 3D influenzano la rugosità della superficie

La rugosità della superficie varia in modo significativo a seconda della tecnologia di stampa 3D utilizzata. Ogni metodo presenta vantaggi e limiti distinti per ottenere una finitura liscia. L'efficacia delle tecniche di finitura superficiale può dipendere anche dai diversi materiali e dalla geometria del pezzo, poiché forme complesse o proprietà specifiche dei materiali possono richiedere approcci personalizzati.

Fusione del letto di polvere laser (LPBF)

La LPBF, comunemente utilizzata per la stampa 3D di metalli, tende a produrre parti con superfici relativamente ruvide a causa delle particelle di polvere parzialmente fuse che aderiscono alla superficie. I valori Ra tipici sono compresi tra 5 e 15 µm, ma possono essere ridotti con tecniche di post-elaborazione come la lavorazione o la lucidatura. In MakerVerse, tutti i pezzi LPBF sono sottoposti a sabbiatura media per ridurre al minimo la rugosità della superficie.

PolyJet

La tecnologia PolyJet è nota per la produzione di alcune delle superfici più lisce della stampa 3D. Il processo prevede il getto di strati di fotopolimero liquido polimerizzato con luce UV su un vassoio di costruzione. La risoluzione fine e la deposizione uniforme degli strati danno luogo a finiture superficiali di alta qualità, ideali per prototipi e modelli che richiedono un'eccellente qualità visiva. Le condizioni della piastra di costruzione sono importanti per ottenere una qualità superficiale ottimale nelle stampe PolyJet. L'applicazione di un sottile strato di epossidica carteggiabile può migliorare ulteriormente la scorrevolezza delle stampe PolyJet, riempiendo le piccole imperfezioni.

Modellazione a deposizione fusa (FDM)

La FDM è ampiamente utilizzata per prototipazione e funzionale ma può produrre superfici ruvide a causa di linee di strato visibili, con valori Ra tipicamente compresi tra 10 e 25 µm. La rugosità dipende dall'altezza dello strato, dalle dimensioni dell'ugello e dal materiale. Mantenendo una temperatura stabile e chiudendo la stampante si possono evitare le deformazioni causate da un raffreddamento non uniforme, soprattutto con materiali come ABS e PETG. La regolazione dell'altezza dello strato tra 0,12 mm e 0,2 mm può migliorare la scorrevolezza dello strato superiore. Per ottenere una finitura più liscia, sono spesso necessarie fasi di post-lavorazione come la levigatura, la lisciatura chimica o il rivestimento; la scelta della tecnica deve essere adattata ai diversi materiali come ABS, PLA o PET per ottenere i migliori risultati. Tuttavia, mantenere l'accuratezza dimensionale durante la post-elaborazione può essere impegnativo, soprattutto quando si utilizzano tecniche aggressive come la levigatura chimica. MakerVerse offre la sabbiatura gratuita per ridurre la rugosità della superficie.

Sinterizzazione laser selettiva (SLS)

La SLS, spesso utilizzata per parti in nylon durevoli, può presentare un'elevata rugosità superficiale dovuta alla polvere sinterizzata, con valori Ra compresi tra 10 e 20 µm. La polvere non sinterizzata che si attacca al pezzo durante la stampa contribuisce a questa rugosità, rendendo necessaria una post-elaborazione per le applicazioni che richiedono una superficie più liscia. La sabbiatura superficiale è inclusa in tutti gli ordini effettuati tramite MakerVerse.

Fusione multigetto (MJF)

La MJF offre una finitura superficiale più liscia rispetto alla SLS, con valori Ra tipici compresi tra 5 e 10 µm. L'uso di un agente di fusione e di lampade a infrarossi contribuisce a creare una superficie più uniforme, anche se per i pezzi che necessitano di una finitura molto liscia può essere necessaria una post-elaborazione. La sabbiatura media è inclusa gratuitamente in MakerVerse.

Stereolitografia (SLA)

La tecnologia SLA produce superfici lisce e di alta qualità con bassi valori di Ra. Questa tecnologia utilizza un laser per polimerizzare la resina liquida strato per strato, ottenendo superfici estremamente dettagliate e lisce. Le condizioni e la calibrazione della piastra di costruzione sono fondamentali per ottenere la migliore finitura superficiale possibile nelle stampe SLA. La SLA viene spesso utilizzata in applicazioni in cui sono fondamentali i dettagli e l'eccellente qualità della superficie.

Quando si prende in considerazione la possibilità di stampare in 3D una finitura superficiale liscia, bisogna tenere presente che altri materiali e tecnologie possono richiedere approcci specifici di post-elaborazione, come l'uso di resine, vernici o compositi personalizzati, e che la geometria del pezzo può influenzare l'efficacia di questi metodi.

Fattori che influenzano la rugosità superficiale nella stampa 3D

Oltre al tipo di produzione utilizzato, diversi fattori influenzano la rugosità superficiale delle parti stampate in 3D:

Scelta del materiale: Il tipo di materiale utilizzato nella stampa 3D influisce in modo significativo sulla rugosità della superficie. I materiali con granulometria più fine o con caratteristiche di estrusione più morbide producono generalmente superfici più lisce. Ad esempio, il PLA in Stampa FDM spesso si ottiene una finitura più liscia rispetto all'ABS, grazie alla temperatura di stampa più bassa e alla riduzione della deformazione. I materiali con granulometria più grossa possono produrre una superficie ruvida, che può richiedere ulteriori fasi di finitura.

Altezza e risoluzione del livello: L'altezza dello strato è direttamente correlata alla rugosità della superficie. Un'altezza di strato minore produce dettagli più fini e superfici più lisce, perché i passaggi tra gli strati sono meno evidenti. Tuttavia, la riduzione dell'altezza del layer aumenta il tempo di stampa, il che rappresenta un compromesso da considerare. Le impostazioni di stampa e le impostazioni dello slicer, come l'altezza del layer e la larghezza della linea del layer superiore, svolgono un ruolo fondamentale nel determinare la qualità e la rugosità della superficie. Una corretta calibrazione dell'asse Z è essenziale per ottenere strati uniformi e una superficie superiore liscia.

Tecniche di post-elaborazione: La post-elaborazione gioca un ruolo cruciale nel migliorare il finitura superficiale delle parti stampate in 3D. Tecniche come la levigatura, la lucidatura, la levigatura chimica e la sabbiatura possono ridurre significativamente la rugosità della superficie, migliorando i valori di Ra e Rz. La post-elaborazione è essenziale per affrontare le superfici irregolari che derivano dalla natura layer-by-layer della stampa 3D. Varie tecniche di finitura superficiale, come la levigatura e la lisciatura chimica, possono migliorare significativamente l'aspetto finale e la funzionalità della parte stampata.

La qualità del livello superiore è fondamentale per ottenere un aspetto professionale e può essere migliorata regolando le impostazioni dello slicer, come la larghezza della linea del livello superiore e il modello, nonché monitorando e perfezionando le impostazioni di stampa durante il processo.

Opzioni di post-elaborazione e tecniche di finitura della superficie

Levigatura e lucidatura: La levigatura è una delle tecniche più utilizzate nella post-elaborazione delle parti stampate in 3D e spesso richiede molto tempo e lavoro. Questi metodi meccanici riducono la rugosità della superficie, in particolare per le parti FDM e SLS. Il processo di levigatura inizia con una carta vetrata grossolana, come la grana 220, per rimuovere le imperfezioni più importanti e passa a grane più fini fino alla grana 2000 per ottenere una finitura simile al vetro. L'uso di un blocco di levigatura aiuta ad applicare una pressione uniforme durante la levigatura, mentre la carta vetrata più fine è essenziale per le fasi finali per affinare la superficie.
La carteggiatura a umido è fondamentale per evitare che il PLA si riscaldi, si sciolga e si attacchi alla carta. È importante utilizzare panni privi di lanugine per pulire la superficie prima e dopo la levigatura, per evitare polvere e contaminanti. La levigatura è spesso seguita dalla lucidatura per ottenere una finitura lucida e l'applicazione di un composto lucidante dopo la levigatura può migliorare ulteriormente la brillantezza della superficie. La lucidatura può migliorare ulteriormente il pezzo, creando una superficie lucida, esteticamente gradevole e funzionale.
Levigatura chimica: I trattamenti chimici sono metodi di post-processing che modificano le proprietà superficiali e meccaniche delle parti stampate in 3D. Questo processo prevede l'esposizione della parte a un vapore solvente ed è comunemente usato per le stampe di polimeri, in particolare per l'ABS. La levigatura con vapore di acetone è un metodo comune per levigare le stampe di ABS, in cui la parte viene sigillata in un contenitore con vapore di acetone per sciogliere e livellare la superficie. La lisciatura con vapore di acetone è molto efficace per le stampe ABS, ma comporta rischi per la salute se non viene maneggiata correttamente. L'alcol isopropilico può essere usato per lisciare alcuni tipi di filamento come il PVB e il PolySmooth™ PLA. L'immersione chimica comporta l'immersione dei pezzi in un bagno chimico che ne intacca la superficie. La levigatura chimica a vapore è un metodo sofisticato di post-elaborazione per ottenere una finitura lucida.
I rischi dei metodi di levigatura chimica includono l'infiammabilità e la tossicità, quindi è essenziale indossare un'adeguata attrezzatura di sicurezza, compresi guanti e maschera antipolvere, ed eseguire questi processi in un'area ben ventilata. La fusione locale è un modo semplice per ridurre l'aspetto dei graffi superficiali dovuti a danni o alla rimozione del supporto, ma non è efficace per i graffi profondi.
Levigatura del vapore è un tipo specifico di levigatura chimica per materiali come l'ABS. In questo processo, la superficie viene esposta a un vapore che scioglie e leviga gli strati superiori, ottenendo una finitura più liscia.
Esplosione mediatica: Questa tecnica prevede la sabbiatura del pezzo con mezzi abrasivi per lisciare la struttura della superficie. È efficace per ridurre la rugosità in SLS e Parti MJF.
Elettrolucidatura: L'elettrolucidatura è un metodo standard per le parti metalliche stampate in 3D per ridurre la rugosità della superficie. Rimuove un sottile strato di materiale, migliorando i valori Ra e Rz e l'aspetto complessivo del pezzo. Per la finitura si possono utilizzare anche altri materiali e rivestimenti.
La post-elaborazione additiva è un altro metodo per levigare e rafforzare le parti aggiungendo materiale direttamente sulla superficie stampata. I primer preparano le parti stampate in 3D per l'aggiunta di strati successivi, pretrattando la superficie per una migliore adesione. Come opzioni di finitura sono disponibili rivestimenti spray, tra cui vernici, resine, plastiche e gomme. La laminazione o avvolgimento in vinile consiste nell'avvolgere una pellicola adesiva in metallo leggero o plastica su un oggetto per rifinirne la superficie.
Trattamento termico: Il trattamento termico può levigare le imperfezioni della superficie utilizzando una pistola termica o un forno a basse temperature. La pistola termica funziona a bassa temperatura (circa 75°C) e deve essere utilizzata a una distanza di 15-20 cm per levigare le imperfezioni della superficie senza causare deformazioni. Per il PLA, il trattamento termico in forno a bassa temperatura (circa 40°C) aiuta a evitare le deformazioni. La levigatura delicata è importante per i materiali speciali. La rimozione del materiale in eccesso durante la stampa aiuta a evitare superfici ruvide. Una migliore adesione tra gli strati, utilizzando primer e rallentando la velocità di stampa, migliora la finitura superficiale. Alcuni materiali possono essere levigati facilmente con metodi specifici, quindi la scelta del metodo di levigatura giusto in base al materiale e alla geometria del pezzo è fondamentale. I metodi di post-elaborazione manuale sono spesso dispendiosi in termini di tempo e di manodopera.
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