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43 – Additive Manufacturing: Post-processing - Coggle Diagram
43 – Additive Manufacturing: Post-processing
AM Post-processing
Post-elaborazione
• La maggior parte dei processi AM richiede la post-elaborazione (post-processing)
• Post-elaborazione = serie di fasi che le parti devono sostenere dopo i processi AM e prima che siano adatte allo scopo
• Il termine «post-elaborazione» è spesso usato in modo intercambiabile con «finitura» → confusione
Spesso ci sono una serie di step di post-elaborazione essenziali prima delle
fasi di finitura della parte prodotta da AM
Così «finitura» è un sottoinsieme di post-elaborazione
• La post-elaborazione può includere uno o tutti i seguenti elementi:
Rimozione del materiale in eccesso
Cura/Trattamento Termico
Rimozione dei supporti (primari e secondari)
Machining parziale
Processi di finitura superficiale (come la sabbiatura o levigatura)
Infiltrazione o verniciatura
Colorazione
Ispezione
• Le attività di post-elaborazione sono spesso laboriose e quindi dispendiose in termini di costi e di tempo
• Per applicazioni di produzione AM, la post-elaborazione è una percentuale considerevole del costo totale (fino al 60%) a seconda dell'applicazione
• Spesso necessità di post-elaborazione sono per migliorare le caratteristiche della parte finale in termini di funzionalità o estetica
• Può essere ridotta attraverso una progettazione AM (DfAM) per ridurre le fasi di postelaborazione necessarie.
• Valutazioni del progettista:
• complessità del processo AM,
• funzionalità specifiche del sistema AM utilizzato,
• come orientare le parti nelle macchine
• come generare strutture di supporto ottimali per la formazione e la rimozione
• Post-elaborazione dipende da geometria componente e da grado di
adeguatezza della progettazione per produzione AM
• In ogni caso un certo numero di step di post-elaborazione sono necessari per tutti i
processi AM
o Post-elaborazione nei processi AM
• 3D printing
• metalli: necessitano processi di consolidamento (debinding-sintering) e
successivo miglioramento della finitura
• polimeri: necessitano pulizia e infiltrazioni per migliorare proprietà ed estetica
• Multijet-polyjet
• necessitano rimozione supporti ma non post cura o finitura
• PBF
• polimeri (SLS) manipolazione e rimozione della polvere post costruzione, e operazioni di infiltrazione e processi di finitura (miglioramento estetica e colorazione)
• metalli (SLM): richiedono una significativa manipolazione e rimozione della polvere dopo la costruzione, rimozioni dei supporti primari, miglioramento estetica
• Sheet Lamination:
• necessitano rimozione materiale in eccesso, miglioramento della finitura e
dell’estetica
• Processi SLA
• necessitano di post-cura delle parti e rimozione dei supporti e segni dei
supporti
• DED:
• necessitano miglioramento della finitura
• Processi FDM
• filamento termoplastico per la natura stessa del processo AM ha un effetto di stepping → necessari processi di miglioramento della finitura, rimozione dei supporti, riempimento dei gap, verniciatura
Miglioramenti dimensionali e superficiali
Post-elaborazione: processi per migliorare le parti dal punto di vista dimensionale e
superficiale
• Miglioramenti della texture della superficie
• Comuni texture di superficie indesiderate
• staircase
• adesione polvere
• motivi di riempimento da sistemi di estrusione o DED
• segni derivanti dalla rimozione di supporti
• aspetto rugoso in processi PBF
• Tipi di post-elaborazione utilizzati per il miglioramento della texture superficiale
dipende dal risultato di finitura superficiale desiderato:
• Opaca: sabbiatura (elimina staircase)
• Lucida/liscia: levigatura (wet or dry), lucidatura a mano. A volte coating (cianoacrilati o sigillanti) prima di levigatura o lucidatura
• Tecniche automatizzate: burattatura e abrasive flow machining (AFM) → smussano ma a discapito di precisione
• Miglioramenti di precisione
• Precisione parti AM in gamma molto vasta:
• tolleranze da submicron a 1 mm
• maggiore è il volume e più veloce è la costruzione → peggiore è la precisione
• Sorgenti di errore che dipendono dal processo influiscono sulla precisione del piano
x-y in modo diverso dalla precisione sull'asse z:
• es.
• limitazioni di posizionamento di specifiche macchine,
• mancanza di strategie di monitoraggio e controllo,
• problemi legati al tasso volumetrico di aggiunta del materiale
• skill dell’operatore
• Integrazione lavorazioni additive più sottrattiva è un altro metodo per migliorare
l'accuratezza del processo
• Strategia completa:
• pre-elaborazione del file STL per compensare le imprecisioni + lavorazioni di
machining per finitura della parte finale
• Esempi di strategie:
• Fenomeni ripetibili (ritiro, distorsione) possono essere compensati scalando il modello CAD
• Dove si richiede elevato grado di precisione si può prevedere materiale aggiuntivo per zone critiche poi rimosso tramite metodi sottrattivi (processi ibridi additive-subtractive)
• Miglioramenti estetici
o Miglioramenti dell’estetica
• Le strategie di miglioramento estetico sono funzioni del tipo di componente e del
tipo di funzione per cui esso è pensato:
• Se parti usate per visualizzazione o come strumenti di marketing → estetica è di importanza critica
• Se necessaria una differenza di texture superficiale tra una regione e un'altra → finitura solo di alcune zone
• Se colore non di qualità adeguata → possono essere colorati immergendo la parte in un colorante (es. parti PBF)
• Se miglioramenti legati alla sola finitura → specifici trattamenti
• Se è richiesta la verniciatura → spesso necessario sigillare prima della verniciatura
• Altro miglioramento estetico che ↑ resistenza all'usura è la placcatura cromata o
rivestimenti con Ni, Cu
• Alcuni rivestimenti → se sufficientemente spessi possono essere anche funzionali
oltre che estetici
Miglioramento dei limiti dell’AM
Post-elaborazione: processi per superare i limiti generativi delle tecniche AM
• In genere si impiegano tecniche di:
• Rimozione materiale di supporto
• Preparazione per l'uso come modello
• Miglioramenti delle proprietà con tecniche non termiche
• Miglioramenti della proprietà con tecniche termiche
o Rimozione materiale di supporto
• Materiale di supporto può essere classificato in due categorie:
• materiale circonda la parte → sottoprodotto naturale del processo di
costruzione (supporti naturali) (es. PBF)
o tecniche di rimozioni polveri anche automatiche a fine ciclo
strutture rigide per supportare/trattenere/attaccare la parte in fase di
costruzione alla build platform (supporti sintetici) (es. FDM), possono essere in:
o «build material»: breakaway supports (per polimeri in FDM, SLA),
rimozione meccanica (PBF, DED)
o «secondary material»:
• polimeri, materiale facilmente dissolvibile es. acqua
• metalli, leghe a basso punto di fusione o chimicamente dissolvibili
o Preparazione per uso come modello
• Possibilità di usare parti AM come modelli:
• investment casting
• colata in sabbia
• vulcanizzazione a temperatura ambiente (RTV)
• deposizione di metalli a spruzzo
• altri processi con uso di modelli
• In molti casi, l'uso di un modello AM in un processo di colata è il modo meno costoso per utilizzare AM per produrre una parte metallica (processi AM a base metallica costosi)
• La precisione e la finitura superficiale di un modello AM influenzano direttamente la precisione della parte finale e la finitura della superficie.
• Es. Investment casting, modelli stampati direttamente su albero o assemblati:
• SLA modelli devono essere drenati e fori coperti, fotopolimeri devono essere bruciati
• PBF come il polistirolo da un processo di sinterizzazione laser polimerico
• BJ come amido, la parte risultante è porosa e fragile e deve essere infiltrata con cera
o Miglioramenti proprietà con tecniche non termiche
• Processi PBF o EB creano spesso strutture porose:
• Sviluppati anche altri materiali per infiltrazione come nanocompositi (↑resistenza, duttilità, deflessione termica, resistenza all'infiammabilità o altre proprietà)
• Infiltrati da materiale ad alta resistenza, come cianoacrilati (Super Glue®)
• Processi VP con fotopolimeri spesso non raggiungono completa polimerizzazione:
• necessità di dispositivi con UV o luce visibile o di forni a bassa T per
completare cura e migliorare proprietà meccaniche
o Miglioramenti proprietà con tecniche termiche
• Trattamenti termici post per migliorare le proprietà
• Processi DED e PBF per i metalli:
• trattamento termico per formare le microstrutture desiderate e/o per ridurre
le sollecitazioni residue (metodi per mantenere grana fine)
• Binder jetting è l'unico processo AM utilizzato per creare parti «verdi» che
necessitano post-trattamenti termici specifici:
• debinding (rimozione adesivo) e sinterizzazione delle polveri
• Esempi di procedure combinate (AM + trattamenti termici):
• SLS/pressatura idrostatica a caldo (HIP):
o SLS usato per produrre pelli impermeabili a gas scansionando solo i
contorni esterni → guscio metallico riempito con polvere sciolta.
o Poi utilizzando la pressatura isostatica a caldo (HIP) si completa la
parte (es. Inconel 625 e Ti–6Al–4 V per applicazioni aerospaziali)
• SLS/sintering/infiltrazione:
o SLS per produrre elettrodi per EDM compositi a forma complessa di ZrB2/Cu. → parte verde in polvere di ZrB2 rivestita con polimero usando SLS
o debinding e il sintering della parte
o l'infiltrazione con rame liquido
o struttura più omogenea rispetto a pressatura a caldo