Cruscotto con venature in legno Objet

Applicazioni di finitura

Unisci, sigilla e decora le parti stampate in 3D

Per prototipi difficilmente distinguibili dai prodotti stampati a iniezione, applicazioni per la realizzazione di attrezzature avanzate e dispositivi personalizzati duraturi di aspetto gradevole, è possibile applicare una fase di post-trattamento alle parti stampate in 3D.

Macchina per finitura: aumento delle potenzialità

Panoramica

La gamma di applicazioni di fabbricazione additiva è estesa e in crescita. Con il progredire di processi e materiali, il settore ha esteso l'utilizzo della tecnologia dalla prototipazione alla fabbricazione. Benché le applicazioni siano svariate, condividono tutte un dilemma, un compromesso sottostante tra qualità estetica e funzionalità. Le tecnologie di fabbricazione additiva con le migliori finiture di superficie si sono chiaramente distinte rispetto a quelle con la resistenza maggiore.

Virtualmente ogni parte rigida, duratura e resistente può essere finita in modo da offrire una superficie liscia e pronta per la verniciatura. Il costo e i tempi a tale scopo possono tuttavia rivelarsi proibitivi e gli effetti sulla precisione delle parti possono essere inaccettabili. Di conseguenza, è possibile che in passato le aziende abbiano scelto di utilizzare un'alternativa più debole e meno resistente per risparmiare tempo, ridurre i costi e preservare il livello di dettaglio degli elementi.

Prototipi di finitura, componenti di attrezzature o parti finite possono essere creati in svariati modi, ciascuno con un impatto diverso su tempi di lavorazione, spesa e qualità. L'alternativa più comune consiste nel levigare una parte a mano o con attrezzature avanzate. Si tratta di un metodo complessivamente efficace per parti di dimensioni ragionevoli con pochi elementi e dettagli. Tuttavia, quando la parte include molti elementi, piccoli dettagli o profonde cavità, la levigatura diventa laboriosa, costosa e dispendiosa in termini di tempo. Un'altra considerazione da tenere presente è che la rimozione del materiale fa della precisione dimensionale una variabile che cambia a seconda della persona che interviene sulla parte.

Tra le operazioni di levigatura, alle parti è possibile applicare materiale di riempimento o mani di fondo. Si tratta di una tecnica comune quando è necessario preparare una parte per la verniciatura, perché consente di consegnare parti con finiture molto uniformi. I materiali di riempimento e le mani di fondo consentono di preservare la precisione dimensionale, tramite il riempimento delle depressioni prima della fase di levigatura. Questa finitura pronta per la verniciatura comporta tuttavia un costo. L'applicazione di più strati di materiale di riempimento e di più mani di fondo richiede più tempo e lavoro per la levigatura tra ogni strato, che comporta un'estensione dei tempi di lavorazione e una spesa maggiore per la parte.

Un altro metodo per lisciare le parti costituite da termoplastiche consiste nello “sciogliere” la superficie esterna con un solvente. Sulla superficie delle parti può essere stata applicata una soluzione di MEK o ProWeld oppure le parti possono essere state immerse in un bagno del materiale. Il solvente provoca la liquefazione della plastica, che riempie le aree inferiore della superficie. I solventi offrono il vantaggio aggiuntivo di sigillare una superficie porosa, ma implicano alcuni inconvenienti. Gli elementi più piccoli possono risultare deformati, le cavità possono essere impossibili da raggiungere e gli sgocciolii possono lasciare tracce visibili. Un'altra considerazione da tenere presente è che i tempi di asciugatura possono essere maggiori se il solvente deve evaporare dagli strati profondi di una superficie porosa.

Ciò di cui il settore ha bisogno, in particolare per realizzare applicazioni di produzione digitale diretta (DDM, Direct Digital Manufacturing) è una tecnica di finitura che riduca al minimo costi e tempi di lavorazione, offrendo al contempo una parte solida e funzionale con elevata precisione e un alto livello di dettaglio degli elementi.

Modellazione a deposizione fusa e processo di lisciatura

È ora disponibile un metodo di finitura alternativo per l'elaborazione di parti FDM. A fronte di una quantità inferiore di lavoro e di un breve ciclo di elaborazione, la macchina per finitura produce prototipi, attrezzature e parti finite la cui finitura li rende pronti per verniciatura, cromatura o produzione. La macchina per finitura può fornire una finitura di superficie di 32-63 micron.

Il successo del processo di lisciatura ha incoraggiato le aziende a riconsiderare la modellazione a deposizione fusa per applicazioni che utilizzano tecnologie competitive. In molti casi, la tecnologia FDM era la soluzione preferita, ma i tempi e la spesa necessari per la finitura delle parti erano insoddisfacenti per l'applicazione. La macchina per finitura offre a queste aziende la resistenza delle parti FDM insieme all'uniforme finitura di superficie di cui hanno bisogno.

La macchina per finitura è costituita da due camere, una per il raffreddamento e l'indurimento e una per la lisciatura. Le parti vengono prima inserite nella camera di raffreddamento per ridurne le temperature. Vengono quindi trasferite nella camera di lisciatura per 10-30 secondi. La temperatura di raffreddamento della parte fa sì che l'agente di lisciatura si condensi uniformemente su tutti gli elementi. Durante questo processo, l'agente aderisce alle superfici della parte e le liscia fino a ottenere una finitura ottimale. Lascia indurire la parte per 15-20 minuti. Leviga con delicatezza e ripeti il ciclo se necessario. La levigatura non è obbligatoria, ma produce il risultato migliore. Il ciclo viene ripetuto in base alle necessità, quindi le parti vengono lasciate a riposare nella camera di indurimento. Le parti risultano asciutte al tocco entro 30-45 minuti. Per ottenere risultati ottimali, le parti devono essere lasciate a indurire per 12-18 ore.

Una volta rimosse dalla macchina per finitura, le parti avranno una finitura lucida. Se preferisci una finitura opaca, il processo di lisciatura viene eseguito tramite sabbiatura con perline in plastica. Stratasys consiglia di utilizzare questo metodo con una pressione non inferiore a 30 psi o 2,068 bar nel nebulizzatore e dimensioni 1016 x 509 x 508 mm (40 x 22 x 22 pollici). La lucidatura della superficie con granuli in plastica Polyhard di tipo III (che è possibile ordinare online all'indirizzo www.ustechnology.com/stratasys) offre alla parte una consistenza setosa e uniforme simile a quella ottenuta tramite stampaggio a iniezione.

Il processo consiste in un metodo delicato senza contatto tattile per la finitura di parti FDM, che consente di proteggere gli elementi più piccoli dalla distorsione o dalla rimozione accidentale. Il processo preserva inoltre la precisione dimensionale della parte FDM.

Questa conclusione è stata confermata da alcuni studi eseguiti presso il W.M. Keck Center for 3D Innovation dell'University of Texas di El Paso (UTEP). Secondo Frank Medina, responsabile del W.M. Keck Center, “La precisione di FDM 400mc si è rivelata pari a +/- 0,013 mm (+/- 0,005 pollici). Il processo di lisciatura modifica la parte di non oltre 0,023 mm (0,0009 pollici). Possiamo dunque concludere che le variazioni di precisione dovute alla lisciatura dopo tre esposizioni sono irrilevanti.” In un'indagine separata presso la UTEP, condotta da David Espain, Frank Medina e Ryan Wicker, il team ha determinato che la durata o il numero delle esposizioni non influisce in misura significativa sulla precisione dimensionale. Il team ha inoltre stabilito che sono sufficienti 1 ora e 20 minuti per il completo indurimento della parte dopo la rimozione dalla camera di lisciatura.

La macchina per finitura reintroduce la tecnologia FDM nelle applicazioni in cui la consistenza della superficie è tanto importante quanto la funzionalità della parte, i tempi di lavorazione e il costo. Un tipico gruppo di parti FDM può essere elaborato e preparato per la verniciatura in meno di due ore con meno di 15 minuti di lavoro.

Applicazioni

Esempi di applicazioni del mondo reale del processo di lisciatura comprendono l'intera gamma, dalla creazione di campioni di marketing verniciati alla produzione di articoli finiti. Dall'introduzione della macchina per finitura, l'utilizzo dei sistemi Fortus è notevolmente aumentato per svariate applicazioni. Con il processo di lisciatura le aziende stanno ampliando il proprio utilizzo della tecnologia FDM in applicazioni che richiedono sia funzionalità che superfici uniformi. Tra le applicazioni sono incluse le seguenti: 1. Finitura di parti master tramite verniciatura o galvanoplastica. 2 Lavorazione di master. 3. Sigillatura di parti per applicazioni liquide. 4. Termoformatura di stampi. 5. Fusione in cera persa.

Verniciatura:

Un produttore leader del settore automobilistico stima che siano necessari tre giorni e 700,00 dollari per preparare il prototipo di una griglia anteriore per la verniciatura. Per tre giorni, gli operai applicano la mano di fondo, levigano tutte le superfici, spruzzano una seconda mano di fondo, levigano nuovamente tutte le superfici e applicano un'ultima mano di fondo per la finitura. In completo contrasto, la stessa griglia viene lisciata e preparata per la verniciatura in meno di due ore. Il lavoro totale per il processo di lisciatura corrisponde a soli ¾ di un'ora e i costi delle forniture sono inferiori a 10,00 dollari. Benché un risparmio del 90% in tempo e spesa sia già di per sé sorprendente, l'azienda ha individuato come maggior vantaggio la riduzione dei tempi di fabbricazione.

Per ridurre al minimo il tempo necessario per levigare a mano una griglia, l'azienda automobilista costruiva la parte FDM applicandole lo stesso orientamento che avrebbe avuto una volta montata sull'auto. L'azienda costruiva inoltre la parte con fette di spessore inferiore. La lisciatura elimina entrambe queste misure di risparmio di tempo. Costruendo la griglia appoggiata sulla parte posteriore e con fette di spessore maggiore, l'azienda è riuscita a ridurre i tempi di costruzione di oltre la metà. Questa scelta ha ridotto il costo della parte, ha accelerato i tempi di consegna e ha aumentato la capacità della macchina. La possibilità di disporre di maggiore capacità e tempi di lavorazione inferiori ha consentito un outsourcing minore e spese ulteriormente ridotte per i prototipi, nonché di mantenere all'interno dell'organizzazione le informazioni di progettazione riservate e sensibili.

Un'azienda leader del settore della produzione di giocattoli e articoli per bambini ha stimato di verniciare quasi la metà di tutte le parti di fabbricazione additiva costruite in un anno. Come preparazione per la verniciatura, le parti vengono levigate, riempite, spruzzate con una mano di fondo e quindi nuovamente levigate. Questo approccio estende i tempi di lavorazione, consuma manodopera e aggiunge costi significativi all'operazione di prototipazione.

In una valutazione l'azienda ha confrontato l'approccio di finitura a mano con il processo di lisciatura per la preparazione di un seggiolino per neonati per la verniciatura, scoprendo di poter ridurre il costo e i tempi di lavorazione di oltre l'80%. Mentre il processo di lisciatura veniva completato in meno di due ore per meno di 40,00 dollari, la levigatura e l'applicazione di mani di fondo richiedevano sei ore di lavoro e un costo di oltre 250,00 dollari.

Termoformatura:

Un'azienda produttrice di packaging per alimenti ha utilizzato attrezzature FDM per il processo di termoformatura durante le convalide della progettazione. Il vantaggio di un'attrezzatura FDM è che può essere creata come porosa, per consentire l'immissione di pressione a vuoto attraverso l'intera parte. In questo modo l'azienda può utilizzare le attrezzature FDM non appena completata la costruzione. L'azienda non utilizzava tuttavia queste attrezzature per i campioni di marketing, in quanto la superficie porosa era troppo grossolana.

La sperimentazione ha dimostrato che il processo di lisciatura fa sì che lo stampo FDM possa servire due scopi. In seguito alla verifica della progettazione, lo stampo FDM viene lisciato. La finitura lucida risultante è ideale per i campioni di marketing termoformati. Grazie al processo di lisciatura, l'azienda può ora termoformare modelli di progettazione e campioni di marketing nello stesso giorno.

L'unica lieve limitazione del processo di lisciatura consiste nella sigillatura della superficie della parte, che annulla un vantaggio degli stampi di termoformatura FDM. L'azienda ha tuttavia scoperto di poter semplicemente forare la superficie della parte FDM in posizioni strategiche. Poiché il processo di lisciatura penetra solo di 0,25 mm (0,010 pollici), i tecnici possono utilizzare qualsiasi utensile dotato di punta tagliente per perforare la superficie dello stampo.

Galvanoplastica:

Gli operatori di galvanoplastica hanno individuato che il processo di lisciatura svolge due funzioni essenziali in un'unica operazione. Ne derivano tempi di consegna più rapida, spese inferiori e qualità superiore.

Prima del processo di galvanoplastica, le parti devono essere lisciate e sigillate. Nella parte cromata sono visibili superfici grossolane e la porosità consente alle soluzioni di galvanoplastica di penetrare all'interno. I tradizionali processi manuali utilizzati per lisciare e sigillare le parti contribuiscono all'aumento di tempi di lavorazione e spese di lavoro diretto e introducono variazioni relative a qualità e precisione della parte.

La levigatura a mano delle parti per ottenere un livello di uniformità adatta a superfici metalliche lucidate è un processo dispendioso in termini di tempo. Tale processo implica inoltre capacità artigianali che possono produrre variazioni nella qualità della parte. Analogamente, la sigillatura delle parti con una mano di fondo può produrre irregolarità nell'applicazione della mano di fondo stessa e dei rivestimenti conduttivi. L'alternativa consiste nell'immergere le parti in un solvente, ma questa operazione può danneggiare i dettagli più piccoli. L'immersione in solvente richiede inoltre un lungo ciclo di asciugatura, da uno a due giorni.

Al contrario, il processo di lisciatura protegge gli elementi più piccoli e l'elevato livello di dettaglio delle parti sottoposte a galvanoplastica, preservandone la coerenza dimensionale e riducendo al minimo i tempi di lavoro diretto e di elaborazione. Nella maggior parte dei casi, le parti sono pronte per la galvanoplastica in meno di due ore.

Fusione:

Fonderie per fusione in sabbia e in cera persa hanno implementato la tecnologia FDM per accelerare i processi di creazione di schemi e fabbricazione di attrezzature. L'unico ostacolo rimanente a tempi di lavorazione inferiori per fusioni di alta qualità è la finitura di superficie. Poiché la qualità della fusione dipende dalla qualità dello schema o dell'attrezzatura, tempo e lavoro vengono investiti nella finitura manuale delle superfici di ogni parte FDM.

Per la fusione in cera persa, la finitura a mano è un processo ripetitivo, in quanto viene utilizzato uno schema FDM per ogni fusione in metallo. Oltre all'impatto su tempi e costo, la lavorazione a mano degli schemi complica il mantenimento della coerenza dimensionale tra le parti. Il processo di lisciatura consente di risolvere tutti e tre i problemi contemporaneamente. In una sola operazione, la macchina per finitura può elaborare più schemi FDM in meno di un'ora con solo pochi minuti di lavoro diretto. L'azione di lisciatura è inoltre la stessa per tutte le parti, per garantire la coerenza in termini di qualità delle superfici e precisione dimensionale delle parti.

Le fonderie per fusione in sabbia utilizzano schemi FDM per produrre scatole per anime, staffe, draghe e piastre di unione che contribuiscono alla costruzione dello strumento di fusione. Le fonderie costruiranno inoltre questi articoli direttamente da un sistema Fortus, eliminando la necessità di schemi. Sia che si tratti di uno schema FDM o di un'attrezzatura FDM, il processo di lisciatura riduce al minimo i tempi di lavoro diretto e di lavorazione per fornire fusioni in sabbia a livello di produzione.

I vantaggi del processo di lisciatura aumentano notevolmente nella produzione di fusioni in sabbia complesse, come statole di comandi o leve dello sterzo. Una fonderia ha notato che le parti complesse possono richiedere diverse dozzine di anime in sabbia, ciascuna creata da una scatola di anime diversa, per riprodurre passaggi interni e cavità. La finitura a mano di una dozzina di scatole di anime aggiunge molti giorni e innumerevoli ore di lavoro. Sostituendo il processo di lisciatura, è stato possibile completare lo stesso lavoro in una frazione di tempo e con molto poco lavoro diretto. Il risultato finale per la fonderia è stato un aumento della capacità di produzione con una riduzione dei tempi di lavorazione.

Conclusione

Le aziende si stanno rendendo conto delle notevoli riduzioni in termini di tempi di lavorazione e spese quando viene utilizzata la macchina per finitura per finire e sigillare parti FDM. Indipendentemente dalla complessità e dal numero di elementi, la macchina per finitura produce una finitura pronta per la verniciatura in sole poche ore e richiede meno di un'ora di lavoro e forniture del valore di 10,00 dollari.

La macchina per finitura ha essenzialmente automatizzato il processo di finitura per la fabbricazione additiva FDM, eliminando i tempi, il lavoro e le spese di levigatura, riempimento e mani di fondo delle parti per realizzare una finitura di superficie uniforme per parti di produzione, prototipi e campioni verniciati. Così facendo, la macchina per finitura ha eliminato qualsiasi compromesso tra qualità estetica e funzionalità del prodotto.

Seggiolino per neonati


Processo

Tempi di lavorazione

Costo di lavorazione

Costo delle forniture

Levigatura a mano

1,5 giorni

USD $240

USD $15

Lisciatura

2 ore

USD $30

USD $10

RISPARMI

83%

84%

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