Il trattamento della produzione additiva

La qualità delle superfici di pezzi ottenuti con tecnologie additive non è, il più delle volte, sufficiente per la messa in esercizio. Per ovviare al problema sono praticati una serie di post trattamenti superficiali. La scelta del corretto post trattamento è fondamentale ai fini di garantire alta qualità e contenimento dei costi. In queste pagine si considerano i trattamenti meccanici senza asportazione di materiale. Si descrivono le principali tecniche oggi in uso o in sperimentazione e si commentano criticamente i risultati ottenuti.

Introduzione

La produzione additiva di elementi metallici è un settore in rapida espansione, grazie alla sua capacità di fabbricare geometrie complesse con caratteristiche personalizzate che altrimenti non potrebbero essere realizzate, utilizzabili in un’ampia gamma di applicazioni. Tuttavia, gli elementi prodotti con processi additivi generalmente mostrano una qualità superficiale inadeguata e, molte volte, inaccettabile, nella configurazione “as-built”. Le imperfezioni superficiali e i difetti variano dall’”effetto scala”, dovuto alla deposizione strato per strato, alla fusione parziale delle polveri, per citare i più comuni, e portano a una morfologia superficiale molto irregolare. Questa alta la rugosità superficiale peggiora significativamente le prestazioni delle parti prodotte con processi additivi, imponendo, di fatto, un limite sostanziale alle loro potenziali applicazioni; ad esempio, la resistenza a fatica e all’usura, la precisione dimensionale e gli aspetti estetici sono fortemente influenzati (negativamente) da questi difetti superficiali. È questo il motivo che rende necessario sviluppare post trattamenti in grado di modificare lo stato della superficie, e di renderlo idoneo alla applicazione di interesse. Tale necessità ha un impatto non trascurabile sul costo finale della manifattura additiva: secondo uno studio recentemente pubblicato su una rivista tecnica americana, i costi indotti dalla necessità di modificare le superfici ottenute possono arrivare al 40% della spesa totale e possono pertanto costituire un deterrente, alla diffusione della produzione additiva in molti settori potenzialmente interessati. Tenendo presenti queste considerazioni, è immediato comprendere l’importanza data allo sviluppo di trattamenti superficiali capaci di migliorare il comportamento superficiale e di ridurre il più possibile, il tempo e il costo del manufatto finale.

In questo contributo ci si occupa di una categoria particolare di trattamenti: i trattamenti meccanici senza asportazione di materiale. Tali trattamenti hanno il grosso pregio di non generare rifiuti inquinanti e di non richiedere l’impiego di sostanze tossiche. Tenendo presente che la loro richiesta energetica è contenuta e inferiore a molti degli atri trattamenti utilizzabili, la loro applicazione risulta attraente anche dal punto di vista della sostenibilità ambientale, requisito sempre più importante per restare competitivi.

La caratteristica dei trattamenti meccanici è quella di ottenere la modifica voluta attraverso la deformazione plastica della superficie, inducendo in questo modo una modifica della rugosità iniziale, l’incrudimento del materiale e la generazione di uno stato di sforzi residui che è di compressione in superficie. Questi tre fattori hanno un’azione sinergica nel migliorare il comportamento meccanico dei materiali. La deformazione plastica è ottenuta con un utensile che può variare a seconda del trattamento.

La rullatura, ad esempio, utilizza un rullo o una sfera, schiacciati con carico noto contro la superficie da trattare, la pallinatura prevede l’impatto di un flusso di piccole sfere con una energia adeguata, la sabbiatura impiega dinamicamente particelle dure. Esistono poi trattamenti che sfruttano altri principi fisici, come la cavitazione (cavitation peening) o gli ultrasuoni, per ottenere lo stesso effetto. E’ interessante notare che la maggior parte di questi trattamenti non è di nuova concezione, e non è stata sviluppata per la manifattura additiva. Tuttavia, la grande differenza tra lo stato delle superfici di pezzi lavorati tradizionalmente e pezzi additivi fa si che la loro messa a punto debba essere riconsiderata e riformulata considerando la natura peculiare dei pezzi di interesse.

Nei paragrafi che seguono si presenta il panorama aggiornato dell’applicazione di questi post trattamenti a pezzi ottenuti con processi additivi, evidenziando punti di forza e criticità e fornendo un quadro complessivo che può aiutare gli interessati verso la corretta scelta in funzione dell’ambito specifico.