La deformazione termica: la principale sfida per la precisione nella stampa 3D
Nel processo di stampa 3D, la deformazione termica è una delle principali cause delle deviazioni dimensionali e delle distorsioni di forma dei componenti. Che si tratti del ritiro termico nel processo FDM, del ritiro di polimerizzazione nel processo SLA o dell’accumulo di tensioni termiche nella stampa metallica SLM, gli effetti termici incidono profondamente sulla precisione finale del pezzo. Comprendere il meccanismo della deformazione termica è il primo passo per progettare componenti stampati in 3D ad alta precisione. Nel processo FDM, dopo l’estrusione del materiale fuso, il rapido raffreddamento genera tensioni termiche interne. Quando tali tensioni superano il limite di snervamento del materiale, si verificano deformazioni da imbarcamento. Nel processo di fotopolimerizzazione SLA, la resina subisce un ritiro di volume durante l’indurimento, e le tensioni di contrazione possono causare fessurazioni o deformazioni del pezzo mentre aderisce alla piattaforma di costruzione. Nella stampa 3D metallica, i gradienti termici generati da fusione e solidificazione rapide sono i più intensi; le tensioni residue possono provocare un imbarcamento severo del componente o persino il distacco dalla piastra di base.
I principi ingegneristici della progettazione delle strutture di dissipazione del calore
Considerare attivamente il percorso di dissipazione del calore nella fase di progettazione del pezzo è un mezzo efficace per ridurre il rischio di deformazione termica. Una progettazione ragionevole delle strutture di dissipazione del calore dovrebbe seguire i seguenti principi: innanzitutto, evitare l’accumulo locale di massa, poiché una distribuzione uniforme della massa favorisce una dissipazione del calore omogenea; in secondo luogo, aggiungere fori di raffreddamento o alette dissipative nelle zone a sezione spessa per accelerare la dispersione del calore; terzo, utilizzare nervature di dissipazione per aumentare l’area di scambio termico senza incrementare in modo significativo il peso del pezzo. Per i componenti stampati in 3D in metallo, la progettazione delle strutture di dissipazione del calore è particolarmente importante. Nei processi di fusione selettiva a letto di polvere mediante laser, le zone che non dissipano adeguatamente il calore subiscono un numero maggiore di cicli termici, con conseguenti cambiamenti microstrutturali più marcati e accumulo di tensioni residue. Progettando canali di dissipazione nelle aree non critiche del pezzo, è possibile guidare il calore lontano dalle zone ad alta temperatura in modo più rapido.
Progettazione delle strutture per il rilascio delle tensioni termiche
L’idea centrale delle strutture di rilascio delle tensioni termiche è introdurre nel pezzo punti deboli controllati, in modo che le tensioni termiche si scarichino preferenzialmente in tali aree anziché causare deformazioni globali. Le strutture di rilascio delle tensioni più comuni includono scanalature di scarico, bracci di collegamento flessibili, strutture ondulate e progettazione con pre-deformazione. Le scanalature di scarico sono la soluzione più semplice ed efficace. Progettando sottili scanalature nelle aree in cui si prevede un’elevata concentrazione di tensioni, si fornisce spazio al ritiro del materiale. I bracci di collegamento flessibili, invece, sfruttano la capacità di deformazione elastica del materiale: mantenendo la funzione di connessione, consentono un certo grado di spostamento relativo e quindi il rilascio delle tensioni termiche.
L’influenza della direzione di stampa sulla deformazione termica e la sua ottimizzazione
La direzione di stampa non influisce soltanto sulla qualità superficiale del pezzo e sulla necessità di supporti, ma determina anche direttamente il modo in cui si manifesta la deformazione termica. Nel processo FDM, il tasso di ritiro lungo l’asse Z è in genere superiore a quello sugli assi X/Y, perché la resistenza tra gli strati è inferiore a quella all’interno dello strato. Pertanto, le dimensioni critiche dovrebbero essere disposte, per quanto possibile, nel piano X/Y. Nella stampa metallica, la direzione di stampa determina il flusso termico: il calore si trasmette principalmente attraverso la parte già stampata verso la piastra di base, per cui la parte inferiore del pezzo è soggetta a cicli termici più intensi. Le strategie di ottimizzazione della direzione di stampa includono il posizionamento delle superfici funzionali critiche lungo l’asse Z per ottenere una migliore qualità superficiale e l’evitare che strutture a sbalzo producano ulteriori deformazioni sotto l’azione delle tensioni termiche.
Metodi di progettazione per la compensazione della deformazione termica
La compensazione della deformazione termica è una strategia di progettazione attiva che consiste nell’introdurre in anticipo nel modello CAD una deviazione opposta alla direzione prevista della deformazione, in modo che il pezzo, una volta stampato e deformato termicamente, raggiunga esattamente le dimensioni di progetto. Questo metodo è ampiamente utilizzato nella stampa 3D metallica e richiede in genere una simulazione di processo per determinare l’entità della compensazione. Le fasi di implementazione della compensazione della deformazione termica comprendono: innanzitutto, eseguire una simulazione del processo di stampa per prevedere entità e direzione della deformazione; quindi, in base ai risultati della simulazione, applicare nel modello CAD una scalatura inversa o uno spostamento della forma nelle aree corrispondenti; infine, verificare l’efficacia della compensazione con una stampa di prova e regolare iterativamente i parametri. Per i componenti prodotti in serie, la creazione di un database di parametri di compensazione può aumentare significativamente il tasso di successo al primo tentativo delle produzioni successive.
L’influenza della scelta dei materiali sulle prestazioni termiche
Le differenze nelle proprietà termofisiche dei vari materiali sono significative e influenzano direttamente il grado di deformazione termica. La temperatura di transizione vetrosa, il coefficiente di dilatazione termica, la conducibilità termica e il comportamento di cristallizzazione del materiale sono tutti fattori importanti da considerare nella progettazione. Ad esempio, l’ABS ha un coefficiente di dilatazione termica superiore rispetto al PLA, quindi nella stampa FDM è più incline a deformarsi per effetto del calore. I materiali semicristallini subiscono un ritiro di cristallizzazione durante il raffreddamento, con tassi di ritiro che possono raggiungere il 3-5%, molto superiori a quelli dei materiali amorfi. Nella scelta del materiale, occorre considerare in modo integrato il range di temperatura di esercizio del pezzo, la stabilità dimensionale richiesta e le esigenze di post-trattamento. Per componenti con elevati requisiti di precisione, è preferibile scegliere materiali con basso ritiro e alta stabilità dimensionale, oppure eliminare parte delle tensioni residue mediante trattamento di ricottura.
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