La rugosità superficiale nella produzione

Introduzione

La rugosità superficiale è un'importante considerazione di produzione che descrive le variazioni microscopiche su una superficie. Tali imperfezioni, tipicamente misurate in micrometri (µm) o micropollici (µin), possono derivare da lavorazioni meccaniche, fusioni, produzione additiva, usura o reazioni chimiche. Variazioni minime possono avere un impatto drammatico sulle prestazioni, sull'aspetto e sulla durata di un singolo componente. Pertanto, il controllo e la misurazione della rugosità superficiale sono essenziali in una serie di settori come quello automobilistico e aerospaziale, dei dispositivi medici e dell'elettronica.

Che cos'è la rugosità superficiale?

Larugosità superficiale è una struttura superficiale a scala fine, come picchi, valli e ondulazioni. La rugosità superficiale non deve essere confusa con l'ondulazione della superficie, lo stato di irregolarità di lunghezza maggiore, o con gli errori di forma, deviazioni dalla geometria pianificata.

Le cause della rugosità superficiale sono dovute essenzialmente al processo di fabbricazione:

- Lavorazione: I microsolchi sono creati dall'uso di utensili da taglio; la rugosità dipende dall'affilatura dell'utensile e dalla velocità di avanzamento. Un Ra di 0,2 µm è raggiungibile con utensili di buona qualità in un pezzo aerospaziale in alluminio fresato a controllo numerico, ad esempio, con tagli più grossolani di oltre 1,6 µm Ra.

- Colata: La struttura della superficie è funzione della velocità di solidificazione e del materiale dello stampo; le parti in alluminio pressofuso hanno generalmente un Ra di 1-3 µm.

- Produzione additiva: Le strutture a gradini vengono create attraverso la stampa a strati; l'acciaio inossidabile con fusione laser selettiva (SLM) senza post-elaborazione è in grado di raggiungere valori di Ra fino a 10 µm.

Per misurare la rugosità superficiale sono disponibili metodi a contatto e senza contatto, con informazioni fondamentali sia per il controllo della qualità sia per la convalida delle prestazioni.

Perché la rugosità superficiale è importante?

La rugosità superficiale ha un impatto diretto su:

- Prestazioni funzionali: La superficie irregolare genera attrito e usura. Ad esempio, nelle fasce elastiche delle automobili, un valore Ra superiore a 0,8 µm può aumentare l'attrito, riducendo l'efficienza del motore fino al 2-3%. Al contrario, una buona superficie di finitura (Ra ~0,2-0,4 µm) migliora la ritenzione della lubrificazione e aumenta la durata del componente.

- Qualità estetica: I prodotti elettronici di consumo di prezzo elevato richiedono superfici finite con Ra inferiore a 0,1 µm per ottenere un aspetto liscio ed elegante.

- Resistenza: Le rugosità superficiali possono fungere da concentratori di stress e causare l'insorgere di cricche da fatica. Nelle pale delle turbine per applicazioni aerospaziali, si è riscontrato che mantenere la rugosità superficiale a Ra ≤ 0,5 µm aumenta la durata a fatica di oltre il 15% in condizioni di carico ciclico.

Metodi di misurazione della rugosità superficiale

Metodi a contatto

1. Profilometri: Uno stilo con una punta di diamante scansiona la superficie e registra le deviazioni. I profilometri molto precisi possono misurare valori di Ra a partire da 0,01 µm e sono adatti a semiconduttori di precisione e parti metalliche.

2. Misuratori tattili: I misuratori a contatto forniscono letture rapide per i test di controllo qualità di routine, ad esempio per verificare che una parte in plastica stampata soddisfi le specifiche di Ra < 1 µm.

Metodi senza contatto

1. Profilometria ottica: Utilizza l'interferometria o la microscopia confocale per misurare le superfici senza contatto, in modo ottimale per i materiali morbidi o delicati come i rivestimenti a film sottile o gli impianti medici.

2. Scansione laser: I laser rapidi eseguono la scansione topografica di grandi superfici, ottimali per i pannelli aerospaziali dove l'uniformità di Ra è importante sulle superfici curve.

Influenze sulla misura della rugosità superficiale

Una misurazione accurata dipende da diverse influenze:

- Materiale della superficie: I metalli duttili si deformano quando vengono toccati e falsano i risultati; l'alluminio, il titanio e l'acciaio inossidabile richiedono forze dello stilo diverse.

- Ambiente di misura: Variazioni di temperatura, vibrazioni e livelli di illuminazione possono alterare le letture. Nei laboratori di precisione, le misure vengono effettuate a 20 ± 1°C per escludere gli effetti dell'espansione termica.

- Calibrazione dello strumento: I profilometri e gli scanner ottici devono essere calibrati rispetto a standard di rugosità accreditati, il più delle volte per ogni sessione di misura, per garantire la ripetibilità.

Applicazioni della misura della rugosità superficiale

Per ulteriori informazioni, consultare Stanford Advanced Materials (SAM).

Domande frequenti

Qual è l'unità di misura standard per la rugosità superficiale?

Micrometri (µm) o micropollici (µin).

Perché la rugosità superficiale è fondamentale nella produzione?

Ha un impatto sulle prestazioni, sulla durata e sull'aspetto, e assicura che i componenti rispettino le specifiche di progetto e funzionali.

È possibile migliorare la rugosità superficiale dopo la produzione?

Sì, rettificando, lucidando, lappando o rivestendo a seconda delle necessità.

Qual è la differenza tra Ra e Rz?

Ra è una misura di rugosità media, mentre Rz è l'altezza media da picco a valle lungo una lunghezza di campionamento ed è un dato complementare.

Quando è necessario calibrare gli strumenti?

La calibrazione viene eseguita prima dell'uso o quando necessario, utilizzando standard di rugosità certificati per l'accuratezza.