Czynniki wpływające na chropowatość powierzchni w druku 3D z metalu

Chropowatość powierzchni metalowych części drukowanych w 3D różni się znacznie w zależności od szeregu czynników i zazwyczaj mieści się w przedziale od kilku mikrometrów do kilkudziesięciu mikrometrów. W przeciwieństwie do części obrabianych tradycyjnie, gdzie wykończenie powierzchni w dużej mierze zależy od geometrii narzędzia i parametrów skrawania, produkcja przyrostowa metali wprowadza znacznie szerszy zestaw zmiennych - sam proces drukowania, właściwości fizyczne drukowanego materiału i-etapy obróbki końcowej stosowane później, a wszystko to wpływa na ostateczny stan powierzchni. Zrozumienie wpływu każdego z tych czynników pomaga wyjaśnić, dlaczego dwie części wydrukowane z tego samego projektu mogą mieć znacząco różną jakość powierzchni.

Laserowa fuzja łoża proszkowego (L-PBF). Jest to jeden z bardziej powszechnych obecnie procesów drukowania 3D w metalu. Polega ona na wykorzystaniu-lasera o wysokiej energii do topienia proszku metalicznego, który następnie jest nakładany warstwa po warstwie, tworząc ostateczny kształt części. W idealnych warunkach chropowatość powierzchni w tym procesie można kontrolować do około Ra 10–30 μm. Na przykład podczas drukowania części metalowych o stosunkowo prostych strukturach przy użyciu tego procesu, po optymalizacji parametrów można osiągnąć stosunkowo niski poziom chropowatości. Dzieje się tak dlatego, że energia lasera jest dość skoncentrowana, co pozwala na precyzyjną kontrolę nad kształtem i rozmiarem jeziorka. Ta precyzja oznacza, że ​​proszek łączy się i układa w stosy z większą gęstością w miarę krzepnięcia, co pomaga w pewnym stopniu zmniejszyć chropowatość powierzchni. Ściśle skupiony charakter wiązki laserowej oznacza również, że można zminimalizować dopływ ciepła do otaczającego, niestopionego proszku, zmniejszając ilość częściowo spiekanego proszku, który ma tendencję do przylegania do krawędzi drukowanego elementu i przyczynia się do bardziej szorstkiego wykończenia.

Topienie wiązką elektronów (EBM). W procesie tym wykorzystuje się wiązkę elektronów do skanowania i topienia proszku metalicznego. Części wydrukowane przy użyciu tego procesu zazwyczaj mają podobny ogólny zakres chropowatości, chociaż wyniki mogą się różnić w zależności od charakterystyki wiązki elektronów i zastosowanej strategii skanowania. Wiązki elektronów przenoszą wysoką energię i zapewniają doskonałe skupienie, umożliwiając-precyzyjne topienie i formowanie części. W zastosowaniach, w których wymagania dotyczące jakości powierzchni są szczególnie wysokie, precyzyjne-dostrojenie parametrów procesu może obniżyć chropowatość do wartości bliskiej Ra 10 μm lub nawet niższej. Warto zauważyć, że EBM zazwyczaj przeprowadza się w podwyższonej-komorze konstrukcyjnej i w warunkach próżni, co zmienia zachowanie złoża proszku w porównaniu z procesami laserowymi- - podwyższona temperatura zmniejsza naprężenia termiczne podczas kompilacji, ale może również powodować lekkie spiekanie się większej liczby cząstek proszku wokół konturów części, co jest jednym z powodów, dla których powierzchnie EBM czasami wykazują nieco inny charakter chropowatości niż powierzchnie L-PBF, nawet gdy nominalne wartości chropowatości są podobne.

Różne materiały metalowe. Temperatura topnienia, lepkość i inne właściwości fizyczne danego materiału bezpośrednio wpływają na płynność i zachowanie-rozsypywania się proszku podczas procesu drukowania, co z kolei wpływa na chropowatość powierzchni. Na przykład stopy aluminium -, które mają stosunkowo niską temperaturę topnienia i dobrą płynność - mają tendencję do łatwiejszego wypełniania szczelin i tworzenia gładkich powierzchni podczas drukowania, a ich chropowatość może zazwyczaj sięgać zakresu Ra 15–25 μm. Z drugiej strony niektóre metale o wyższych temperaturach topnienia i większej lepkości, takie jak niektóre-nadstopy wysokotemperaturowe, mogą nie rozprzestrzeniać się i stapiać tak idealnie podczas procesu drukowania, a ich chropowatość może być nieco wyższa -, zazwyczaj w zakresie Ra 20–35 μm. Ta różnica ma znaczenie w praktyce: projektant części wybierający pomiędzy stopem aluminium a nadstopem-na bazie niklu do danego zastosowania nie tylko rozważa właściwości mechaniczne i odporność na temperaturę, ale także pośrednio akceptuje inne wyjściowe wykończenie powierzchni przed zastosowaniem jakiejkolwiek{14}}obróbki końcowej.

Skład stopu. Proporcje różnych pierwiastków w stopie wpływają również na chropowatość powierzchni. Na przykład stopy zawierające większą ilość pierwiastków łatwo utlenionych mogą ulegać pogorszeniu jakości powierzchni w wyniku utleniania zachodzącego podczas procesu drukowania, co z kolei zwiększa chropowatość. Efekt ten jest szczególnie istotny w przypadku procesów drukowania 3D z metalu, które nie działają w środowisku całkowicie obojętnym lub próżniowym, gdzie śladowe narażenie na tlen podczas cyklu topienia każdej warstwy może kumulować się, dając mierzalny efekt na wykończonej powierzchni w trakcie kompilacji, która może obejmować tysiące pojedynczych warstw.

Obróbka cieplna. Odpowiednia obróbka cieplna może złagodzić naprężenia wewnętrzne i poprawić strukturę metalurgiczną części, zmniejszając w ten sposób chropowatość powierzchni. Po obróbce cieplnej powierzchnia części może stać się zauważalnie bardziej równa, a chropowatość zmniejszona o kilka mikrometrów. Na przykład wyżarzanie drukowanej części metalowej po jej nałożeniu pomaga udoskonalić strukturę ziaren, czyniąc mikrostrukturę powierzchni bardziej jednolitą. Chropowatość można zmniejszyć z około 20 μm Ra przed obróbką do około 15 μm później. Chociaż obróbkę cieplną często stosuje się przede wszystkim w celu zmniejszenia naprężeń szczątkowych i poprawy właściwości mechanicznych, takich jak ciągliwość, jej wpływ na chropowatość powierzchni jest użyteczną korzyścią dodatkową, - którą projektanci czasami przeoczają podczas planowania pełnej sekwencji-obróbki końcowej części, mimo że może ona znacząco zmniejszyć ilość mechanicznego wykańczania potrzebnego na dalszym etapie.

Obróbka mechaniczna. Znaczące zmniejszenie chropowatości można osiągnąć poprzez mechaniczne metody obróbki, takie jak szlifowanie i polerowanie. Szlifowanie usuwa wypukłości i niedoskonałości powierzchni, poprawiając ogólną płaskość powierzchni. Następnie polerowanie jeszcze bardziej uszlachetnia powierzchnię, zmniejszając chropowatość do zaledwie kilku mikrometrów lub nawet mniej. Na przykład po dokładnym polerowaniu chropowatość metalowej części wydrukowanej w 3D może sięgać poniżej Ra 5 μm, co spełnia wymagania zastosowań o wyjątkowo wysokich wymaganiach dotyczących wykończenia powierzchni, takich jak elementy instrumentów optycznych. Ten rodzaj sekwencji wykańczającej - obróbka cieplna w celu ustabilizowania materiału, po której następuje szlifowanie w celu usunięcia grubszych cech powierzchni, a następnie polerowanie w celu uzyskania końcowej jakości powierzchni - odzwierciedla to, że zmniejszenie chropowatości w procesie wytwarzania dodatków do metali rzadko udaje się osiągnąć w jednym etapie. Zamiast tego zazwyczaj obejmuje warstwową kombinację obróbki termicznej i mechanicznej, z których każda dotyczy innej skali nieregularności powierzchni, od odprężania naprężeń masowych po gładkość na poziomie mikronów.

Podsumowując, te trzy kategorie czynników - typ procesu, właściwości materiału i-metoda przetwarzania końcowego - oddziałują na siebie, a nie działają niezależnie. Część wydrukowana za pomocą L-PBF ze stopu aluminium o niskiej-lepkości i dobrze-dobrze zoptymalizowanych parametrach może już osiągnąć stosunkowo korzystną-chropowatość konstrukcyjną, podczas gdy ten sam projekt wydrukowany z nadstopu o wysokiej-lepkości za pomocą EBM może rozpocząć się od bardziej szorstkiej linii bazowej nawet przed zastosowaniem jakiejkolwiek-procesu końcowego. Oznacza to, że osiągnięcie docelowego wykończenia powierzchni dla danego zastosowania nie polega po prostu na określeniu-etapu obróbki końcowej na końcu przepływu pracy, - wymaga to rozważenia od samego początku procesu i wyboru materiału, ponieważ te wstępne decyzje wyznaczają praktyczne podstawy i pułap tego, co-obróbka końcowa może realistycznie osiągnąć. W przypadku zastosowań o surowych wymaganiach dotyczących wykończenia powierzchni zrozumienie interakcji tych zmiennych pozwala inżynierom na wybranie właściwej kombinacji procesu, materiału i metody wykończenia od samego początku, zamiast próbować kompensować zły początkowy stan powierzchni poprzez szeroko zakrojoną i kosztowną obróbkę końcową.