Do jakiego poziomu polerowanie może podnieść powierzchnię metalowego druku 3D?

1. Chropowatość powierzchni: skok od mikrometrów do nanometrów
Chropowatość powierzchni jest kluczową miarą jakości powierzchni części. Ma to bezpośredni wpływ na to, jak dobrze jest odporny na korozję, jak dobrze radzi sobie z tarciem i jak dobrze radzi sobie ze światłem. Ustawienia procesu, rodzaj materiału i kierunek drukowania mają duży wpływ na to, jak szorstkie są początkowo metalowe części drukowane 3D. Na przykład chropowatość powierzchni części ze stopu tytanu wykonanych metodą topienia laserowego łoża proszkowego (LPBF) może sięgać nawet Ra15–20 μm, mierzona w kierunku drukowania. Jednak chropowatość mierzona wzdłuż kierunku drukowania może wynosić zaledwie Ra8–12 μm, ponieważ warstwy ściślej zachodzą na siebie. Polerowanie może sprawić, że powierzchnia będzie znacznie gładsza:
Polerowanie mechaniczne: Stosując automatyczne maszyny polerskie i diamentowe materiały ścierne, chropowatość powierzchni części ze stopu aluminium wykonanych metodą BJ (natryskiwanie kleju) można obniżyć z Ra2,4 μm do Ra0,8 μm lub mniej, co jest wystarczające do większości prac związanych z montażem mechanicznym. W przypadku zastosowań wymagających-wysokiej precyzji, takich jak podpory zwierciadeł optycznych, wieloetapowe- polerowanie (polerowanie zgrubne → polerowanie dokładne → polerowanie ultradokładne) może obniżyć chropowatość powierzchni do Ra0,05 μm, czyli blisko poziomu typowego szlifowania luster.
Polerowanie chemiczne: W tej metodzie wykorzystuje się roztwory kwasowe lub zasadowe do selektywnego rozpuszczania nierówności powierzchni. Działa dobrze na skomplikowanych strukturach wewnętrznych wnęk. Na przykład chropowatość powierzchni stentów sercowo-naczyniowych ze stali nierdzewnej 316L po polerowaniu chemicznym wzrosła z Ra6 μm ​​do Ra0,2 μm. Dzięki temu pozbyliśmy się-mikrosferycznych elementów, które utworzyły się podczas drukowania, co zmniejszyło ryzyko zakrzepicy.
Polerowanie laserowe: użycie silnych wiązek lasera do stopienia materiałów powierzchniowych na małym obszarze, a następnie pozostawienie napięcia powierzchniowego ciekłego metalu w celu jego wygładzenia. Badania wskazują, że po pięciu skanach laserowych elementów ze stali nierdzewnej 316L wyprodukowanych metodą SLM, chropowatość powierzchni zmniejszyła się z Sa21 μm do Sa1 μm, osiągając stopień redukcji na poziomie 96%, bez tworzenia się podpowierzchniowej warstwy uszkodzonej, którą można przypisać polerowaniu mechanicznemu.
2. Mikrostruktura: poprawa od wad do zagęszczenia
Polerowanie nie tylko poprawia wygląd powierzchni, ale także wzmacnia materiał, eliminując drobne wady:
Zamknięcie pęknięć: Mikropęknięcia powstające podczas zbyt szybkiego stygnięcia druku 3D z metalu można częściowo zamknąć za pomocą mechanicznego polerowania. Na przykład po polerowaniu wibracyjnym gęstość pęknięć powierzchniowych łopatek turbiny niektórych silników lotniczych spadła o 40%, a trwałość zmęczeniowa w trybie wysokocyklowym wzrosła o 25%.
Uwolnienie naprężeń szczątkowych: Polerowanie chemiczne łagodzi szczątkowe naprężenia rozciągające poprzez rozbicie warstwy powierzchniowej, co zapobiega pękaniu korozyjnemu naprężeniowemu. Trawienie części ze stopu tytanu TC4 wykazało, że napięcie szczątkowe na powierzchni spadło z -150 MPa do -50 MPa, a szybkość korozji spowodowanej mgłą solną spadła o 60%.
Polerowanie laserowe może powodować przetapianie powierzchni, co może sprawić, że wielkość ziaren będzie bardziej jednolita. Badania-stopu wysokotemperaturowego Inconel 718 wskazują, że polerowanie laserowe poprawia wielkość ziaren powierzchni z 50 μm do 10 μm, zwiększa twardość o 15% i zmniejsza stopień przyrostu masy w wyniku utleniania przy 650 stopniach o 30%.
3. Wydajność funkcjonalna: przejście od poziomu podstawowego do-high-endu
Poprawa jakości powierzchni po-polerowaniu bezpośrednio koreluje z optymalizacją wydajności funkcjonalnej:
Zwiększona odporność na zużycie: Gładsze powierzchnie mogą zmniejszyć prawdopodobieństwo stykania się małych wypukłych elementów na powierzchni styku. Badanie tarcia elementów ze stali łożyskowej GCr15 wykazało, że polerowanie powierzchni od Ra1,6 μm do Ra0,2 μm powoduje spadek współczynnika tarcia z 0,15 do 0,08 i stopień zużycia o 70%.
Większa odporność na korozję: Gładka powierzchnia utrudnia przywieranie substancji żrących, a warstwa pasywacyjna powstająca podczas polerowania chemicznego zapewnia jeszcze większą ochronę. Po polerowaniu elektrochemicznym gęstość prądu korozyjnego części ze stali nierdzewnej 304 w 3,5% roztworze NaCl spadła z 1,2 × 10 ⁻⁵ A/cm ² do 2,5 × 10 ⁻⁶ A/cm ², a odporność na korozję wżerową wzrosła 5-krotnie.
Lepsze parametry optyczne: Badania nad polerowaniem lusterek ze stopu aluminium AlSi10Mg wykazały, że gdy chropowatość powierzchni zostanie obniżona z Ra3,2 μm do Ra0,05 μm, współczynnik odbicia światła widzialnego wzrasta z 85% do 92%, czego właśnie potrzebują systemy komunikacji laserowej.
4. Zastosowanie w przemyśle: Przeprowadzka z laboratorium do fabryki
Technika polerowania jest szeroko stosowana w dziedzinach wymagających rygorystycznych standardów jakości powierzchni:
Przemysł lotniczy: Polerowanie laserowe stosuje się w przypadku pewnego rodzaju dyszy silnika rakietowego, aby powierzchnia była mniej szorstka, od Ra12 μm do Ra0,8 μm. Żywotność cyklu termicznego w symulowanym środowisku kosmicznym (zakres temperatur: -180 stopni do 300 stopni) została zwiększona z 50 do 200 razy.
Implanty medyczne: Po polerowaniu chemicznym chropowatość powierzchni protezy stawu biodrowego ze stopu tytanu wzrosła z Ra8 μm do Ra0,5 μm. Dzięki temu komórki przylegały do ​​implantów o 40% lepiej, a kości integrowały się z nimi o 30% szybciej.
Precyzyjna forma: Po polerowaniu za pomocą szlifowania adaptacyjnego kształtu (SAG) chropowatość powierzchni rdzenia formy wtryskowej do samochodów spada do Ra0,02 μm, żywotność formy wzrasta ze 100 000 do 500 000 razy, a połysk powierzchni produktu wzrasta o 2 poziomy.