A fém 3D nyomtatás felületi érdességét befolyásoló tényezők

A 3D nyomtatott fém alkatrészek felületi érdessége számos tényezőtől függően jelentősen változik, és általában néhány mikrométer és több tíz mikrométer közé esik. A hagyományosan megmunkált alkatrészektől eltérően, ahol a felületi minőség nagymértékben a szerszám geometriájának és a forgácsolási paramétereknek a függvénye, a fémadalékos gyártás sokkal szélesebb változók körét vezeti be - maga a nyomtatási folyamat, a nyomtatandó anyag fizikai jellemzői és az utólagos feldolgozási lépések, amelyeket azután alkalmaznak a felület végső állapotának meghatározásában. Ha megértjük, hogy ezek a tényezők hogyan járulnak hozzá, az segít megmagyarázni, hogy miért lehet két, azonos mintával nyomtatott rész jelentősen eltérő felületminőségű.

Laser Powder Bed Fusion (L-PBF). Ez az egyik legelterjedtebb 3D fémnyomtatási eljárás manapság. Úgy működik, hogy nagy-energiájú lézerrel olvasztja meg a fémport, amely rétegről rétegre épül fel a végső alkatrész formára. Ideális körülmények között a felületi érdesség ezzel az eljárással Ra 10-30 μm körüli értékre szabályozható. Például viszonylag egyszerű szerkezetű fém alkatrészek nyomtatásakor ezzel az eljárással, a paraméterek optimalizálása után viszonylag alacsony érdesség érhető el. Ennek az az oka, hogy a lézer energia meglehetősen koncentrált, ami lehetővé teszi az olvadékmedence alakjának és méretének pontos szabályozását. Ez a pontosság azt jelenti, hogy a por sűrűbben olvad össze és halmozódik fel, ahogy megszilárdul, ami bizonyos mértékig segít csökkenteni a felület érdességét. A lézersugár szorosan fókuszált jellege azt is jelenti, hogy minimalizálható a környező, meg nem olvadt por hőbevitele, csökkentve a részben szinterezett por mennyiségét, amely hajlamos a nyomtatott felület széleihez tapadni, és durvább felületet eredményez.

Elektronsugaras olvadás (EBM). Ez a folyamat elektronsugarat használ a fémpor letapogatására és olvasztására. Az ezzel az eljárással nyomtatott részek általában hasonló általános érdességi tartományba esnek, bár az eredmények az elektronsugár jellemzőitől és az alkalmazott pásztázási stratégiától függően változhatnak. Az elektronsugarak nagy energiát hordoznak, és kiváló fókuszt biztosítanak, lehetővé téve a nagy-precíziós olvasztást és alkatrészképzést. Azokban az alkalmazásokban, ahol a felületminőségi követelmények különösen szigorúak, a folyamatparaméterek finomhangolásával az érdesség Ra 10 μm közelébe vagy még ennél is alacsonyabbra csökkenthető. Érdemes megjegyezni, hogy az EBM-et jellemzően emelt-kamra-hőmérsékleten és vákuumkörülmények között hajtják végre, ami megváltoztatja a porágy viselkedését a lézeres-alapú eljárásokhoz képest - a megemelt hőmérséklet csökkenti a termikus feszültséget az építés során, de azt is okozhatja, hogy több porrészecske enyhén szintereződik az EBM körül. érdesség karakter, mint az L-PBF felületek, még akkor is, ha a névleges érdességértékek hasonlóak.

Különböző fém anyagok. Egy adott anyag olvadáspontja, viszkozitása és egyéb fizikai jellemzői közvetlenül befolyásolják a folyékonyságot és a por -szórási viselkedését a nyomtatási folyamat során, ami viszont befolyásolja a felület érdességét. Például a viszonylag alacsony olvadáspontú és jó folyóképességű alumíniumötvözetek - hajlamosak a hézagok kitöltésére és könnyebben sima felületek kialakítására a nyomtatás során, érdességük pedig általában elérheti az Ra 15–25 μm tartományt. Ezzel szemben előfordulhat, hogy egyes magasabb olvadáspontú és nagyobb viszkozitású fémek, például bizonyos magas hőmérsékletű szuperötvözetek nem terjednek és olvadnak meg ideális módon a nyomtatási folyamat során, és érdességük valamivel magasabb lehet -, jellemzően Ra 20–35 μm tartományban. Ez a különbség a gyakorlatban számít: az alkatrésztervező, aki egy alumíniumötvözet és egy nikkel alapú szuperötvözet között választ egy adott alkalmazáshoz, nem csak a mechanikai tulajdonságokat és a hőmérsékleti ellenállást mérlegeli, hanem hallgatólagosan elfogad egy eltérő alapfelületi felületet is, mielőtt bármilyen utófeldolgozást alkalmazna.

Ötvözet összetétele. A különböző elemek ötvözeten belüli aránya szintén befolyásolja a felület érdességét. Például a nagyobb arányban könnyen oxidálódó elemeket tartalmazó ötvözetek felületi minősége romolhat a nyomtatási folyamat során fellépő oxidáció miatt, ami viszont növeli az érdesség mértékét. Ez a hatás különösen fontos az olyan fém 3D nyomtatási eljárásoknál, amelyek nem teljesen inert vagy vákuum környezetben működnek, ahol az egyes rétegek olvasztási ciklusa során felhalmozódó nyomnyi oxigén felhalmozódhat a kész felületen mérhető hatásgá az építés során, amely több ezer réteget érinthet.

Hőkezelés. Megfelelő hőkezeléssel enyhíthető a belső feszültség, javítható az alkatrész kohászati ​​szerkezete, ezáltal csökkenthető a felületi érdesség. A hőkezelés után az alkatrész felülete észrevehetően egyenletesebbé válhat, az érdesség több mikrométerrel csökkenhet. Például egy nyomtatott fém alkatrész lágyítása az építés után segít finomítani a szemcseszerkezetet, egyenletesebbé téve a felület mikroszerkezetét. Az érdesség a kezelés előtti Ra 20 μm körüli értékről utána körülbelül Ra 15 μm-re csökkenthető. Míg a hőkezelést gyakran elsősorban a maradék feszültség enyhítésére és a mechanikai tulajdonságok, például a hajlékonyság javítására alkalmazzák, a felületi érdességre gyakorolt ​​hatása hasznos másodlagos előny, - amelyet a tervezők néha figyelmen kívül hagynak az alkatrész teljes utófeldolgozási folyamatának{8}}tervezése során, jóllehet ez jelentősen csökkentheti a későbbiekben szükséges mechanikai kikészítés mennyiségét.

Mechanikai feldolgozás. Az érdesség jelentős csökkentése mechanikai feldolgozási módszerekkel, például csiszolással és polírozással érhető el. A csiszolás eltávolítja a felületi kiemelkedéseket és tökéletlenségeket, javítva a felület általános síkságát. A polírozás ezután tovább finomítja a felületet, így az érdesség néhány mikrométerre vagy még alacsonyabbra csökken. Például finom polírozás után egy fém 3D nyomtatott alkatrész érdessége Ra 5 μm alá is elérheti, ami megfelel a rendkívül magas felületminőségi követelményeket támasztó alkalmazások, például az optikai műszerelemek követelményeinek. Ez a fajta befejező folyamat - hőkezelés az anyag stabilizálására, majd a csiszolás a durva felületi jellemzők eltávolítására, majd a polírozás a végső felületminőség elérése érdekében - azt tükrözi, hogy a fémadalékok gyártása során az érdesség csökkentése ritkán érhető el egyetlen lépésben. Ehelyett jellemzően hő- és mechanikai kezelések többrétegű kombinációját foglalja magában, amelyek mindegyike a felületi egyenetlenségek eltérő skáláját kezeli, a tömeges feszültségcsökkentéstől a mikron{10}}szintű simaságig.

Összességében véve a tényezők e három kategóriája - a folyamat típusa, az anyag tulajdonságai és az utólagos-feldolgozási módszer - inkább kölcsönhatásban van, mintsem függetlenül. Egy alacsony-viszkozitású alumíniumötvözetből, jól-optimalizált paraméterekkel L-PBF-el nyomtatott alkatrész már viszonylag kedvező beépítési érdességet érhet el, míg a nagy-viszkozitású szuperötvözetből EBM-en keresztül nyomtatott ugyanazt a mintát még az utólagos utólagos feldolgozási alapvonalról is el lehet kezdeni. Ez azt jelenti, hogy egy adott alkalmazás célfelületi minőségének elérése nem csupán egy utófeldolgozási lépés megadása a munkafolyamat végén -, hanem a folyamat és az anyagválasztás kezdettől fogva figyelembe kell vennie, mivel ezek az upstream döntések határozzák meg a gyakorlati padlót és plafont annak, amit az utófeldolgozás reálisan elérhet. Szigorú felületkezelési követelményekkel járó alkalmazásoknál a változók egymásra hatásának megértése lehetővé teszi a mérnökök számára, hogy a kezdetektől fogva kiválaszthassák a folyamat, az anyag és a befejezési módszer megfelelő kombinációját, ahelyett, hogy kiterjedt és költséges feldolgozással próbálnák kompenzálni a rossz kezdeti felületi állapotot.