Factori care afectează rugozitatea suprafeței în imprimarea 3D din metal

Rugozitatea suprafeței pieselor metalice imprimate 3D variază considerabil în funcție de o serie de factori și, în general, se situează undeva între câțiva micrometri și câteva zeci de micrometri. Spre deosebire de piesele prelucrate în mod tradițional, în care finisarea suprafeței este în mare parte o funcție a geometriei sculei și a parametrilor de tăiere, fabricarea aditivă a metalelor introduce un set mult mai larg de variabile - procesul de imprimare în sine, caracteristicile fizice ale materialului imprimat și etapele de post-procesare aplicate ulterior, toate interacționează pentru a determina starea finală a suprafeței. Înțelegerea modului în care contribuie fiecare dintre acești factori ajută la explicarea de ce două părți imprimate din același design pot avea o calitate semnificativ diferită a suprafeței.

Laser Powder Bed Fusion (L-PBF). Acesta este unul dintre cele mai comune procese de imprimare 3D din metal utilizate astăzi. Funcționează folosind un laser cu energie înaltă-pentru a topi pulberea de metal, care este apoi construită strat cu strat în forma finală a piesei. În condiții ideale, rugozitatea suprafeței cu acest proces poate fi controlată la aproximativ Ra 10–30μm. De exemplu, la imprimarea pieselor metalice cu structuri relativ simple folosind acest proces, pot fi atinse niveluri de rugozitate relativ scăzute odată ce parametrii au fost optimizați. Acest lucru se datorează faptului că energia laserului este destul de concentrată, permițând un control precis asupra formei și dimensiunii bazinului de topire. Această precizie înseamnă că pulberea se topește și se stivuește mai dens pe măsură ce se solidifică, ceea ce ajută la reducerea rugozității suprafeței într-o anumită măsură. Natura strâns focalizată a fasciculului laser înseamnă, de asemenea, că aportul termic în pulberea din jur, netopită poate fi minimizată, reducând cantitatea de pulbere parțial sinterizată care tinde să se agațe de marginile unei caracteristici imprimate și să contribuie la un finisaj mai dur.

Topirea cu fascicul de electroni (EBM). Acest proces folosește un fascicul de electroni pentru a scana și a topi pulberea de metal. Piesele imprimate folosind acest proces se încadrează de obicei într-un interval general similar de rugozitate, deși rezultatele pot varia în funcție de caracteristicile fasciculului de electroni și de strategia de scanare utilizată. Fasciculele de electroni transportă energie mare și oferă o focalizare excelentă, permițând topirea de înaltă{3}}precizie și formarea pieselor. În aplicațiile în care cerințele de calitate a suprafeței sunt deosebit de exigente, reglarea-fină a parametrilor procesului poate reduce rugozitatea până la Ra 10μm sau chiar mai mică. Este de remarcat faptul că EBM se efectuează de obicei la temperaturi ridicate-camerului de construcție și în condiții de vid, ceea ce schimbă modul în care se comportă patul de pulbere în comparație cu procesele bazate pe laser-- temperatura ridicată reduce stresul termic în timpul construcției, dar poate provoca, de asemenea, mai multe particule de pulbere să se contureze ușor în jurul suprafețelor, ceea ce este un motiv pentru care EBM se conturează. prezintă un caracter de rugozitate ușor diferit față de suprafețele L-PBF chiar și atunci când valorile rugozității nominale sunt similare.

Materiale metalice diferite. Punctul de topire, vâscozitatea și alte caracteristici fizice ale unui anumit material afectează în mod direct fluiditatea și comportamentul-de împrăștiere a pulberii în timpul procesului de imprimare, care la rândul său influențează rugozitatea suprafeței. De exemplu, aliajele de aluminiu - care au un punct de topire relativ scăzut și o fluiditate bună - tind să umple golurile și să formeze suprafețe netede mai ușor în timpul imprimării, iar rugozitatea lor poate ajunge în general în intervalul Ra 15–25μm. În schimb, unele metale cu puncte de topire mai mari și vâscozitate mai mare, cum ar fi anumite superaliaje la temperatură înaltă-, s-ar putea să nu se răspândească și să nu fuzioneze în mod ideal în timpul procesului de imprimare, iar rugozitatea lor poate fi ceva mai mare - de obicei în intervalul Ra 20-35μm. Această diferență contează în practică: un proiectant de piese care alege între un aliaj de aluminiu și un superaliaj pe bază de-nichel pentru o anumită aplicație nu doar cântărește proprietățile mecanice și rezistența la temperatură, ci și implicit acceptă un finisaj diferit al suprafeței de bază înainte de aplicarea oricărei post{14}}procesare.

Compoziția aliajului. Proporția diferitelor elemente dintr-un aliaj afectează, de asemenea, rugozitatea suprafeței. De exemplu, aliajele care conțin o proporție mai mare de elemente ușor de oxidat pot suferi o degradare a calității suprafeței din cauza oxidării care are loc în timpul procesului de imprimare, care la rândul său crește rugozitatea. Acest efect este deosebit de relevant pentru procesele de imprimare 3D din metal care nu funcționează într-un mediu complet inert sau în vid, în care expunerea la oxigen în urma ciclului de topire al fiecărui strat se poate acumula într-un efect măsurabil asupra suprafeței finite pe parcursul unei construcții care poate implica mii de straturi individuale.

Tratament termic. Tratamentul termic adecvat poate reduce stresul intern și poate îmbunătăți structura metalurgică a unei piese, reducând astfel rugozitatea suprafeței. După tratamentul termic, suprafața unei piese poate deveni vizibil mai uniformă, cu rugozitatea redusă cu câțiva micrometri. De exemplu, recoacerea unei piese metalice imprimate după construcție ajută la rafinarea structurii granulației, făcând microstructura suprafeței mai uniformă. Rugozitatea poate fi redusă de la aproximativ Ra 20μm înainte de tratament la aproximativ Ra 15μm după. În timp ce tratamentul termic este adesea aplicat în primul rând pentru a ameliora stresul rezidual și pentru a îmbunătăți proprietățile mecanice, cum ar fi ductilitatea, efectul său asupra rugozității suprafeței este un beneficiu secundar util - unul pe care proiectanții îl ignoră uneori atunci când planifică întreaga secvență de post-procesare a unei piese, chiar dacă poate reduce semnificativ cantitatea de finisare mecanică necesară în aval.

Prelucrare mecanică. Reducerea semnificativă a rugozității poate fi obținută prin metode de prelucrare mecanică, cum ar fi șlefuirea și lustruirea. Șlefuirea îndepărtează proeminențele și imperfecțiunile suprafeței, îmbunătățind planeitatea generală a suprafeței. Lustruirea rafinează apoi și mai mult suprafața, reducând rugozitatea la doar câțiva micrometri sau chiar mai mică. De exemplu, după lustruirea fină, rugozitatea unei piese metalice imprimate 3D poate ajunge sub Ra 5μm, îndeplinind cerințele aplicațiilor cu cerințe extrem de ridicate de finisare a suprafeței, cum ar fi componentele instrumentelor optice. Acest tip de secvență de finisare - tratament termic pentru stabilizarea materialului, urmat de șlefuire pentru a elimina caracteristicile brute ale suprafeței, urmat de lustruire pentru a obține calitatea finală a suprafeței - reflectă modul în care reducerea rugozității în fabricarea aditivilor metalici este rareori realizată printr-un singur pas. În schimb, implică în mod obișnuit o combinație stratificată de tratamente termice și mecanice, fiecare abordând o scară diferită de neregularitate a suprafeței, de la reducerea tensiunilor în vrac până la netezime la nivel de microni-.

Luate în ansamblu, aceste trei categorii de factori - tipul procesului, proprietățile materialului și metoda de post-procesare - interacționează mai degrabă decât să acționeze independent. O piesă imprimată prin L-PBF dintr-un aliaj de aluminiu cu-vâscozitate scăzută, cu parametri bine-optimizați, poate obține deja o rugozitate relativ favorabilă-construită, în timp ce același design imprimat dintr-un superaliaj cu{-vâscozitate ridicată prin EBM poate începe de la o linie de bază mai brută{{9} chiar înainte ca orice procesare post-procesare să fie aplicată. Aceasta înseamnă că obținerea unui finisaj de suprafață țintă pentru o anumită aplicație nu este doar o chestiune de specificare a unui pas de post-procesare la sfârșitul fluxului de lucru -, ci necesită luarea în considerare a procesului și a alegerii materialului de la început, deoarece aceste decizii din amonte stabilesc limitele practice și plafonul pentru ceea ce poate realiza în mod realist post-procesare. Pentru aplicațiile cu cerințe stricte de finisare a suprafeței, înțelegerea modului în care aceste variabile interacționează le permite inginerilor să selecteze combinația potrivită de proces, material și metoda de finisare de la început, mai degrabă decât să încerce să compenseze o stare inițială proastă a suprafeței printr-o procesare extinsă și costisitoare în aval.