Faktori koji utiču na hrapavost površine u metalnom 3D štampanju

Hrapavost površine metalnih 3D štampanih delova značajno varira u zavisnosti od niza faktora i generalno se kreće između nekoliko mikrometara i nekoliko desetina mikrometara. Za razliku od tradicionalno obrađenih dijelova, gdje je završna obrada u velikoj mjeri funkcija geometrije alata i parametara rezanja, proizvodnja metalnih aditiva uvodi mnogo širi skup varijabli - sam proces štampanja, fizičke karakteristike materijala koji se štampa i naknadni-koraci obrade koji se primjenjuju nakon toga, međusobno djeluju kako bi se odredilo konačno stanje površine. Razumijevanje kako svaki od ovih faktora doprinosi objašnjava zašto dva dijela odštampana istim dizajnom mogu završiti sa značajno različitim kvalitetom površine.

Laser Powder Bed Fusion (L-PBF). Ovo je jedan od najčešćih procesa metalne 3D štampe koji se danas koristi. Djeluje korištenjem lasera visoke{4}}e energije za topljenje metalnog praha, koji se zatim sloj po sloj gradi u konačni oblik. U idealnim uslovima, hrapavost površine ovim procesom može se kontrolisati na oko Ra 10–30 μm. Na primjer, kada se ovim procesom štampaju metalni dijelovi s relativno jednostavnim strukturama, relativno niski nivoi hrapavosti mogu se postići kada se parametri optimiziraju. To je zato što je laserska energija prilično koncentrirana, što omogućava preciznu kontrolu nad oblikom i veličinom bazena taline. Ova preciznost znači da se prah stapa i slaže gušće kako se stvrdne, što pomaže u smanjenju hrapavosti površine do određenog stepena. Čvrsto fokusirana priroda laserskog snopa također znači da se toplinski unos u okolni, neotopljeni prah može svesti na minimum, smanjujući količinu djelomično sinterovanog praha koji teži da se zalijepi za rubove odštampanog elementa i doprinosi grubljim završnim obradama.

Topljenje elektronskih zraka (EBM). Ovaj proces koristi snop elektrona za skeniranje i topljenje metalnog praha. Dijelovi štampani ovim postupkom obično spadaju u sličan opći raspon hrapavosti, iako rezultati mogu varirati ovisno o karakteristikama snopa elektrona i korištenoj strategiji skeniranja. Elektronski snopovi nose veliku energiju i nude odličan fokus, omogućavajući visoko{3}}precizno topljenje i formiranje dijelova. U aplikacijama gdje su zahtjevi za kvalitetom površine posebno zahtjevni, fino-podešavanje parametara procesa može smanjiti hrapavost na blizu Ra 10μm ili čak niže. Vrijedi napomenuti da se EBM obično izvodi na povišenim temperaturama{8}}komora za građenje i pod vakuumskim uvjetima, što mijenja način na koji se sloj praha ponaša u poređenju sa procesima zasnovanim na laseru-- povišena temperatura smanjuje termički stres tokom izrade, ali također može uzrokovati više čestica praha da se oko jednog dijela površine lagano napreže oko jedne površine. imaju nešto drugačiji karakter hrapavosti od L-PBF površina čak i kada su nominalne vrijednosti hrapavosti slične.

Različiti metalni materijali. Tačka topljenja, viskozitet i druge fizičke karakteristike datog materijala direktno utiču na tečnost i ponašanje{1}}raspršivanja praha tokom procesa štampe, što zauzvrat utiče na hrapavost površine. Na primjer, legure aluminijuma - koje imaju relativno nisku tačku topljenja i dobru tečnost - imaju tendenciju da popune praznine i lakše formiraju glatke površine tokom štampe, a njihova hrapavost općenito može doseći raspon Ra 15–25 μm. Nasuprot tome, neki metali s višim tačkama topljenja i većim viskozitetom, kao što su određene visokotemperaturne-superlegure, možda se neće širiti i stapati idealno tokom procesa štampanja, a njihova hrapavost može biti nešto veća - tipično u rasponu od Ra 20–35 μm. Ova razlika je bitna u praksi: dizajner dijelova koji bira između legure aluminija i superlegure na bazi nikla-za datu primjenu ne samo da vaga mehanička svojstva i temperaturnu otpornost, već i implicitno prihvata različitu osnovnu završnu obradu prije nego što se primijeni bilo kakva naknadna{14}}obrada.

Sastav legure. Udio različitih elemenata unutar legure također utiče na hrapavost površine. Na primjer, legure koje sadrže veći udio lako oksidirajućih elemenata mogu doživjeti degradaciju kvaliteta površine zbog oksidacije koja se javlja tokom procesa tiska, što zauzvrat povećava hrapavost. Ovaj efekat je posebno relevantan za procese 3D štampanja metala koji ne rade u potpuno inertnom ili vakuumskom okruženju, gde se tragovi izlaganja kiseoniku tokom ciklusa topljenja svakog sloja mogu akumulirati u merljiv efekat na gotovu površinu tokom izgradnje koja može uključivati ​​hiljade pojedinačnih slojeva.

Termička obrada. Odgovarajuća termička obrada može ublažiti unutrašnje naprezanje i poboljšati metaluršku strukturu dijela, čime se smanjuje hrapavost površine. Nakon termičke obrade, površina dijela može postati primjetno ravnomjernija, uz smanjenje hrapavosti za nekoliko mikrometara. Na primjer, žarenje štampanog metalnog dijela nakon izrade pomaže u preciziranju strukture zrna, čineći mikrostrukturu površine ujednačenijom. Hrapavost se može smanjiti sa oko Ra 20μm prije tretmana na oko Ra 15μm nakon toga. Dok se toplinska obrada često primjenjuje prvenstveno za ublažavanje zaostalog naprezanja i poboljšanje mehaničkih svojstava kao što je duktilnost, njen utjecaj na hrapavost površine je korisna sekundarna prednost - koju dizajneri ponekad zanemaruju kada planiraju potpuni slijed naknadne- obrade dijela, iako može značajno smanjiti količinu potrebne mehaničke završne obrade nizvodno.

Mehanička obrada. Značajno smanjenje hrapavosti može se postići mehaničkim metodama obrade kao što su brušenje i poliranje. Brušenjem uklanjaju izbočine i nesavršenosti površine, poboljšavajući ukupnu ravnost površine. Poliranje zatim dodatno oplemenjuje površinu, smanjujući hrapavost na samo nekoliko mikrometara ili čak niže. Na primjer, nakon finog poliranja, hrapavost metalnog 3D štampanog dijela može doseći ispod Ra 5μm, zadovoljavajući zahtjeve aplikacija s izuzetno visokim zahtjevima za završnu obradu, kao što su komponente optičkih instrumenata. Ova vrsta završne sekvence - termičke obrade za stabilizaciju materijala, nakon čega slijedi brušenje radi uklanjanja grubih površinskih karakteristika, nakon čega slijedi poliranje za postizanje konačnog kvaliteta površine - odražava kako se smanjenje hrapavosti u proizvodnji metalnih aditiva rijetko postiže u jednom koraku. Umjesto toga, obično uključuje slojevitu kombinaciju termičkih i mehaničkih tretmana, od kojih svaki rješava različitu skalu površinskih nepravilnosti, od rasterećenja naprezanja do mikronskog{10}}glatkosti.

Gledano u cjelini, ove tri kategorije faktora - tip procesa, svojstva materijala i naknadna-metoda obrade - djeluju umjesto da djeluju nezavisno. Dio odštampan putem L-PBF-a od legure aluminijuma niskog-viskoziteta sa dobro-optimiziranim parametrima može već postići relativno povoljnu kao-izgrađenu hrapavost, dok isti dizajn odštampan od visoko-superlegure visokog viskoziteta putem EBM-a može početi čak i prije nego što se nanese gruba obrada{9} To znači da postizanje ciljne završne obrade površine za datu primjenu nije samo pitanje specificiranja koraka naknadne{11}}obrade na kraju toka posla -, već zahtijeva razmatranje procesa i izbora materijala od samog početka, budući da ove odluke na početku postavljaju praktičan pod i plafon za ono što naknadna{13}}obrada realno može postići. Za aplikacije sa strogim zahtjevima za završnu obradu površine, razumijevanje interakcije ovih varijabli omogućava inženjerima da od samog početka odaberu pravu kombinaciju procesa, materijala i metode završne obrade, umjesto da pokušavaju kompenzirati loše početno stanje površine kroz opsežnu i skupu daljnju obradu.