Miksi metallisten 3D-tulostettujen osien pinta on suhteellisen karkea?

一, Jauheen ominaisuudet: pienten virheiden syy
1. Jauheen hiukkaskokojen jakautumisen kaksoisvaikutus
Baskimaan yliopiston Espanjassa tekemä tutkimus osoitti lineaarisen korrelaation pinnan karheuden ja pienimmän hiukkaskoon (D10) välillä jauheen hiukkaskokojakaumassa: D10-arvon pieneneminen vastaa karheuden vähenemistä. Kun D10 jauheerässä laskee esimerkiksi 25 μm:stä 11 μm:iin, osien pinnan karheus voi laskea 60 μm:stä alle 40 μm:iin. Mutta tämä toimii vain hienoille jauheille. Kun jauhehiukkasten koko on suurempi kuin D50, sillä ei ole väliä kuinka karkea se on.
2. Asioihin tarttuvan jauheen "lumipallovaikutus".
3D-tulostusprosessin aikana hienojakoinen jauhe, joka on osittain sulanut, tarttuu esineen pintaan ja muodostaa "lumipalloilta" näyttäviä kuoppia. Metallografinen tutkimus paljastaa, että näiden liimajauheiden mikrorakenne on linjassa komponenttien rungon kanssa, mikä viittaa siihen, että ne ovat peräisin suoraan alkuperäisestä jauheerästä. Esimerkiksi käyttämällä D50=45 μm jauhetta pintaliimajauheen halkaisija voi nousta 33–47 μm:iin, mikä lisää huomattavasti karheutta.
3. Tärkein asia jauheen pallomaisuudesta
Jos jauhe ei ole kovin pallomainen, se voi levitä epätasaisesti ja muodostaa irtonaisen kerroksen, jonka huokoisuus on jopa 10 %. Nämä huokoset keräävät jauheen, joka ei ole vielä sulanut, ja tekevät pintavikoja koko lasersulatusprosessin ajan. Tutkimukset ovat osoittaneet, että yli 95 % pallomaisten jauheiden käyttö voi vähentää pinnan karheutta yli 30 %.
2, tulostusparametrit: Hyvä tasapaino prosessin ohjauksessa
1. Energiatiheyden ja roiskeiden välinen ristiriita
High energy density (>100J/mm³) voi parantaa sulan altaan virtausta, mutta se voi myös saada metallihöyryn palautumaan, mikä aiheuttaa sulan metallin roiskumista. Nämä pisarat jäähtyvät ja muuttuvat pallomaisiksi hiukkasiksi, jotka tarttuvat osien pintoihin tehden niistä 50–80 % karheampia. Esimerkiksi Inconel 718:lla tulostettaessa pintaroiskeiden määrä kasvaa kolme kertaa, kun energiatiheys muuttuu arvosta 80J/mm³ arvoon 120J/mm³.
2. Kerrosten paksuuden ja jähmettymisen rakenteen vaikutus päällekkäin
Yksi tärkeimmistä karheuteen vaikuttavista asioista on kerrosten paksuus. Askelvaikutuksen aiheuttaman pinnan karheuden korkeus voi vaihdella 10 μm:stä 25 μm:iin, kun kerrospaksuus muuttuu 20 μm:stä 50 μm:iin. Myös kulmalla, jossa laser osuu pintaan, on suuri vaikutus jähmettymisrakenteeseen. Esimerkiksi tulostuskeskuksesta kauimpana olevalla alueella, kun kulmapoikkeama on yli 15 astetta, pinnan karheus kasvaa 40 %, koska sulateallas ei jähmety tasaisesti.
3. Tilaa skannausmenetelmän parantamiseen
Tavallinen yksisuuntainen{0}}skannausmenetelmä jättää raitoja osan pintaan säännöllisin väliajoin. Shakkilauta- tai spiraaliskannaus voi kuitenkin rikkoa tämän kuvion ja tehdä karheuden jakautumisesta tasaisempaa. Esimerkiksi titaaniseoksella tulostettaessa spiraaliskannausmenetelmä pienentää pinnan karheuden keskihajonnan 8 μm:stä 3 μm:iin.
3, jälkikäsittelytekniikka: uusi tapa viimeistellä pintoja
1. Mekaanisen käsittelyn rajat
Perinteinen mekaaninen käsittely, kuten CNC-jyrsintä, ei toimi hyvin monimutkaisten sisäontelorakenteiden kanssa, eikä se välttämättä toimi hyvin 3D-tulostuksen kevyen suunnittelun kanssa. Esimerkiksi lonkkaimplantteja jyrsinnässä ristikkojärjestelmillä tulee säilyttää vähintään 0,5 mm:n työstövara, joka lisää painoa 15-20 %.
2. Kemiallisen kiillotuksen mikroskooppinen ohjaus
Liuottamalla pinnan mikrohuiput selektiivisesti, kemiallinen kiillotus voi saavuttaa nanomittakaavan tarkkuuden. Kobolttikromiseoksella tulostettaessa kemiallinen kiillotus typpihapon ja suolahapon yhdistelmäliuoksella voi alentaa pinnan karheutta 12 μm:stä 0,8 μm:iin vahingoittamatta hilarakennetta. Mutta tässä lähestymistavassa on pidettävä tarkasti silmällä lämpötilaa (± 2 astetta) ja liuoksen pitoisuutta (± 0,5 %). Jos ei, se voi syövyttää liikaa.
3. Uusia tapoja käyttää laserkiillotusta
Kaksoislaser-synkroninen kiillotustekniikka yhdistää päälaserin osien rakentamiseen ja toissijaisen laserin (nanosekuntipulssi) poistamaan pinnalta jäännösjauhetta reaaliajassa. Tämä voi tehdä pinnasta 70 % tasaisemman. Tämä menetelmä esimerkiksi alentaa ruostumattoman teräksen painatuksen karheutta 7 μm:stä 2 μm:iin ilman lisätyötä. Laitteet maksavat kuitenkin 3–5 kertaa niin paljon kuin tavalliset 3D-tulostimet, mikä vaikeuttaa niiden käyttöä suuressa mittakaavassa.
4. Murtautuminen sisäontelon läpi hiomavirtaustyöstössä
Hiomavirtauskoneistuksella (AFM) on erityisetuja monimutkaisissa sisäontelorakenteissa. Kun työnnät puolikiinteää väliainetta, jossa on piikarbidihiukkasia, sisäonteloon korkealla paineella, voit päästä eroon purseista ja tehdä pinnasta tasaisemman. AFM alentaa sisäontelon pinnan karheutta 50 μm:stä 5 μm:iin tulostaessaan lentokoneen polttoainesuuttimia. Se pitää myös polttoaineen virtauskanavan tasaisena.
4, Teollisuuden käytäntö: Siirtyminen laboratoriosta tehtaalle
1. Uusia löytöjä ilmailun alalla
GE Aviation valmistaa polttoainesuuttimia LEAP-moottoreihin käyttämällä SLM-teknologiaa ja HIP-käsittelyä (hot isostatic pressing). Tämä alentaa huokoisuutta 0,8 %:sta 0,02 %:iin ja pidentää väsymisikää kolme kertaa. Hienosäätämällä skannausmenetelmää ja kerrospaksuutta (30 μm) pinnan karheus pysyy Ra12 μm:n sisällä, mikä täyttää ilmailuteollisuuden asettamat standardit.
2. Räätälöity lääketieteellisten laitteiden kysyntä
Johnson&Johnson Medical on luonut yhdistelmäprosessin 3D{1}}painetuille lonkkanivelimplanteille, jossa yhdistyvät tyhjiöhehkutus ja kemiallinen kiillotus. Tyhjiöhehkutus poistaa jäännösjännityksen, ja sitruunahappo-pohjaisella kiillotusliuoksella tasoitetaan pinta Ra50 μm:stä Ra0,8 μm:iin pitäen se samalla bioyhteensopivana. Tämä menetelmä antaa implantille yli 20 vuoden väsymisiän, mikä on enemmän kuin mitä kliinisissä olosuhteissa tarvitaan.
3. Energialaitteet, jotka voivat toimia erittäin ankarissa ympäristöissä
Siemens valmistaa kaasuturbiinien siipiä käyttämällä suunnattua uudelleenkiteytystekniikkaa ja kiinteäliuoskäsittelyä. Tämä vähentää nikkeli-pohjaisten korkean lämpötilan-seosten virumisnopeutta 80 %. Säätämällä lämpötilagradienttia (vetonopeudella 2,5 mm/h 1235 asteessa) luotiin pylväsmäinen kiderakenne, joka oli linjassa jännitysakselin kanssa. Tämä pidensi väsymisikää 650 asteessa.