Metallin 3D-tulostuksen pinnan epätasaisuuteen vaikuttavat tekijät

Metalliosien 3D-tulostettujen osien pinnan karheus vaihtelee huomattavasti useista tekijöistä riippuen ja on yleensä muutamien mikrometrien ja useiden kymmenien mikrometrien välillä. Toisin kuin perinteisesti koneistetuissa osissa, joissa pinnan viimeistely on suurelta osin työkalun geometrian ja leikkausparametrien funktio, metallin lisäainevalmistus ottaa käyttöön paljon laajemman joukon muuttujia - itse tulostusprosessissa, tulostettavan materiaalin fysikaalisissa ominaisuuksissa ja jälkikäteen suoritettavassa-käsittelyvaiheessa määrittäessään lopullisen pinnan tilan. Ymmärtäminen, miten kukin näistä tekijöistä vaikuttaa, auttaa selittämään, miksi kaksi samasta mallista tulostettua osaa voivat päätyä merkityksellisesti erilaiseen pintalaatuun.

Laser Powder Bed Fusion (L-PBF). Tämä on yksi yleisimmistä metallin 3D-tulostusprosesseista, joita käytetään nykyään. Se toimii sulattamalla metallijauheen korkean{4}}energisen laserin avulla, joka sitten muodostuu kerros kerrokselta lopulliseen muotoon. Ihanteellisissa olosuhteissa pinnan karheus voidaan tällä prosessilla säätää noin Ra 10–30 μm:iin. Esimerkiksi painettaessa metalliosia, joilla on suhteellisen yksinkertainen rakenne tällä menetelmällä, voidaan saavuttaa suhteellisen alhainen karheus, kun parametrit on optimoitu. Tämä johtuu siitä, että laserenergia on melko keskittynyttä, mikä mahdollistaa tarkan hallinnan sulatusaltaan muodon ja koon suhteen. Tämä tarkkuus tarkoittaa, että jauhe sulautuu ja pinoutuu tiiviimmin jähmettyessään, mikä auttaa vähentämään pinnan karheutta jossain määrin. Lasersäteen tiukasti fokusoitu luonne tarkoittaa myös sitä, että lämmön syöttö ympäröivään, sulamattomaan jauheeseen voidaan minimoida, mikä vähentää osittain sintratun jauheen määrää, joka pyrkii tarttumaan painetun piirteen reunoihin ja edistää karkeampaa lopputulosta.

Elektronisuihkusulatus (EBM). Tämä prosessi käyttää elektronisuihkua metallijauheen skannaamiseen ja sulattamiseen. Tällä prosessilla painetut osat kuuluvat tyypillisesti samanlaiseen yleiseen karheusalueeseen, vaikka tulokset voivat vaihdella riippuen elektronisuihkun ominaisuuksista ja käytetystä skannausstrategiasta. Elektronisäteet kuljettavat suurta energiaa ja tarjoavat erinomaisen tarkennuksen, mikä mahdollistaa korkean-tarkkuuden sulatuksen ja osien muodostuksen. Sovelluksissa, joissa pinnan laatuvaatimukset ovat erityisen tiukat, prosessiparametrien hienosäätö-voi laskea karheuden lähelle Ra 10 μm:ää tai jopa alle. On syytä huomata, että EBM suoritetaan tyypillisesti korotetuissa kammion -lämpötiloissa ja tyhjiöolosuhteissa, mikä muuttaa jauhepedin käyttäytymistä verrattuna laser-perustaisiin prosesseihin - kohonnut lämpötila vähentää lämpörasitusta rakentamisen aikana, mutta se voi myös saada enemmän jauhehiukkasia sintrautumaan kevyesti yhteen osan ympärillä, joka on joskus erilainen EBM:n pinta. karheusominaisuus kuin L-PBF-pinnat, vaikka nimelliskarheusarvot ovat samanlaiset.

Erilaisia ​​metallimateriaaleja. Tietyn materiaalin sulamispiste, viskositeetti ja muut fysikaaliset ominaisuudet vaikuttavat suoraan juoksevuuteen ja jauheen -levityskäyttäytymiseen painoprosessin aikana, mikä puolestaan ​​vaikuttaa pinnan karheuteen. Esimerkiksi alumiiniseokset -, joilla on suhteellisen alhainen sulamispiste ja hyvä juoksevuus - pyrkivät täyttämään rakoja ja muodostamaan sileitä pintoja helpommin painatuksen aikana, ja niiden karheus voi yleensä olla alueella Ra 15–25 μm. Sitä vastoin jotkin metallit, joilla on korkeampi sulamispiste ja korkeampi viskositeetti, kuten tietyt korkean lämpötilan superseokset, eivät välttämättä leviä ja sulaudu ihanteellisesti painoprosessin aikana, ja niiden karheus voi olla jonkin verran korkeampi -, tyypillisesti välillä Ra 20–35 μm. Tällä erolla on käytännössä merkitystä: osien suunnittelija, joka valitsee tiettyyn käyttötarkoitukseen alumiiniseoksen ja nikkelipohjaisen superseoksen välillä, ei vain punnitse mekaanisia ominaisuuksia ja lämpötilan kestävyyttä, vaan myös implisiittisesti hyväksyy erilaisen peruspinnan viimeistelyn ennen jälkikäsittelyä.

Seoksen koostumus. Eri alkuaineiden osuus lejeeringissä vaikuttaa myös pinnan karheuteen. Esimerkiksi seokset, jotka sisältävät suuremman osuuden helposti hapettuvia alkuaineita, voivat kokea pinnan laadun heikkenemistä painoprosessin aikana tapahtuvan hapettumisen vuoksi, mikä puolestaan ​​lisää karheutta. Tämä vaikutus on erityisen tärkeä metallien 3D-tulostusprosesseissa, jotka eivät toimi täysin inertissä tai tyhjiöympäristössä, joissa kunkin kerroksen sulamisjakson aikana jäävä happialtistus voi kerääntyä mitattavissa olevaksi vaikutukseksi valmiilla pinnalla rakentamisen aikana, joka voi sisältää tuhansia yksittäisiä kerroksia.

Lämpökäsittely. Asianmukaisella lämpökäsittelyllä voidaan lievittää sisäistä jännitystä ja parantaa osan metallurgista rakennetta, mikä vähentää pinnan karheutta. Lämpökäsittelyn jälkeen osan pinta voi tasoittua huomattavasti, jolloin karheus pienenee useilla mikrometreillä. Esimerkiksi painetun metalliosan hehkuttaminen rakentamisen jälkeen auttaa hiomaan raerakennetta ja tekee pinnan mikrorakenteesta tasaisemman. Karheutta voidaan vähentää noin Ra 20 μm:stä ennen käsittelyä noin Ra 15 μm:iin sen jälkeen. Vaikka lämpökäsittelyä käytetään usein ensisijaisesti jäännösjännityksen lieventämiseen ja mekaanisten ominaisuuksien, kuten sitkeyden, parantamiseen, sen vaikutus pinnan karheuteen on hyödyllinen toissijainen etu, - jonka suunnittelijat joskus jättävät huomioimatta suunnitellessaan osan täyttä jälkikäsittelyjaksoa, vaikka se voi merkittävästi vähentää loppupäässä tarvittavan mekaanisen viimeistelyn määrää.

Mekaaninen käsittely. Karheutta voidaan vähentää merkittävästi mekaanisilla käsittelymenetelmillä, kuten hiomalla ja kiillottamalla. Hionta poistaa pinnan ulkonemat ja epätasaisuudet, mikä parantaa pinnan yleistä tasaisuutta. Kiillotus jalostaa sitten pintaa entisestään, jolloin karheus pienenee muutamaan mikrometriin tai jopa pienemmäksi. Esimerkiksi hienokiillotuksen jälkeen metallisen 3D-tulostetun osan karheus voi nousta alle Ra 5 μm:n, mikä täyttää vaatimukset sovelluksissa, joissa on erittäin korkeat pintakäsittelyvaatimukset, kuten optisten instrumenttien komponentit. Tällainen viimeistelyjakso - lämpökäsittely materiaalin stabiloimiseksi, jota seuraa hionta karkeiden pinnan ominaisuuksien poistamiseksi, jota seuraa kiillotus lopullisen pinnan laadun saavuttamiseksi - kuvastaa sitä, kuinka karheuden vähentäminen metallilisäaineiden valmistuksessa harvoin saavutetaan yhdellä vaiheella. Sen sijaan se sisältää tyypillisesti kerrostetun yhdistelmän lämpö- ja mekaanisia käsittelyjä, joista kukin käsittelee erilaisia ​​pinnan epäsäännöllisyyksien asteikkoja bulkkijännityksen vähentämisestä mikroni{10}}tasolle.

Kaiken kaikkiaan nämä kolme tekijäluokkaa - prosessityyppi, materiaalin ominaisuudet ja jälki-käsittelymenetelmä - ovat vuorovaikutuksessa sen sijaan, että toimisivat itsenäisesti. Osa, joka on painettu L-PBF:llä alhaisen-viskositeettisen alumiiniseoksesta, jolla on hyvin-optimoidut parametrit, voi jo saavuttaa suhteellisen suotuisan-rakennetun karheuden, kun taas sama malli, joka on painettu korkean-viskositeettisesta superseoksesta EBM:n avulla, saatetaan alkaa} ennen kuin mitään jälkikäsittelyä tehdään vielä} ennen kuin mitään jälkikäsittelyä tehdään. Tämä tarkoittaa, että tietyn sovelluksen pinnan tavoitteen saavuttaminen ei ole pelkästään jälkikäsittelyvaiheen määrittämistä{11}}työnkulun lopussa -, vaan prosessin ja materiaalin valinta on otettava huomioon alusta alkaen, koska nämä alkuvaiheen päätökset määrittävät käytännössä pohjan ja katon, mitä jälkikäsittelyllä voidaan realistisesti saavuttaa. Sovelluksissa, joissa on tiukat pinnankäsittelyvaatimukset, näiden muuttujien vuorovaikutuksen ymmärtäminen mahdollistaa sen, että insinöörit voivat valita oikean yhdistelmän prosessia, materiaalia ja viimeistelymenetelmää alusta alkaen sen sijaan, että he yrittäisivät kompensoida huonoa alkuperäistä pinnan kuntoa laajalla ja kalliilla jatkokäsittelyllä.