Фактори, влияещи върху грапавостта на повърхността при метален 3D печат

Грапавостта на повърхността на металните 3D отпечатани части варира значително в зависимост от набор от фактори и обикновено пада някъде между няколко микрометра и няколко десетки микрометра. За разлика от традиционно обработените части, където повърхностното покритие до голяма степен зависи от геометрията на инструмента и параметрите на рязане, производството с метални добавки въвежда много по-широк набор от променливи - самият процес на печат, физическите характеристики на материала, който се отпечатва, и стъпките на пост{3}}обработка, приложени след това, всички взаимодействат, за да определят окончателното състояние на повърхността. Разбирането как всеки от тези фактори допринася помага да се обясни защо две части, отпечатани от един и същ дизайн, могат да се окажат със значително различно качество на повърхността.

Лазерно прахообразно сливане (L-PBF). Това е един от най-разпространените процеси за 3D печат на метал, които се използват днес. Той работи, като използва високо-енергиен лазер за разтопяване на метален прах, който след това се натрупва слой по слой в крайната форма на детайла. При идеални условия грапавостта на повърхността с този процес може да се контролира до около Ra 10–30 μm. Например, когато се отпечатват метални части със сравнително прости структури, като се използва този процес, могат да се постигнат относително ниски нива на грапавост, след като параметрите са оптимизирани. Това е така, защото лазерната енергия е сравнително концентрирана, което позволява прецизен контрол върху формата и размера на басейна от стопилка. Тази прецизност означава, че прахът се стопява и натрупва по-плътно, докато се втвърдява, което спомага за намаляване на грапавостта на повърхността до известна степен. Силно фокусираният характер на лазерния лъч също така означава, че топлинният вход в заобикалящия, неразтопен прах може да бъде сведен до минимум, намалявайки количеството частично синтерован прах, който има тенденция да се придържа към краищата на отпечатания елемент и да допринесе за по-грубо покритие.

Електронно-лъчево топене (EBM). Този процес използва електронен лъч за сканиране и стопяване на метален прах. Частите, отпечатани чрез този процес, обикновено попадат в подобен общ диапазон на грапавост, въпреки че резултатите могат да варират в зависимост от характеристиките на електронния лъч и използваната стратегия за сканиране. Електронните лъчи носят висока енергия и предлагат отличен фокус, което позволява високо-прецизно топене и образуване на части. В приложения, където изискванията за качество на повърхността са особено взискателни, фината-настройка на параметрите на процеса може да намали грапавостта до близо до Ra 10 μm или дори по-ниско. Струва си да се отбележи, че EBM обикновено се извършва при повишени температури на-камерата за сглобяване и при условия на вакуум, което променя начина, по който прахообразното легло се държи в сравнение с процесите,{-базирани на лазер - повишената температура намалява термичния стрес по време на сглобяването, но също така може да доведе до леко синтероване на повече прахообразни частици около контурите на детайла, което е една от причините повърхностите на EBM понякога да са малко по-различни характер на грапавост в сравнение с L-PBF повърхности, дори когато номиналните стойности на грапавост са подобни.

Различни метални материали. Точката на топене, вискозитетът и другите физически характеристики на даден материал пряко влияят върху течливостта и поведението при-разпръскване на праха по време на процеса на печат, което от своя страна влияе върху грапавостта на повърхността. Например, алуминиевите сплави -, които имат сравнително ниска точка на топене и добра течливост - са склонни да запълват празнини и да образуват гладки повърхности по-лесно по време на печат и тяхната грапавост обикновено може да достигне диапазона от Ra 15–25 μm. Обратно, някои метали с по-високи точки на топене и по-висок вискозитет, като някои високо{8}}температурни суперсплави, може да не се разпространят и стопят както идеално по време на процеса на печат и тяхната грапавост може да бъде малко по-висока - обикновено в диапазона Ra 20–35 μm. Тази разлика има значение на практика: проектантът на част, който избира между алуминиева сплав и-суперсплав на базата на никел за дадено приложение, не просто претегля механичните свойства и устойчивостта на температура, но също имплицитно приема различно основно повърхностно покритие, преди да се приложи каквато и да е последваща{14}}обработка.

Състав на сплавта. Пропорцията на различните елементи в сплавта също влияе върху грапавостта на повърхността. Например, сплави, съдържащи по-голям дял лесно окисляеми елементи, могат да претърпят влошаване на качеството на повърхността поради окисление, възникващо по време на процеса на печат, което от своя страна увеличава грапавостта. Този ефект е особено важен за процесите на 3D печат на метали, които не работят в напълно инертна или вакуумна среда, където излагането на следи от кислород по време на цикъла на топене на всеки слой може да се натрупа в измерим ефект върху завършената повърхност в хода на конструкцията, която може да включва хиляди отделни слоеве.

Термична обработка. Подходящата термична обработка може да облекчи вътрешното напрежение и да подобри металургичната структура на детайла, като по този начин намали грапавостта на повърхността. След термична обработка повърхността на дадена част може да стане забележимо по-равна, като грапавостта е намалена с няколко микрометра. Например, отгряването на отпечатана метална част след изграждането помага за усъвършенстване на структурата на зърната, което прави микроструктурата на повърхността по-равномерна. Грапавостта може да бъде намалена от около Ra 20 μm преди обработката до около Ra 15 μm след това. Докато термичната обработка често се прилага предимно за облекчаване на остатъчното напрежение и подобряване на механичните свойства като пластичност, нейният ефект върху грапавостта на повърхността е полезна вторична полза -, която дизайнерите понякога пренебрегват, когато планират пълната последователност на -обработка на даден детайл, въпреки че може значително да намали необходимото механично довършване надолу по веригата.

Механична обработка. Значително намаляване на грапавостта може да се постигне чрез методи на механична обработка като шлайфане и полиране. Шлайфането премахва повърхностните изпъкналости и несъвършенства, като подобрява цялостната плоскост на повърхността. След това полирането допълнително усъвършенства повърхността, намалявайки грапавостта само до няколко микрометра или дори по-ниско. Например, след фино полиране, грапавостта на метална 3D отпечатана част може да достигне под Ra 5μm, отговаряйки на изискванията на приложения с изключително високи изисквания за покритие на повърхността, като компоненти на оптични инструменти. Този вид довършителна последователност - топлинна обработка за стабилизиране на материала, последвана от шлайфане за премахване на грубите повърхностни характеристики, последвано от полиране за постигане на окончателно качество на повърхността - отразява как намаляването на грапавостта при производството на метални добавки рядко се постига чрез една стъпка. Вместо това обикновено включва слоеста комбинация от термични и механични обработки, всяка от които е насочена към различен мащаб на повърхностни неравности, от облекчаване на обемното напрежение до гладкост на микрон-ниво.

Взети като цяло, тези три категории фактори - тип процес, свойства на материала и -метод на последваща обработка - си взаимодействат, вместо да действат независимо. Детайл, отпечатан чрез L-PBF от алуминиева сплав с нисък-вискозитет с добре-оптимизирани параметри, може вече да постигне относително благоприятна като-изградена грапавост, докато същият дизайн, отпечатан от суперсплав с висок-вискозитет чрез EBM, може да започне от по-груба базова линия дори преди каквато и да е последваща-обработка приложено. Това означава, че постигането на целево покритие на повърхността за дадено приложение не е просто въпрос на уточняване на стъпка-за последваща обработка в края на работния процес - изисква обмисляне на процеса и избора на материал от самото начало, тъй като тези решения нагоре по веригата определят практическия под и таван за това, което последващата{13}}обработка може реалистично да постигне. За приложения със строги изисквания за покритие на повърхността разбирането как тези променливи си взаимодействат позволява на инженерите да изберат правилната комбинация от процес, материал и метод на довършителни работи от самото начало, вместо да се опитват да компенсират лошото първоначално състояние на повърхността чрез обширна и скъпа обработка надолу по веригата.