Фактори, що впливають на шорсткість поверхні при 3D-друкі з металу

Шорсткість поверхні металевих деталей, надрукованих на 3D-друкі, значно змінюється залежно від низки факторів і зазвичай становить десь від кількох мікрометрів до кількох десятків мікрометрів. На відміну від традиційно оброблених деталей, де обробка поверхні значною мірою залежить від геометрії інструменту та параметрів різання, виробництво з додаванням металу вводить набагато ширший набір змінних - сам процес друку, фізичні характеристики матеріалу, що друкується, і наступні етапи обробки-взаємодіють, щоб визначити кінцевий стан поверхні. Розуміння того, як впливає кожен із цих факторів, допомагає пояснити, чому дві частини, надруковані з однаковим дизайном, можуть мати суттєво різну якість поверхні.

Лазерне злиття порошкового шару (L-PBF). Це один із найпоширеніших процесів тривимірного друку металу, який використовується сьогодні. Він працює за допомогою високо{4}}енергетичного лазера для плавлення металевого порошку, який потім шар за шаром перетворюється в кінцеву форму деталі. За ідеальних умов шорсткість поверхні за допомогою цього процесу можна контролювати приблизно до Ra 10–30 мкм. Наприклад, під час друку металевих деталей із відносно простою структурою за допомогою цього процесу можна досягти відносно низьких рівнів шорсткості після оптимізації параметрів. Це пояснюється тим, що лазерна енергія досить концентрована, що дозволяє точно контролювати форму та розмір басейну розплаву. Ця точність означає, що порошок сплавляється та утримується більш щільно, коли він застигає, що допомагає певною мірою зменшити шорсткість поверхні. Чітко сфокусований лазерний промінь також означає, що вплив тепла на навколишній нерозплавлений порошок можна звести до мінімуму, зменшуючи кількість частково спеченого порошку, який має тенденцію прилипати до країв надрукованого елемента та сприяти більш грубій обробці.

Електронно-променеве плавлення (EBM). Цей процес використовує електронний промінь для сканування та плавлення металевого порошку. Деталі, надруковані за допомогою цього процесу, зазвичай потрапляють у аналогічний загальний діапазон шорсткості, хоча результати можуть відрізнятися залежно від характеристик електронного променя та використаної стратегії сканування. Електронні промені несуть високу енергію та пропонують чудове фокусування, що забезпечує високу{3}}точність плавлення та формування деталей. У програмах, де вимоги до якості поверхні є особливо вимогливими, точне-налаштування параметрів процесу може знизити шорсткість до Ra 10 мкм або навіть нижче. Варто зазначити, що EBM зазвичай виконується при підвищених температурах-камери для виготовлення та в умовах вакууму, що змінює поведінку шару порошку порівняно з процесами,{-на основі лазера - підвищена температура зменшує термічний стрес під час виготовлення, але також може призвести до легкого спікання більшої кількості частинок порошку навколо контурів деталі, що є однією з причин, чому поверхні EBM іноді дещо відрізняються характер шорсткості, ніж поверхні L-PBF, навіть якщо номінальні значення шорсткості подібні.

Різні металеві матеріали. Точка плавлення, в’язкість та інші фізичні характеристики даного матеріалу безпосередньо впливають на сипучість і поведінку-розтікання порошку під час процесу друку, що, у свою чергу, впливає на шорсткість поверхні. Наприклад, алюмінієві сплави -, які мають відносно низьку температуру плавлення та хорошу текучість -, мають тенденцію легше заповнювати проміжки та формувати гладкі поверхні під час друку, а їхня шорсткість зазвичай може досягати діапазону Ra 15–25 мкм. Навпаки, деякі метали з вищими температурами плавлення та більшою в’язкістю, як-от певні високотемпературні-суперсплави, можуть не ідеально розтікатися та плавитися під час процесу друку, а їх шорсткість може бути дещо вищою - зазвичай у діапазоні Ra 20–35 мкм. Ця різниця має значення на практиці: розробник деталей, обираючи між алюмінієвим сплавом і суперсплавом-на основі нікелю для певного застосування, не лише зважує механічні властивості та термостійкість, але й неявно приймає іншу базову обробку поверхні перед застосуванням будь-якої -обробки.

Склад сплаву. Пропорція різних елементів у сплаві також впливає на шорсткість поверхні. Наприклад, сплави, що містять більшу частку елементів, що легко окислюються, можуть мати погіршення якості поверхні через окислення, що відбувається під час процесу друку, що, у свою чергу, збільшує шорсткість. Цей ефект особливо важливий для процесів 3D-друку металу, які не працюють у повністю інертному або вакуумному середовищі, де вплив слідів кисню під час циклу плавлення кожного шару може накопичуватися у вимірний ефект на готовій поверхні протягом процесу виготовлення, яке може включати тисячі окремих шарів.

Теплова обробка. Відповідна термічна обробка може зняти внутрішню напругу та покращити металургійну структуру деталі, тим самим зменшивши шорсткість поверхні. Після термообробки поверхня деталі може стати помітно більш рівною, шорсткість зменшується на кілька мікрометрів. Наприклад, відпал надрукованої металевої частини після складання допомагає покращити зернисту структуру, роблячи мікроструктуру поверхні більш однорідною. Шорсткість може бути зменшена приблизно з Ra 20 мкм перед обробкою приблизно до Ra 15 мкм після обробки. Хоча термічна обробка часто застосовується в першу чергу для зняття залишкової напруги та покращення механічних властивостей, таких як пластичність, її вплив на шорсткість поверхні є корисною другорядною перевагою, - яку дизайнери іноді не враховують, плануючи повну послідовність обробки-деталі, навіть якщо вона може суттєво зменшити кількість необхідної механічної обробки.

Механічна обробка. Значного зменшення шорсткості можна досягти за допомогою методів механічної обробки, таких як шліфування та полірування. Шліфування усуває поверхневі виступи та недоліки, покращуючи загальну рівність поверхні. Потім полірування ще більше покращує поверхню, зменшуючи шорсткість лише до кількох мікрометрів або навіть нижче. Наприклад, після тонкого полірування шорсткість металевої 3D-друкованої деталі може сягати Ra нижче 5 мкм, що відповідає вимогам додатків із надзвичайно високими вимогами до обробки поверхні, наприклад компонентів оптичних приладів. Така фінішна послідовність - термічна обробка для стабілізації матеріалу з подальшим шліфуванням для видалення грубих поверхневих елементів, а потім поліруванням для досягнення кінцевої якості поверхні - відображає те, що зменшення шорсткості у виробництві металевих добавок рідко досягається за один крок. Натомість це зазвичай передбачає пошарову комбінацію термічної та механічної обробки, кожна з яких спрямована на різний масштаб нерівностей поверхні, від об’ємного зняття напруги до мікрон{10}}рівня гладкості.

У цілому ці три категорії факторів - тип процесу, властивості матеріалу та-метод обробки - взаємодіють, а не незалежно. Деталь, надрукована за допомогою L-PBF з низько-в’язкого алюмінієвого сплаву з добре-оптимізованими параметрами, може вже досягти відносно сприятливої -вбудованої шорсткості, тоді як той самий дизайн, надрукований із високо-в’язкого суперсплаву за допомогою EBM, може початися з більш грубої базової лінії навіть до будь-якої-після{9}}обробки застосовується. Це означає, що досягнення цільової якості поверхні для конкретного застосування — це не просто визначення наступного етапу-обробки наприкінці робочого процесу - це вимагає розгляду процесу та вибору матеріалу з самого початку, оскільки ці попередні рішення встановлюють практичну межу та стелю того, чого можна реально досягти після-обробкою. Для додатків із суворими вимогами до обробки поверхні розуміння того, як ці змінні взаємодіють, дозволяє інженерам вибрати правильну комбінацію процесу, матеріалу та методу обробки з самого початку, а не намагатися компенсувати поганий початковий стан поверхні шляхом масштабної та дорогої подальшої обробки.