Faktorer som påvirker overflateruhet i 3D-utskrift av metall

Overflateruheten til 3D-trykte metalldeler varierer betydelig avhengig av en rekke faktorer, og faller vanligvis et sted mellom noen få mikrometer og flere titalls mikrometer. I motsetning til tradisjonelt maskinerte deler, hvor overflatefinish i stor grad er en funksjon av verktøygeometri og skjæreparametere, introduserer metalladditiv produksjon et mye bredere sett med variabler - selve utskriftsprosessen, de fysiske egenskapene til materialet som trykkes og etter-behandlingstrinnene som brukes etterpå, samhandler for å bestemme den endelige overflatetilstanden. Å forstå hvordan hver av disse faktorene bidrar bidrar til å forklare hvorfor to deler skrevet ut fra samme design kan ende opp med meningsfullt forskjellig overflatekvalitet.

Laser Powder Bed Fusion (L-PBF). Dette er en av de mer vanlige metall 3D-utskriftsprosessene som er i bruk i dag. Den fungerer ved å bruke en høy-laser for å smelte metallpulver, som deretter bygges opp lag for lag til den endelige delformen. Under ideelle forhold kan overflateruhet med denne prosessen kontrolleres til rundt Ra 10–30μm. For eksempel, når du skriver ut metalldeler med relativt enkle strukturer ved bruk av denne prosessen, kan relativt lave ruhetsnivåer oppnås når parametere er optimalisert. Dette er fordi laserenergien er ganske konsentrert, noe som gir presis kontroll over formen og størrelsen på smeltebassenget. Denne presisjonen betyr at pulveret smelter sammen og stables tettere når det stivner, noe som bidrar til å redusere overflateruheten til en viss grad. Laserstrålens tett fokuserte natur betyr også at termisk tilførsel til omgivende, usmeltet pulver kan minimeres, noe som reduserer mengden delvis sintret pulver som har en tendens til å klamre seg til kantene på en trykt funksjon og bidra til en grovere finish.

Elektronstrålesmelting (EBM). Denne prosessen bruker en elektronstråle for å skanne og smelte metallpulver. Deler som skrives ut ved hjelp av denne prosessen faller vanligvis innenfor et lignende generelt ruhetsområde, selv om resultatene kan variere avhengig av egenskapene til elektronstrålen og skanningsstrategien som brukes. Elektronstråler bærer høy energi og gir utmerket fokus, noe som muliggjør høy-presisjonssmelting og deldannelse. I applikasjoner der kravene til overflatekvalitet er spesielt krevende, kan finjustering av prosessparametere- bringe ruheten ned til nær Ra 10μm eller enda lavere. Det er verdt å merke seg at EBM vanligvis utføres ved forhøyede bygnings-kammertemperaturer og under vakuumforhold, noe som endrer hvordan pulverlaget oppfører seg sammenlignet med laser-baserte prosesser - den forhøyede temperaturen reduserer termisk stress under byggingen, men det kan også føre til at flere pulverpartikler lett sinter sammen rundt en del, noe som noen ganger er en annen grunn til at EBM er en grov kontur. karakter enn L-PBF-overflater selv når nominelle ruhetsverdier er like.

Ulike metallmaterialer. Smeltepunktet, viskositeten og andre fysiske egenskaper til et gitt materiale påvirker direkte flytbarhet og pulver-spredningsadferd under utskriftsprosessen, som igjen påvirker overflateruheten. For eksempel har aluminiumslegeringer - som har et relativt lavt smeltepunkt og god flytbarhet - en tendens til å fylle hull og danne glatte overflater lettere under utskrift, og deres ruhet kan generelt nå området Ra 15–25μm. Derimot kan det hende at noen metaller med høyere smeltepunkter og høyere viskositet, for eksempel visse høye-superlegeringer, ikke sprer seg og smelter sammen så ideelt under utskriftsprosessen, og deres ruhet kan bli noe høyere - typisk i området Ra 20–35μm. Denne forskjellen er viktig i praksis: En deldesigner som velger mellom en aluminiumslegering og en nikkel-basert superlegering for en gitt applikasjon, veier ikke bare mekaniske egenskaper og temperaturmotstand, men aksepterer også implisitt en annen grunnlinjeoverflatefinish før noen etter{14}}behandling påføres.

Legeringssammensetning. Andelen av forskjellige elementer i en legering påvirker også overflateruheten. For eksempel kan legeringer som inneholder en høyere andel lett oksiderte elementer oppleve forringelse av overflatekvaliteten på grunn av oksidasjon som skjer under trykkeprosessen, som igjen øker ruheten. Denne effekten er spesielt relevant for 3D-utskriftsprosesser av metall som ikke fungerer i et fullstendig inert eller vakuummiljø, der spor oksygeneksponering under hvert lags smeltesyklus kan samle seg til en målbar effekt på den ferdige overflaten i løpet av en konstruksjon som kan involvere tusenvis av individuelle lag.

Varmebehandling. Passende varmebehandling kan lindre indre stress og forbedre den metallurgiske strukturen til en del, og dermed redusere overflateruheten. Etter varmebehandling kan en dels overflate bli merkbart jevnere, med ruhet redusert med flere mikrometer. For eksempel, gløding av en trykt metalldel etter konstruksjonen bidrar til å forfine kornstrukturen, noe som gjør overflatens mikrostruktur mer jevn. Ruhet kan reduseres fra rundt Ra 20μm før behandling til rundt Ra 15μm etterpå. Mens varmebehandling ofte brukes primært for å avlaste restspenninger og forbedre mekaniske egenskaper som duktilitet, er dens effekt på overflateruhet en nyttig sekundær fordel - som designere noen ganger overser når de planlegger en dels fulle etter-behandlingssekvens, selv om det kan redusere mengden av mekanisk etterbehandling som er nødvendig nedstrøms.

Mekanisk bearbeiding. Å redusere grovheten betydelig kan oppnås gjennom mekaniske bearbeidingsmetoder som sliping og polering. Sliping fjerner fremspring og ujevnheter på overflaten, og forbedrer den generelle flatheten. Polering foredler deretter overflaten ytterligere, og reduserer ruheten til bare noen få mikrometer eller enda lavere. For eksempel, etter finpolering, kan ruheten til en 3D-trykt metalldel nå under Ra 5μm, og oppfyller kravene til applikasjoner med ekstremt høye krav til overflatefinish, for eksempel komponenter til optiske instrumenter. Denne typen etterbehandlingssekvens - varmebehandling for å stabilisere materialet, etterfulgt av sliping for å fjerne grove overflateegenskaper, etterfulgt av polering for å oppnå endelig overflatekvalitet - gjenspeiler hvordan ruhetsreduksjon i metalltilsetningsproduksjon sjelden oppnås gjennom ett enkelt trinn. I stedet involverer det vanligvis en lagdelt kombinasjon av termiske og mekaniske behandlinger, som hver adresserer en annen skala av overflateuregelmessigheter, fra bulkspenningsavlastning ned til -mikronnivå glatthet.

Sett under ett samhandler disse tre kategoriene av faktorer - prosesstype, materialegenskaper og etter-behandlingsmetode - i stedet for å opptre uavhengig. En del skrevet ut via L-PBF fra en aluminiumslegering med lav-viskositet med godt-optimaliserte parametere kan allerede oppnå en relativt gunstig som-bygget ruhet, mens det samme designet som er skrevet ut fra en superlegering med høy-viskositet via EBM kan starte fra en grovere baseline{9}, selv før noen etterbehandling{9}}. Dette betyr at å oppnå en måloverflatefinish for en gitt applikasjon ikke bare er et spørsmål om å spesifisere et etter{11}}behandlingstrinn på slutten av arbeidsflyten - det krever at man vurderer prosessen og materialvalget fra begynnelsen, siden disse oppstrømsbeslutningene setter det praktiske gulvet og taket for hva etter{13}}behandlingen realistisk kan oppnå. For applikasjoner med strenge krav til overflatefinish, forståelse av hvordan disse variablene samhandler gjør det mulig for ingeniører å velge riktig kombinasjon av prosess, materiale og etterbehandlingsmetode fra starten, i stedet for å prøve å kompensere for en dårlig initial overflatetilstand gjennom omfattende og kostbar nedstrømsbehandling.