Metalli 3D-printimise pinna karedust mõjutavad tegurid

Metallist 3D-prinditud osade pinnakaredus varieerub olenevalt paljudest teguritest ja jääb üldiselt mõne mikromeetri ja mitmekümne mikromeetri vahele. Erinevalt traditsiooniliselt töödeldud osadest, kus pinnaviimistlus sõltub suuresti tööriista geomeetriast ja lõikeparameetritest, toob metallilisandite tootmine palju laiemat muutujate hulka - printimisprotsess ise, prinditava materjali füüsikalised omadused ja seejärel rakendatavad järeltöötlusetapid mõjutavad pinna lõplikku seisundit. Nende tegurite mõju mõistmine aitab selgitada, miks kaks sama kujundusega trükitud osa võivad lõppeda oluliselt erineva pinnakvaliteediga.

Laser Powder Bed Fusion (L-PBF). See on tänapäeval üks levinumaid metallist 3D-printimise protsesse. See töötab suure-energiaga laseri abil, et sulatada metallipulbrit, mis seejärel kihthaaval moodustatakse lõplikuks detaili kujuks. Ideaalsetes tingimustes saab selle protsessiga pinna karedust reguleerida kuni Ra 10–30 μm. Näiteks kui seda protsessi kasutades trükkida suhteliselt lihtsa struktuuriga metallosi, on pärast parameetrite optimeerimist võimalik saavutada suhteliselt madal kareduse tase. Selle põhjuseks on asjaolu, et laseri energia on üsna kontsentreeritud, võimaldades täpselt kontrollida sulamisbasseini kuju ja suurust. See täpsus tähendab, et pulber sulab ja kuhjub tahkumisel tihedamalt, mis aitab teatud määral vähendada pinna karedust. Laserkiire tihedalt fokuseeritud olemus tähendab ka seda, et ümbritseva, sulamata pulbri soojussisendit saab minimeerida, vähendades osaliselt paagutatud pulbri kogust, mis kipub prinditud objekti servade külge kinni jääma ja aitab kaasa karedamale viimistlusele.

Elektronkiire sulatamine (EBM). See protsess kasutab metallipulbri skaneerimiseks ja sulatamiseks elektronkiirt. Selle protsessiga trükitud osad jäävad tavaliselt sarnasesse üldisesse kareduse vahemikku, kuigi tulemused võivad varieeruda sõltuvalt elektronkiire omadustest ja kasutatud skaneerimisstrateegiast. Elektronkiired kannavad suurt energiat ja pakuvad suurepärast fookust, võimaldades -täpset sulatamist ja detailide moodustamist. Rakendustes, kus pinnakvaliteedi nõuded on eriti nõudlikud, võib protsessiparameetrite{5}}peenhäälestus viia kareduse Ra 10 μm lähedale või isegi madalamale. Väärib märkimist, et EBM-i teostatakse tavaliselt kõrgendatud ehitus-kambri temperatuuridel ja vaakumtingimustes, mis muudab pulberkihi käitumist võrreldes laseripõhiste protsessidega - karedusmärk kui L-PBF pinnad isegi siis, kui kareduse nimiväärtused on sarnased.

Erinevad metallmaterjalid. Antud materjali sulamistemperatuur, viskoossus ja muud füüsikalised omadused mõjutavad otseselt voolavust ja pulbri -leviku käitumist trükkimise ajal, mis omakorda mõjutab pinna karedust. Näiteks alumiiniumsulamid -, millel on suhteliselt madal sulamistemperatuur ja hea voolavus -, kipuvad trükkimise ajal täitma tühimikke ja moodustama siledaid pindu ning nende karedus võib üldiselt ulatuda vahemikku Ra 15–25 μm. Seevastu mõned kõrgema sulamistemperatuuriga ja suurema viskoossusega metallid, nagu teatud kõrge temperatuuriga supersulamid, ei pruugi trükkimise ajal levida ja sulanduda nii nagu oleks ideaalne ning nende karedus võib olla mõnevõrra suurem -, tavaliselt vahemikus Ra 20–35 μm. See erinevus on praktikas oluline: detailide kujundaja, kes valib konkreetse rakenduse jaoks alumiiniumisulami ja niklipõhise supersulami vahel, ei kaalu mitte ainult mehaanilisi omadusi ja temperatuurikindlust, vaid nõustub kaudselt ka erineva baaspinna viimistlusega enne mis tahes järeltöötlust.

Sulami koostis. Erinevate elementide osakaal sulamis mõjutab ka pinna karedust. Näiteks sulamid, mis sisaldavad suurema osa kergesti oksüdeeruvaid elemente, võivad kogeda pinnakvaliteedi halvenemist trükiprotsessi käigus toimuva oksüdatsiooni tõttu, mis omakorda suurendab karedust. See efekt on eriti oluline metallide 3D-printimise protsesside puhul, mis ei tööta täielikult inertses või vaakumkeskkonnas, kus iga kihi sulamistsükli ajal kokkupuude hapnikuga võib koguneda mõõdetavaks efektiks valmis pinnale ehitamise käigus, mis võib hõlmata tuhandeid üksikuid kihte.

Kuumtöötlus. Sobiv kuumtöötlus võib leevendada sisemist pinget ja parandada detaili metallurgilist struktuuri, vähendades seeläbi pinna karedust. Pärast kuumtöötlemist võib detaili pind muutuda märgatavalt ühtlasemaks, kusjuures karedus väheneb mitme mikromeetri võrra. Näiteks aitab trükitud metallosa lõõmutamine pärast ehitamist täpsustada terastruktuuri, muutes pinna mikrostruktuuri ühtlasemaks. Karedust saab vähendada umbes Ra 20 μm-lt enne töötlemist umbes Ra 15 μm-ni pärast seda. Kuigi kuumtöötlemist kasutatakse sageli peamiselt jääkpinge leevendamiseks ja mehaaniliste omaduste (nt elastsuse) parandamiseks, on selle mõju pinnakaredusele kasulik sekundaarne eelis, - millest disainerid osa täielikku järeltöötlemise järjestust kavandades mõnikord tähelepanuta jätavad, kuigi see võib märkimisväärselt vähendada allavoolu vajamineva mehaanilise viimistluse hulka.

Mehaaniline töötlemine. Karedust saab oluliselt vähendada mehaaniliste töötlemismeetoditega, nagu lihvimine ja poleerimine. Lihvimine eemaldab pinna eendid ja ebatasasused, parandades üldist pinna tasasust. Poleerimine viimistleb seejärel pinda veelgi, vähendades karedust vaid mõne mikromeetrini või veelgi madalamale. Näiteks pärast peent poleerimist võib metallist 3D-prinditud detaili karedus ulatuda alla Ra 5 μm, mis vastab äärmiselt kõrgete pinnaviimistlusnõuetega rakenduste, näiteks optiliste instrumentide komponentide nõuetele. Selline viimistlusjada - kuumtöötlemine materjali stabiliseerimiseks, millele järgneb lihvimine pinna jämedate omaduste eemaldamiseks, millele järgneb poleerimine lõpliku pinnakvaliteedi saavutamiseks - peegeldab seda, kuidas metallilisandite valmistamisel saavutatakse harva kareduse vähendamine ühe etapiga. Selle asemel hõlmab see tavaliselt termilise ja mehaanilise töötluse kihilist kombinatsiooni, millest igaüks käsitleb erineva ulatusega pinna ebakorrapärasust, alates massilisest pinge leevendamisest kuni mikroni{10}}tasapinnani.

Tervikuna võttes on need kolm tegurite kategooriat - protsessi tüüp, materjali omadused ja järel{1}}töötlusmeetod - pigem vastasmõjus, mitte ei toimi üksteisest sõltumatult. L-PBF-iga prinditud detail, mis on valmistatud madala-viskoossusega alumiiniumsulamist ja hästi-optimeeritud parameetritega, võib juba saavutada suhteliselt soodsa-kareduse, samas kui sama kujundus, mis on trükitud kõrge-viskoossusega supersulamist EBM-i kaudu, võib alata isegi enne töötlemata töötlemist, {{9} enne jämedamat töötlemist. See tähendab, et konkreetse rakenduse jaoks soovitud pinnaviimistluse saavutamine ei seisne pelgalt järeltöötluse etapi määramises töövoo lõpus -, vaid protsessi ja materjali valiku üle arvestamine on vajalik algusest peale, kuna need eelnevad otsused määravad praktilise põhja ja ülemmäära, mida järeltöötlusega reaalselt võimalik saavutada. Rangete pinnaviimistlusnõuetega rakenduste puhul võimaldab nende muutujate koostoime mõistmine inseneridel valida algusest peale õige kombinatsiooni protsessist, materjalist ja viimistlusmeetodist, selle asemel, et püüda kompenseerida esialgset kehva pinnaseisundit ulatusliku ja kuluka järeltöötlusega.