Metalo 3D spausdinimo paviršiaus šiurkštumą įtakojantys veiksniai

Metalinių 3D spausdintų dalių paviršiaus šiurkštumas labai skiriasi priklausomai nuo įvairių veiksnių ir paprastai svyruoja nuo kelių mikrometrų iki kelių dešimčių mikrometrų. Skirtingai nuo tradiciškai apdirbtų dalių, kur paviršiaus apdaila daugiausia priklauso nuo įrankio geometrijos ir pjovimo parametrų, metalo priedų gamyboje pateikiamas daug platesnis kintamųjų rinkinys - pats spausdinimo procesas, spausdinamos medžiagos fizinės charakteristikos ir vėliau taikomi tolesnio -apdirbimo etapai, kurie sąveikauja, kad nustatytų galutinę paviršiaus būklę. Suprasdami, kaip kiekvienas iš šių veiksnių prisideda, galite paaiškinti, kodėl dvi dalys, atspausdintos pagal tą patį dizainą, gali turėti reikšmingą skirtingą paviršiaus kokybę.

Lazerinio miltelių sluoksnio sintezė (L-PBF). Tai yra vienas iš labiausiai šiandien naudojamų metalo 3D spausdinimo procesų. Jis veikia naudojant didelės-energijos lazerį, kad išlydytų metalo miltelius, kurie sluoksnis po sluoksnio kaupiasi iki galutinės detalės formos. Idealiomis sąlygomis paviršiaus šiurkštumas šiuo procesu gali būti kontroliuojamas iki maždaug Ra 10–30 μm. Pavyzdžiui, naudojant šį procesą spausdinant metalines dalis su gana paprastomis struktūromis, optimizavus parametrus galima pasiekti santykinai žemą šiurkštumo lygį. Taip yra todėl, kad lazerio energija yra gana koncentruota, todėl galima tiksliai valdyti lydalo baseino formą ir dydį. Šis tikslumas reiškia, kad milteliai kietėjant susilieja ir kaupiasi tankiau, o tai padeda tam tikru mastu sumažinti paviršiaus šiurkštumą. Tvirtai sufokusuotas lazerio spindulio pobūdis taip pat reiškia, kad gali būti sumažintas šilumos patekimas į aplinkinius, neištirpusius miltelius, sumažinant iš dalies sukepintų miltelių, kurie linkę prilipti prie spausdintos medžiagos kraštų, kiekį ir prisideda prie grubesnės apdailos.

Elektronų pluošto lydymas (EBM). Šiame procese metalo milteliams nuskaityti ir išlydyti naudojamas elektronų pluoštas. Dalys, atspausdintos naudojant šį procesą, paprastai patenka į panašų bendrą šiurkštumo diapazoną, nors rezultatai gali skirtis priklausomai nuo elektronų pluošto savybių ir naudojamos nuskaitymo strategijos. Elektronų pluoštai neša didelę energiją ir suteikia puikų fokusavimą, todėl galima labai tiksliai išlydyti ir formuoti detales. Tais atvejais, kai paviršiaus kokybės reikalavimai yra ypač griežti, tiksliai sureguliavus proceso parametrus, šiurkštumas gali sumažėti iki beveik Ra 10 μm ar net mažesnis. Verta paminėti, kad EBM paprastai atliekama esant aukštesnei-kameros temperatūrai ir vakuumo sąlygomis, o tai keičia miltelių sluoksnio elgseną, palyginti su lazeriu{9}}pagrįstais procesais - aukštesnė temperatūra sumažina šiluminį įtampą kūrimo metu, tačiau dėl to gali šiek tiek sukepti daugiau miltelių dalelių, o kartais aplink EBM paviršius yra skirtingas. šiurkštumo požymis nei L-PBF paviršių, net kai vardinės šiurkštumo vertės yra panašios.

Įvairios metalo medžiagos. Tam tikros medžiagos lydymosi temperatūra, klampumas ir kitos fizinės savybės tiesiogiai veikia takumą ir miltelių plitimą spausdinimo proceso metu, o tai savo ruožtu turi įtakos paviršiaus šiurkštumui. Pavyzdžiui, aliuminio lydiniai -, kurių lydymosi temperatūra yra santykinai žema ir geras takumas -, spausdinant lengviau užpildo tarpus ir sudaro lygius paviršius, o jų šiurkštumas paprastai gali siekti Ra 15–25 μm. Priešingai, kai kurie metalai, turintys aukštesnę lydymosi temperatūrą ir didesnį klampumą, pavyzdžiui, kai kurie aukštos temperatūros superlydiniai, spausdinimo metu gali neplisti ir susilieti taip, kaip idealiai, o jų šiurkštumas gali būti šiek tiek didesnis -, paprastai Ra 20–35 μm diapazone. Šis skirtumas yra svarbus praktikoje: detalių dizaineris, pasirinkdamas aliuminio lydinį ir nikelio pagrindu pagamintą superlydinį tam tikroms reikmėms, ne tik įvertina mechanines savybes ir atsparumą temperatūrai, bet ir netiesiogiai priima kitokią pagrindinę paviršiaus apdailą prieš atliekant bet kokį tolesnį apdorojimą.

Lydinio sudėtis. Įvairių elementų dalis lydinyje taip pat turi įtakos paviršiaus šiurkštumui. Pavyzdžiui, lydinių, kuriuose yra didesnė lengvai oksiduojamų elementų dalis, paviršiaus kokybė gali pablogėti dėl spausdinimo proceso metu vykstančios oksidacijos, o tai savo ruožtu padidina šiurkštumą. Šis efektas ypač aktualus metalo 3D spausdinimo procesams, kurie neveikia visiškai inertiškoje arba vakuuminėje aplinkoje, kur deguonies pėdsakai per kiekvieno sluoksnio lydymosi ciklą gali susikaupti į išmatuojamą poveikį gatavam paviršiui, kuris gali apimti tūkstančius atskirų sluoksnių.

Terminis apdorojimas. Tinkamas terminis apdorojimas gali sumažinti vidinį įtampą ir pagerinti detalės metalurginę struktūrą, taip sumažinant paviršiaus šiurkštumą. Po terminio apdorojimo detalės paviršius gali tapti pastebimai lygesnis, o nelygumas sumažėja keliais mikrometrais. Pavyzdžiui, atkaitinus atspausdintą metalinę dalį po pastatymo, galima patobulinti grūdėtumo struktūrą, todėl paviršiaus mikrostruktūra tampa tolygesnė. Šiurkštumą galima sumažinti nuo maždaug Ra 20 μm prieš apdorojimą iki maždaug Ra 15 μm po apdorojimo. Nors terminis apdorojimas dažniausiai taikomas siekiant sumažinti liekamąjį įtempį ir pagerinti mechanines savybes, pvz., lankstumą, jo poveikis paviršiaus šiurkštumui yra naudinga antrinė nauda, ​​- į kurią dizaineriai kartais nepastebi planuodami visą detalės apdorojimo{8}} seką, nors tai gali reikšmingai sumažinti mechaninės apdailos, reikalingos pasroviui, kiekį.

Mechaninis apdirbimas. Šiurkštumą galima žymiai sumažinti naudojant mechaninius apdorojimo metodus, tokius kaip šlifavimas ir poliravimas. Šlifuojant pašalinami paviršiaus išsikišimai ir trūkumai, pagerinamas bendras paviršiaus lygumas. Poliruojant paviršius dar labiau patobulinamas, šiurkštumas sumažėja iki kelių mikrometrų ar net mažesnio. Pavyzdžiui, po smulkaus poliravimo metalinės 3D spausdintos dalies šiurkštumas gali siekti žemiau Ra 5 μm, o tai atitinka taikomųjų programų, kurioms taikomi itin aukšti paviršiaus apdailos reikalavimai, pavyzdžiui, optinių prietaisų komponentų, reikalavimus. Tokia apdailos seka - terminis apdorojimas, siekiant stabilizuoti medžiagą, po to šlifavimas, kad būtų pašalintos stambios paviršiaus savybės, o po to poliravimas, kad būtų pasiekta galutinė paviršiaus kokybė -, rodo, kaip metalo priedų gamybos šiurkštumas retai sumažinamas vienu etapu. Vietoj to, tai paprastai apima sluoksniuotą terminio ir mechaninio apdorojimo derinį, kurių kiekvienas pašalina skirtingą paviršiaus nelygumo mastą – nuo ​​masinio įtempių sumažinimo iki mikronų{10}lygio lygumo.

Apskritai šios trys veiksnių kategorijos - proceso tipas, medžiagos savybės ir po{1}}apdorojimo metodas - sąveikauja, o ne veikia nepriklausomai. Dalis, atspausdinta naudojant L-PBF iš mažo-klampumo aliuminio lydinio su gerai-optimizuotais parametrais, jau gali pasiekti gana palankų šiurkštumą, o ta pati konstrukcija, atspausdinta iš didelio-klampumo superlydinio naudojant EBM, gali būti pradėta naudoti dar prieš pradedant bet kokį grubesnį apdorojimą. Tai reiškia, kad norint pasiekti norimą paviršiaus apdailą tam tikroje programoje, reikia ne tik nurodyti po{11}}apdorojimo etapą darbo eigos pabaigoje -, bet nuo pat pradžių reikia atsižvelgti į procesą ir medžiagos pasirinkimą, nes šie ankstesni sprendimai nustato praktines grindis ir lubas, ką gali realiai pasiekti tolesnis apdorojimas. Taikant griežtus paviršiaus apdailos reikalavimus, šių kintamųjų sąveikos supratimas leidžia inžinieriams nuo pat pradžių pasirinkti tinkamą proceso, medžiagos ir apdailos metodo derinį, o ne bandyti kompensuoti prastą pradinę paviršiaus būklę atliekant platų ir brangų tolesnio apdorojimo procesą.