Dejavniki, ki vplivajo na hrapavost površine pri 3D-tiskanju kovin

Površinska hrapavost kovinskih 3D-natisnjenih delov se precej razlikuje glede na vrsto dejavnikov in na splošno pade nekje med nekaj mikrometri in nekaj deset mikrometri. Za razliko od tradicionalno strojno obdelanih delov, kjer je končna obdelava površine v veliki meri funkcija geometrije orodja in parametrov rezanja, uvaja aditivna proizvodnja kovin veliko širši nabor spremenljivk - sam postopek tiskanja, fizikalne lastnosti materiala, ki se tiska, in naknadni -koraki obdelave, ki se uporabljajo zatem, vsi medsebojno vplivajo na določanje končnega stanja površine. Razumevanje, kako vsak od teh dejavnikov prispeva, pomaga razložiti, zakaj imata lahko dva dela, natisnjena z istim dizajnom, na koncu pomembno različno kakovost površine.

Laser Powder Bed Fusion (L-PBF). To je eden najpogostejših postopkov 3D tiskanja kovin, ki se danes uporabljajo. Deluje tako, da z visoko{4}}energijskim laserjem tali kovinski prah, ki se nato plast za plastjo sestavi v končno obliko dela. V idealnih pogojih je mogoče površinsko hrapavost s tem postopkom nadzorovati na približno Ra 10–30 μm. Na primer, pri tiskanju kovinskih delov z relativno preprostimi strukturami s tem postopkom je mogoče doseči relativno nizke ravni hrapavosti, ko so parametri optimizirani. To je zato, ker je laserska energija precej koncentrirana, kar omogoča natančen nadzor nad obliko in velikostjo bazena taline. Ta natančnost pomeni, da se prašek med strjevanjem stopi in zloži bolj gosto, kar do neke mere pomaga zmanjšati hrapavost površine. Močno fokusirana narava laserskega žarka pomeni tudi, da je mogoče minimalizirati toplotni vnos v okoliški nestopljen prah, s čimer se zmanjša količina delno sintranega prahu, ki se oprime robov natisnjenega elementa in prispeva k bolj grobemu zaključku.

Taljenje z elektronskim žarkom (EBM). Ta postopek uporablja elektronski žarek za skeniranje in taljenje kovinskega prahu. Deli, natisnjeni s tem postopkom, običajno spadajo v podobno splošno območje hrapavosti, čeprav se rezultati lahko razlikujejo glede na značilnosti elektronskega žarka in uporabljeno strategijo skeniranja. Elektronski žarki prenašajo visoko energijo in nudijo odlično ostrenje, kar omogoča visoko{3}}natančno taljenje in oblikovanje delov. V aplikacijah, kjer so zahteve glede kakovosti površine še posebej zahtevne, lahko fina-nastavitev procesnih parametrov zmanjša hrapavost na Ra 10 μm ali celo nižje. Treba je omeniti, da se EBM običajno izvaja pri povišanih temperaturah v -komori za izdelavo in pod vakuumskimi pogoji, kar spremeni obnašanje sloja prahu v primerjavi s procesi, ki temeljijo- na laserju - povišana temperatura zmanjša toplotno obremenitev med gradnjo, lahko pa tudi povzroči, da se več delcev prahu rahlo sintra skupaj okoli obrisov dela, kar je eden od razlogov, da so površine EBM včasih nekoliko drugačne hrapavost kot površine L-PBF, tudi če so nazivne vrednosti hrapavosti podobne.

Različni kovinski materiali. Tališče, viskoznost in druge fizikalne lastnosti določenega materiala neposredno vplivajo na pretočnost in razpršitev prahu-med postopkom tiskanja, kar posledično vpliva na hrapavost površine. Na primer, aluminijeve zlitine -, ki imajo relativno nizko tališče in dobro pretočnost -, med tiskanjem lažje zapolnijo vrzeli in oblikujejo gladke površine, njihova hrapavost pa lahko na splošno doseže obseg Ra 15–25 μm. Nasprotno pa se nekatere kovine z višjimi tališči in večjo viskoznostjo, kot so nekatere visoko{8}}temperaturne superzlitine, med postopkom tiskanja morda ne bodo širile in zlivale tako idealno, njihova hrapavost pa je lahko nekoliko večja - običajno v območju Ra 20–35 μm. Ta razlika je v praksi pomembna: načrtovalec delov, ki za določeno aplikacijo izbira med aluminijevo zlitino in superzlitino-na osnovi niklja, ne pretehta le mehanskih lastnosti in temperaturne odpornosti, temveč tudi implicitno sprejme drugačno osnovno površinsko obdelavo pred kakršno koli naknadno-obdelavo.

Sestava zlitine. Delež različnih elementov v zlitini vpliva tudi na hrapavost površine. Na primer, zlitine, ki vsebujejo večji delež zlahka oksidiranih elementov, lahko občutijo poslabšanje kakovosti površine zaradi oksidacije, ki se pojavi med postopkom tiskanja, kar posledično poveča hrapavost. Ta učinek je še posebej pomemben za postopke 3D-tiskanja kovin, ki ne delujejo v popolnoma inertnem ali vakuumskem okolju, kjer se lahko izpostavljenost kisiku v sledovih med ciklom taljenja vsake plasti kopiči v merljiv učinek na končni površini med gradnjo, ki lahko vključuje na tisoče posameznih plasti.

Toplotna obdelava. Ustrezna toplotna obdelava lahko razbremeni notranje napetosti in izboljša metalurško strukturo dela ter tako zmanjša hrapavost površine. Po toplotni obdelavi lahko površina dela postane opazno bolj enakomerna, hrapavost pa se zmanjša za nekaj mikrometrov. Na primer, žarjenje natisnjenega kovinskega dela po izdelavi pomaga izboljšati zrnato strukturo, zaradi česar je mikrostruktura površine bolj enotna. Hrapavost se lahko zmanjša s približno Ra 20 μm pred obdelavo na približno Ra 15 μm po njej. Medtem ko se toplotna obdelava pogosto uporablja predvsem za lajšanje preostale napetosti in izboljšanje mehanskih lastnosti, kot je duktilnost, je njen učinek na površinsko hrapavost uporabna sekundarna prednost -, ki jo oblikovalci včasih spregledajo pri načrtovanju celotnega zaporedja obdelave po-delu, čeprav lahko pomembno zmanjša količino mehanske končne obdelave, potrebne na koncu.

Mehanska obdelava. Znatno zmanjšanje hrapavosti je mogoče doseči z mehanskimi metodami obdelave, kot sta brušenje in poliranje. Brušenje odstrani površinske izbokline in nepopolnosti ter izboljša splošno ravnost površine. Poliranje nato dodatno izboljša površino, tako da se hrapavost zmanjša na le nekaj mikrometrov ali celo nižje. Na primer, po finem poliranju lahko hrapavost kovinskega 3D-natisnjenega dela doseže pod Ra 5 μm, kar ustreza zahtevam aplikacij z izjemno visokimi zahtevami glede končne površine, kot so komponente optičnih instrumentov. Ta vrsta zaključnega zaporedja - toplotna obdelava za stabilizacijo materiala, ki ji sledi brušenje za odstranitev bruto površinskih značilnosti, čemur sledi poliranje za doseganje končne kakovosti površine - odraža, kako je zmanjšanje hrapavosti pri proizvodnji kovinskih dodatkov le redko doseženo z enim samim korakom. Namesto tega običajno vključuje večplastno kombinacijo toplotnih in mehanskih obdelav, pri čemer vsaka obravnava drugačen obseg površinskih nepravilnosti, od razbremenitve velike napetosti do mikronske -gladkosti.

Gledano kot celota, te tri kategorije dejavnikov - vrsta postopka, lastnosti materiala in post{1}}metoda obdelave - medsebojno delujejo, namesto da delujejo neodvisno. Del, natisnjen prek L-PBF iz aluminijeve zlitine z nizko-viskoznostjo z dobro-optimiziranimi parametri, lahko že doseže razmeroma ugodno kot-zgrajeno hrapavost, medtem ko se enaka zasnova, natisnjena iz visoko-superzlitine viskoznosti prek EBM, lahko začne z bolj grobo osnovno linijo, še preden je kakršna koli naknadna-obdelava uporabljeno. To pomeni, da doseganje ciljne končne obdelave površine za določeno aplikacijo ni zgolj stvar določanja koraka naknadne-obdelave na koncu delovnega toka - zahteva upoštevanje postopka in izbire materiala od samega začetka, saj te predhodne odločitve določajo praktično spodnjo in zgornjo mejo za to, kar lahko naknadna-obdelava realno doseže. Za aplikacije s strogimi zahtevami glede končne obdelave površine razumevanje, kako te spremenljivke medsebojno delujejo, omogoča inženirjem, da že od samega začetka izberejo pravo kombinacijo postopka, materiala in metode končne obdelave, namesto da poskušajo nadomestiti slabo začetno stanje površine z obsežno in drago nadaljnjo obdelavo.