Фактори који утичу на храпавост површине у металном 3Д штампању

Храпавост површине металних 3Д штампаних делова значајно варира у зависности од низа фактора и генерално се креће негде између неколико микрометара и неколико десетина микрометара. За разлику од традиционално машински обрађених делова, где је завршна обрада у великој мери функција геометрије алата и параметара сечења, производња металних адитива уводи много шири скуп варијабли - сам процес штампања, физичке карактеристике материјала који се штампа, и накнадни{3}}кораци обраде који се примењују након тога, међусобно делују како би се одредило коначно стање површине. Разумевање начина на који сваки од ових фактора доприноси помаже да се објасни зашто два дела штампана по истом дизајну могу завршити са значајно различитим квалитетом површине.

Ласер Повдер Бед Фусион (Л-ПБФ). Ово је један од најчешћих процеса металног 3Д штампања који се данас користи. Функционише коришћењем ласера ​​високе{4}}е енергије за топљење металног праха, који се затим слој по слој гради у коначни облик. У идеалним условима, храпавост површине овим процесом се може контролисати на око Ра 10–30 μм. На пример, када се штампају метални делови са релативно једноставним структурама коришћењем овог процеса, релативно ниски нивои храпавости се могу постићи када се параметри оптимизују. То је зато што је ласерска енергија прилично концентрисана, омогућавајући прецизну контролу над обликом и величином базена талине. Ова прецизност значи да се прах стапа и слаже гушће док се стврдњава, што помаже у смањењу храпавости површине до одређеног степена. Чврсто фокусирана природа ласерског зрака такође значи да се топлотни унос у околни, неотопљени прах може минимизирати, смањујући количину делимично синтерованог праха који тежи да се држи ивица штампаног елемента и доприноси грубљим завршним обрадама.

Топљење електронских зрака (ЕБМ). Овај процес користи електронски сноп за скенирање и топљење металног праха. Делови штампани овим процесом обично спадају у сличан општи опсег храпавости, мада резултати могу да варирају у зависности од карактеристика електронског снопа и коришћене стратегије скенирања. Електронски снопови носе велику енергију и нуде одличан фокус, омогућавајући високо{3}}прецизно топљење и формирање делова. У апликацијама где су захтеви за квалитет површине посебно захтевни, фино-подешавање параметара процеса може да смањи храпавост на близу Ра 10μм или чак ниже. Вреди напоменути да се ЕБМ обично изводи на повишеним температурама у-коморама за израду и под условима вакуума, што мења начин на који се слој праха понаша у поређењу са процесима заснованим на ласеру- - повишена температура смањује термички стрес током израде, али такође може да изазове више честица праха да се око једне површине мало преплићу око једне површине ЕБ-а. имају нешто другачији карактер храпавости од Л-ПБФ површина чак и када су номиналне вредности храпавости сличне.

Различити метални материјали. Тачка топљења, вискозитет и друге физичке карактеристике датог материјала директно утичу на течљивост и понашање -распршивања праха током процеса штампања, што заузврат утиче на храпавост површине. На пример, легуре алуминијума - које имају релативно ниску тачку топљења и добру течност - имају тенденцију да попуне празнине и лакше формирају глатке површине током штампања, а њихова храпавост генерално може достићи опсег од Ра 15–25 μм. Насупрот томе, неки метали са вишим тачкама топљења и већим вискозитетом, као што су одређене суперлегура на високим{8}}има, можда се неће ширити и стапати идеално током процеса штампања, а њихова храпавост може бити нешто већа - обично у опсегу Ра 20–35 μм. Ова разлика је важна у пракси: дизајнер делова који бира између легуре алуминијума и суперлегуре на бази никла-за дату примену не само да одмерава механичка својства и температурну отпорност, већ и имплицитно прихвата другачију основну завршну обраду површине пре него што се примени било каква накнадна{14}}обрада.

Састав легуре. Удео различитих елемената унутар легуре такође утиче на храпавост површине. На пример, легуре које садрже већи удео лако оксидирајућих елемената могу доживети деградацију квалитета површине услед оксидације која се дешава током процеса штампања, што заузврат повећава храпавост. Овај ефекат је посебно релевантан за процесе 3Д штампања метала који не функционишу у потпуно инертном или вакуумском окружењу, где се трагови излагања кисеонику током циклуса топљења сваког слоја могу акумулирати у мерљив ефекат на готову површину током изградње која може укључивати хиљаде појединачних слојева.

Термичка обрада. Одговарајућим топлотним третманом може се ублажити унутрашњи стрес и побољшати металуршка структура дела, чиме се смањује храпавост површине. Након термичке обраде, површина дела може постати приметно равномернија, а храпавост се смањује за неколико микрометара. На пример, жарење штампаног металног дела након израде помаже у пречишћавању структуре зрна, чинећи микроструктуру површине уједначенијом. Храпавост се може смањити са око Ра 20μм пре третмана на око Ра 15μм после. Док се топлотна обрада често примењује првенствено да би се смањила заостала напрезања и побољшала механичка својства као што је дуктилност, њен утицај на храпавост површине је корисна секундарна предност - коју дизајнери понекад превиде када планирају комплетну секвенцу накнадне{8}}обраде дела, иако може значајно да смањи количину потребне механичке завршне обраде низводно.

Механичка обрада. Значајно смањење храпавости може се постићи механичким методама обраде као што су брушење и полирање. Брушењем се уклањају избочине и несавршености површине, побољшавајући укупну равност површине. Полирање затим додатно оплемењује површину, смањујући храпавост на само неколико микрометара или чак ниже. На пример, након финог полирања, храпавост металног 3Д штампаног дела може да достигне Ра 5μм, испуњавајући захтеве апликација са изузетно високим захтевима за завршну обраду, као што су компоненте оптичких инструмената. Ова врста секвенце завршне обраде - топлотног третмана за стабилизацију материјала, након чега следи брушење да би се уклониле грубе карактеристике површине, праћено полирањем да би се постигао коначни квалитет површине - одражава како се смањење храпавости у производњи металних адитива ретко постиже у једном кораку. Уместо тога, обично укључује слојевиту комбинацију термичких и механичких третмана, од којих се сваки бави различитом скалом површинских неправилности, од растерећења напрезања до микронског{10}}углађености.

Гледано у целини, ове три категорије фактора - тип процеса, својства материјала и накнадна-метода обраде - делују уместо да делују независно. Део одштампан преко Л-ПБФ-а од легуре алуминијума ниског-вискозитета са добро-оптимизованим параметрима може већ постићи релативно повољну као-изграђену храпавост, док исти дизајн одштампан од високо-суперлегуре високог вискозитета преко ЕБМ{базне линије може да почне чак и пре него што се примени груба обрада{9}. То значи да постизање циљне завршне обраде површине за дату примену није само питање навођења корака накнадне{11}}обраде на крају радног тока -, већ захтева разматрање процеса и избора материјала од самог почетка, пошто ове одлуке на претходном нивоу постављају практичан под и плафон за оно што накнадна{13}}обрада реално може да постигне. За апликације са строгим захтевима за завршну обраду површине, разумевање интеракције ових променљивих омогућава инжењерима да изаберу праву комбинацију процеса, материјала и методе завршне обраде од самог почетка, уместо да покушавају да компензују лоше почетно стање површине кроз опсежну и скупу обраду у наставку.