Faktorer som påverkar ytjämnheten i 3D-utskrift av metall

Ytråheten hos 3D-utskrivna metalldelar varierar avsevärt beroende på en rad faktorer och ligger i allmänhet någonstans mellan några mikrometer och flera tiotals mikrometer. Till skillnad från traditionellt bearbetade delar, där ytfinishen till stor del är en funktion av verktygsgeometri och skärparametrar, introducerar metalltillverkning en mycket bredare uppsättning variabler - själva tryckprocessen, de fysiska egenskaperna hos materialet som trycks och de efter-bearbetningsstegen som tillämpas efteråt för att bestämma det slutliga yttillståndet. Att förstå hur var och en av dessa faktorer bidrar hjälper till att förklara varför två delar tryckta från samma design kan sluta med meningsfullt olika ytkvalitet.

Laser Powder Bed Fusion (L-PBF). Detta är en av de vanligaste metall 3D-utskriftsprocesserna som används idag. Det fungerar genom att använda en hög-energilaser för att smälta metallpulver, som sedan byggs upp lager för lager till den slutliga delens form. Under idealiska förhållanden kan ytjämnheten med denna process kontrolleras till runt Ra 10–30μm. Till exempel, vid utskrift av metalldelar med relativt enkla strukturer med denna process, kan relativt låga råhetsnivåer uppnås när parametrarna har optimerats. Detta beror på att laserenergin är ganska koncentrerad, vilket möjliggör exakt kontroll över formen och storleken på smältbassängen. Denna precision innebär att pulvret smälter ihop och staplas tätare när det stelnar, vilket hjälper till att minska ytjämnheten till viss del. Laserstrålens hårt fokuserade karaktär innebär också att termisk inmatning till omgivande, osmält pulver kan minimeras, vilket minskar mängden delvis sintrat pulver som tenderar att klamra sig fast vid kanterna på ett tryckt objekt och bidra till en grövre finish.

Elektronstrålesmältning (EBM). Denna process använder en elektronstråle för att skanna och smälta metallpulver. Delar som skrivs ut med denna process faller vanligtvis inom ett liknande generellt grovhetsintervall, även om resultaten kan variera beroende på elektronstrålens egenskaper och den använda skanningsstrategin. Elektronstrålar bär hög energi och erbjuder utmärkt fokus, vilket möjliggör hög-precisionssmältning och delbildning. I applikationer där ytkvalitetskraven är särskilt höga kan finjustering av processparametrar-sänka grovheten till nära Ra 10μm eller ännu lägre. Det är värt att notera att EBM vanligtvis utförs vid förhöjda byggnads-kammartemperaturer och under vakuumförhållanden, vilket förändrar hur pulverbädden beter sig jämfört med laser-baserade processer - den förhöjda temperaturen minskar termisk stress under konstruktionen, men det kan också orsaka att fler pulverpartiklar lätt sintras ihop runt en del, vilket ibland är en något ojämn kontur av EBM. tecken än L-PBF-ytor även när nominella ojämnhetsvärden är liknande.

Olika metallmaterial. Smältpunkten, viskositeten och andra fysiska egenskaper hos ett givet material påverkar direkt flytbarheten och pulver-spridningsbeteendet under tryckprocessen, vilket i sin tur påverkar ytjämnheten. Till exempel tenderar aluminiumlegeringar - som har en relativt låg smältpunkt och god flytbarhet - att fylla luckor och bilda släta ytor lättare under tryckning, och deras grovhet kan i allmänhet nå intervallet Ra 15–25μm. Däremot kan vissa metaller med högre smältpunkter och högre viskositet, såsom vissa hög-superlegeringar, inte spridas och smälta ihop så idealiskt under tryckprocessen, och deras grovhet kan vara något högre -, vanligtvis i intervallet Ra 20–35μm. Den här skillnaden spelar roll i praktiken: en deldesigner som väljer mellan en aluminiumlegering och en nickelbaserad-superlegering för en given applikation väger inte bara mekaniska egenskaper och temperaturbeständighet, utan accepterar också implicit en annan baslinjeyta innan någon efterbearbetning tillämpas.

Legeringssammansättning. Andelen olika grundämnen i en legering påverkar också ytjämnheten. Till exempel kan legeringar som innehåller en högre andel lätt oxiderade element uppleva försämring av ytkvaliteten på grund av oxidation som sker under tryckprocessen, vilket i sin tur ökar grovheten. Denna effekt är särskilt relevant för 3D-utskriftsprocesser av metall som inte fungerar i en helt inert eller vakuummiljö, där spår av syreexponering under varje lagers smältcykel kan ackumuleras till en mätbar effekt på den färdiga ytan under loppet av en konstruktion som kan involvera tusentals individuella lager.

Värmebehandling. Lämplig värmebehandling kan lindra inre spänningar och förbättra den metallurgiska strukturen hos en del, och därigenom minska ytjämnheten. Efter värmebehandling kan en dels yta bli märkbart jämnare, med grovheten reducerad med flera mikrometer. Till exempel, glödgning av en tryckt metalldel efter konstruktionen hjälper till att förfina kornstrukturen, vilket gör ytans mikrostruktur mer enhetlig. Grovheten kan reduceras från cirka Ra 20μm före behandling till cirka Ra 15μm efteråt. Även om värmebehandling ofta används främst för att lindra kvarvarande spänningar och förbättra mekaniska egenskaper såsom duktilitet, är dess effekt på ytjämnhet en användbar sekundär fördel - som designers ibland förbiser när de planerar en detaljs fullständiga efter-bearbetningssekvens, även om det på ett meningsfullt sätt kan minska mängden mekanisk efterbehandling som behövs nedströms.

Mekanisk bearbetning. Att minska grovheten avsevärt kan uppnås genom mekaniska bearbetningsmetoder som slipning och polering. Slipning tar bort ytutsprång och defekter, vilket förbättrar den övergripande planheten. Polering förfinar sedan ytan ytterligare, vilket minskar grovheten till bara några mikrometer eller ännu lägre. Till exempel, efter finpolering, kan grovheten hos en 3D-utskriven metalldel nå under Ra 5μm, vilket uppfyller kraven från applikationer med extremt höga krav på ytfinish, såsom optiska instrumentkomponenter. Denna typ av efterbehandlingssekvens - värmebehandling för att stabilisera materialet, följt av slipning för att ta bort grova ytegenskaper, följt av polering för att uppnå den slutliga ytkvaliteten - återspeglar hur grovhetsminskningen i metalltillsatstillverkning sällan uppnås genom ett enda steg. Istället involverar det vanligtvis en skiktad kombination av termiska och mekaniska behandlingar, som var och en adresserar olika skala av ytoregelbundenheter, från bulkspänningsavlastning ned till {{10}mikronnivå jämnhet.

Sammantaget samverkar dessa tre kategorier av faktorer - processtyp, materialegenskaper och efter-bearbetningsmetod - snarare än att agera oberoende. En del tryckt via L-PBF från en aluminiumlegering med låg-viskositet med väl-optimerade parametrar kan redan uppnå en relativt gynnsam som-byggd råhet, medan samma design som trycks från en superlegering med hög-viskositet via EBM kan börja från en grövre baslinje{9} redan innan någon efterbearbetning{9}} tillämpas. Detta innebär att uppnåendet av en målyta för en viss applikation inte bara är en fråga om att specificera ett-efterbearbetningssteg i slutet av arbetsflödet - det kräver att man överväger processen och materialvalet från början, eftersom dessa uppströmsbeslut sätter det praktiska golvet och taket för vad efter{13}}bearbetning realistiskt kan åstadkomma. För applikationer med strikta krav på ytfinish kan ingenjörer välja rätt kombination av process, material och ytbehandling från början, snarare än att försöka kompensera för ett dåligt initialt yttillstånd genom omfattande och kostsam nedströmsbehandling.