Prečo je povrch kovových 3D tlačených dielov pomerne drsný?

一, Vlastnosti prášku: príčina drobných nedostatkov
1. Dvojitý efekt distribúcie veľkostí práškových častíc
Štúdia vykonaná Univerzitou v Baskicku v Španielsku preukázala lineárnu koreláciu medzi drsnosťou povrchu a najmenšou veľkosťou častíc (D10) v distribúcii veľkosti častíc prášku: zníženie hodnoty D10 zodpovedá zníženiu drsnosti. Keď napríklad D10 v dávke prášku klesne z 25 μm na 11 μm, drsnosť povrchu dielov môže klesnúť zo 60 μm na menej ako 40 μm. Ale to funguje len pre jemné prášky. Keď je veľkosť častíc prášku väčšia ako D50, nezáleží na tom, aká je drsnosť.
2. „Efekt snehovej gule“ prilepenia prášku na veci
Počas procesu 3D tlače sa jemný prášok, ktorý bol čiastočne roztopený, prilepí na povrch predmetu a vytvorí hrbolčeky, ktoré vyzerajú ako „snehové gule“. Metalografický výskum odhaľuje, že mikroštruktúra týchto lepiacich práškov sa zhoduje s telom komponentov, čo naznačuje, že pochádzajú priamo z pôvodnej šarže prášku. Napríklad pri použití prášku s D50=45 μm môže priemer prášku povrchového lepidla dosiahnuť 33–47 μm, čo výrazne zvyšuje drsnosť.
3. Najdôležitejšia vec o sférickosti prášku
Ak prášok nie je príliš guľovitý, môže sa nerovnomerne rozprestrieť a vytvoriť sypkú vrstvu s pórovitosťou do 10 %. Tieto póry zachytia prášok, ktorý sa ešte neroztopil, a počas procesu tavenia laserom spôsobia povrchové chyby. Štúdie ukázali, že použitie práškov so sféricitou presahujúcou 95 % môže znížiť drsnosť povrchu o viac ako 30 %.
2, Parametre tlače: Dobrá rovnováha kontroly procesu
1. Konflikt medzi hustotou energie a striekaním
High energy density (>100 J/mm³) môže zlepšiť prietok roztaveného bazéna, ale môže tiež spôsobiť spätné odrazy kovových pár, čo spôsobí rozstrekovanie roztaveného kovu. Tieto kvapôčky sa ochladzujú a menia sa na guľovité častice, ktoré sa prilepia na povrch dielov, čím sú o 50 % až 80 % drsnejšie. Napríklad pri tlači s Inconel 718 sa počet postriekania povrchu trikrát zvýši, keď hustota energie prejde z 80 J/mm ³ na 120 J/mm ³.
2. Vplyv hrúbky vrstiev a textúry tuhnutia na sebe
Jednou z hlavných vecí, ktoré ovplyvňujú drsnosť, je hrúbka vrstiev. Výška drsnosti povrchu spôsobená stupňovitým efektom môže byť od 10 μm do 25 μm pri hrúbke vrstvy od 20 μm do 50 μm. Taktiež uhol, pod ktorým laser dopadá na povrch, má veľký vplyv na textúru tuhnutia. Napríklad v oblasti najvzdialenejšej od tlačového centra, keď je uhlová odchýlka väčšia ako 15 stupňov, drsnosť povrchu sa zvýši o 40 %, pretože tavenina nestuhne rovnomerne.
3. Priestor na zlepšenie prístupu skenovania
Štandardný-spôsob jednosmerného skenovania zanechá na povrchu dielu v pravidelných intervaloch pruhy. Použitie šachovnicového alebo špirálového skenovania však môže rozbiť tento vzor a urobiť rozloženie drsnosti rovnomernejšie. Napríklad pri tlači s titánovou zliatinou metóda špirálového skenovania znižuje štandardnú odchýlku drsnosti povrchu z 8 μm na 3 μm.
3, post-technológia spracovania: nový spôsob dokončovania povrchov
1. Hranice mechanického spracovania
Tradičné mechanické spracovanie, ako je CNC frézovanie, nefunguje dobre s komplikovanými štruktúrami vnútorných dutín a nemusí dobre fungovať s ľahkým dizajnom 3D tlače. Napríklad pri frézovaní bedrových implantátov pomocou mriežkových systémov je potrebné dodržať prídavok na obrábanie najmenej 0,5 mm, čo zvyšuje hmotnosť o 15 % až 20 %.
2. Mikroskopická kontrola chemického leštenia
Selektívnym rozpúšťaním povrchových mikropíkov môže chemické leštenie dosiahnuť presnú kontrolu nanometrov. Pri tlači so zliatinou kobaltu a chrómu môže chemické leštenie kombinovaným roztokom kyseliny dusičnej a kyseliny chlorovodíkovej znížiť drsnosť povrchu z 12 μm na 0,8 μm bez poškodenia mriežkovej štruktúry. Pri tomto prístupe je však potrebné pozorne sledovať teplotu (± 2 stupne) a koncentráciu roztoku (± 0,5 %). Ak nie, môže príliš korodovať.
3. Nové spôsoby využitia laserového leštenia
Technológia duálneho laserového synchrónneho leštenia kombinuje hlavný laser na vytváranie dielov a sekundárny laser (nanosekundový impulz) na odstránenie zvyškov prášku z povrchu v reálnom čase. Vďaka tomu môže byť povrch o 70 % hladší. Táto metóda napríklad znižuje drsnosť tlače z nehrdzavejúcej ocele zo 7 μm na 2 μm bez ďalšej práce. Zariadenie však stojí 3 až 5-krát toľko ako bežné 3D tlačiarne, čo sťažuje jeho použitie vo veľkom meradle.
4. Prerazenie vnútornej dutiny pri abrazívnom prietokovom obrábaní
Abrazívne prietokové obrábanie (AFM) má špeciálne výhody pre komplikované štruktúry vnútorných dutín. Keď do vnútornej dutiny zatlačíte polotuhé médium-s abrazívnymi časticami karbidu kremíka pod vysokým tlakom, môžete sa zbaviť otrepov a povrch bude hladší. AFM znižuje drsnosť povrchu vnútornej dutiny z 50 μm na 5 μm pri tlači palivových trysiek leteckých motorov. Tiež udržuje kanál prietoku paliva hladký.
4, Priemyselná prax: Presun z laboratória do továrne
1. Nové objavy v oblasti letectva
GE Aviation vyrába palivové dýzy pre motory LEAP pomocou technológie SLM a úpravy HIP (hot isostatic pressing). To znižuje pórovitosť z 0,8 % na 0,02 % a trojnásobne zvyšuje únavovú životnosť. Jemným-vyladením skenovacieho prístupu a hrúbky vrstvy (30 μm) sa drsnosť povrchu udržiava v rozmedzí Ra12 μm, čo spĺňa normy stanovené leteckým priemyslom.
2. Prispôsobený dopyt po zdravotníckych pomôckach
Spoločnosť Johnson&Johnson Medical vytvorila kompozitný proces pre 3D-vytlačené implantáty bedrového kĺbu, ktorý kombinuje vákuové žíhanie a chemické leštenie. Vákuové žíhanie odstráni zvyškové napätie a potom sa použije leštiaci roztok na báze kyseliny citrónovej- na vyhladenie povrchu z Ra50 μm na Ra0,8 μm pri zachovaní jeho biokompatibility. Táto metóda dáva implantátu únavovú životnosť viac ako 20 rokov, čo je viac, ako je potrebné v klinickom prostredí.
3. Energetické zariadenia, ktoré môžu pracovať vo veľmi drsnom prostredí
Spoločnosť Siemens vyrába lopatky plynových turbín pomocou technológie smerovej rekryštalizácie a spracovania tuhým roztokom. To znižuje rýchlosť tečenia vysokoteplotných zliatin na -niklovej báze- o 80 %. Reguláciou teplotného gradientu (pri rýchlosti ťahania 2,5 mm/h pri 1235 stupňoch) sa vytvorila stĺpcová kryštálová štruktúra, ktorá bola v súlade s osou napätia. Tým sa zvýšila únavová životnosť pri 650 stupňoch.