Factoren die de oppervlakteruwheid beïnvloeden bij 3D-printen van metaal

De oppervlakteruwheid van 3D-geprinte metalen onderdelen varieert aanzienlijk, afhankelijk van een reeks factoren, en ligt over het algemeen ergens tussen enkele micrometers en enkele tientallen micrometers. In tegenstelling tot traditioneel bewerkte onderdelen, waarbij de oppervlakteafwerking grotendeels afhankelijk is van de gereedschapsgeometrie en snijparameters, introduceert metaaladditieve productie een veel bredere reeks variabelen - het drukproces zelf, de fysieke kenmerken van het materiaal dat wordt afgedrukt en de -nabewerkingsstappen die daarna worden toegepast, werken allemaal samen om de uiteindelijke oppervlakteconditie te bepalen. Als u begrijpt hoe elk van deze factoren bijdraagt, kunt u verklaren waarom twee onderdelen die met hetzelfde ontwerp zijn geprint, een aanzienlijk verschillende oppervlaktekwaliteit kunnen opleveren.

Laserpoederbedfusie (L-PBF). Dit is een van de meest voorkomende 3D-printprocessen voor metaal die tegenwoordig worden gebruikt. Het werkt door gebruik te maken van een laser met hoge-energie om metaalpoeder te smelten, dat vervolgens laag voor laag wordt opgebouwd tot de uiteindelijke vorm van het onderdeel. Onder ideale omstandigheden kan de oppervlakteruwheid met dit proces worden geregeld tot ongeveer Ra 10–30 μm. Wanneer u bijvoorbeeld metalen onderdelen met relatief eenvoudige structuren print met dit proces, kunnen relatief lage ruwheidsniveaus worden bereikt zodra de parameters zijn geoptimaliseerd. Dit komt omdat de laserenergie redelijk geconcentreerd is, waardoor nauwkeurige controle over de vorm en grootte van het smeltbad mogelijk is. Deze precisie betekent dat het poeder dichter samensmelt en stapelt naarmate het stolt, wat de oppervlakteruwheid tot op zekere hoogte helpt verminderen. De strak gefocuste aard van de laserstraal betekent ook dat de thermische input in het omringende, niet-gesmolten poeder kan worden geminimaliseerd, waardoor de hoeveelheid gedeeltelijk gesinterd poeder wordt verminderd dat de neiging heeft zich aan de randen van een bedrukt kenmerk te hechten en bij te dragen aan een ruwere afwerking.

Elektronenbundelsmelten (EBM). Dit proces maakt gebruik van een elektronenstraal om metaalpoeder te scannen en te smelten. Onderdelen die met dit proces worden afgedrukt, vallen doorgaans binnen een vergelijkbaar algemeen ruwheidsbereik, hoewel de resultaten kunnen variëren afhankelijk van de kenmerken van de elektronenbundel en de gebruikte scanstrategie. Elektronenbundels dragen een hoge energie en bieden een uitstekende focus, waardoor smelten met hoge-precisie en onderdeelvorming mogelijk zijn. In toepassingen waar eisen aan de oppervlaktekwaliteit bijzonder veeleisend zijn, kan het fijnafstellen van procesparameters de ruwheid terugbrengen tot dichtbij Ra 10 μm of zelfs lager. Het is de moeite waard om op te merken dat EBM doorgaans wordt uitgevoerd bij verhoogde bouwkamertemperaturen en onder vacuümomstandigheden, waardoor de manier waarop het poederbed zich gedraagt verandert in vergelijking met op laser-gebaseerde processen. - De verhoogde temperatuur vermindert de thermische spanning tijdens het bouwen, maar het kan er ook voor zorgen dat meer poederdeeltjes lichtjes samensmelten rond de contouren van een onderdeel. Dit is één van de redenen waarom EBM-oppervlakken soms een iets ander ruwheidskarakter vertonen dan L-PBF-oppervlakken, zelfs als ze nominaal zijn. ruwheidswaarden zijn vergelijkbaar.

Verschillende metalen materialen. Het smeltpunt, de viscositeit en andere fysieke kenmerken van een bepaald materiaal zijn rechtstreeks van invloed op de vloeibaarheid en het -poederspreidingsgedrag tijdens het printproces, wat op zijn beurt de oppervlakteruwheid beïnvloedt. Aluminiumlegeringen - die een relatief laag smeltpunt en goede vloeibaarheid hebben - hebben bijvoorbeeld de neiging om gaten op te vullen en gemakkelijker gladde oppervlakken te vormen tijdens het printen, en hun ruwheid kan over het algemeen het bereik van Ra 15–25 μm bereiken. Daarentegen verspreiden sommige metalen met hogere smeltpunten en grotere viscositeit, zoals bepaalde superlegeringen bij hoge -temperaturen, zich mogelijk niet zoals ideaal tijdens het drukproces, en kan hun ruwheid iets hoger zijn -, doorgaans in het bereik van Ra 20–35 μm. Dit verschil is in de praktijk van belang: een onderdeelontwerper die voor een bepaalde toepassing kiest tussen een aluminiumlegering en een op nikkel-gebaseerde superlegering, weegt niet alleen mechanische eigenschappen en temperatuurbestendigheid af, maar accepteert ook impliciet een andere basisoppervlakteafwerking voordat enige na-nabewerking wordt toegepast.

Samenstelling van de legering. Het aandeel verschillende elementen in een legering heeft ook invloed op de oppervlakteruwheid. Legeringen die een groter aandeel gemakkelijk geoxideerde elementen bevatten, kunnen bijvoorbeeld verslechtering van de oppervlaktekwaliteit ervaren als gevolg van oxidatie die optreedt tijdens het drukproces, wat op zijn beurt de ruwheid verhoogt. Dit effect is met name relevant voor 3D-printprocessen voor metaal die niet in een volledig inerte of vacuümomgeving werken, waar sporen van zuurstofblootstelling tijdens de smeltcyclus van elke laag zich kunnen ophopen tot een meetbaar effect op het afgewerkte oppervlak in de loop van een constructie die duizenden afzonderlijke lagen kan omvatten.

Warmtebehandeling. Een geschikte warmtebehandeling kan de interne spanning verlichten en de metallurgische structuur van een onderdeel verbeteren, waardoor de oppervlakteruwheid wordt verminderd. Na een warmtebehandeling kan het oppervlak van een onderdeel merkbaar gelijkmatiger worden, waarbij de ruwheid met enkele micrometers wordt verminderd. Het uitgloeien van een geprint metalen onderdeel na het bouwen helpt bijvoorbeeld de korrelstructuur te verfijnen, waardoor de microstructuur van het oppervlak uniformer wordt. De ruwheid kan worden teruggebracht van ongeveer Ra 20 μm vóór de behandeling tot ongeveer Ra 15 μm daarna. Hoewel warmtebehandeling vaak in de eerste plaats wordt toegepast om restspanning te verlichten en mechanische eigenschappen zoals ductiliteit te verbeteren, is het effect ervan op de oppervlakteruwheid een nuttig secundair voordeel dat ontwerpers soms over het hoofd zien bij het plannen van de volledige nabewerkingsvolgorde van een onderdeel, ook al kan het de hoeveelheid mechanische afwerking die stroomafwaarts nodig is aanzienlijk verminderen.

Mechanische verwerking. Het aanzienlijk verminderen van de ruwheid kan worden bereikt door mechanische verwerkingsmethoden zoals schuren en polijsten. Schuren verwijdert uitsteeksels en onvolkomenheden in het oppervlak, waardoor de algehele vlakheid van het oppervlak wordt verbeterd. Door het polijsten wordt het oppervlak vervolgens verder verfijnd, waardoor de ruwheid wordt teruggebracht tot slechts enkele micrometers of zelfs lager. Na fijn polijsten kan de ruwheid van een 3D-geprint metalen onderdeel bijvoorbeeld lager zijn dan Ra 5μm, waarmee wordt voldaan aan de eisen van toepassingen met extreem hoge eisen aan de oppervlakteafwerking, zoals componenten van optische instrumenten. Dit soort afwerkingsvolgorde - warmtebehandeling om het materiaal te stabiliseren, gevolgd door schuren om grove oppervlaktekenmerken te verwijderen, gevolgd door polijsten om de uiteindelijke oppervlaktekwaliteit te bereiken - weerspiegelt hoe ruwheidsvermindering bij additieve metaalproductie zelden wordt bereikt door middel van een enkele stap. In plaats daarvan gaat het doorgaans om een ​​gelaagde combinatie van thermische en mechanische behandelingen, die elk een andere schaal van oppervlakte-onregelmatigheden aanpakken, van bulkspanningsverlichting tot micron-gladheid.

Over het geheel genomen werken deze drie categorieën factoren - procestype, materiaaleigenschappen en na- verwerkingsmethode - met elkaar samen in plaats van onafhankelijk te handelen. Een onderdeel dat is geprint via L-PBF uit een aluminiumlegering met een lage- viscositeit en goed-geoptimaliseerde parameters kan al een relatief gunstige -inbouwruwheid bereiken, terwijl hetzelfde ontwerp dat via EBM is geprint uit een superlegering met een hoge- hoge viscositeit kan beginnen met een ruwere basislijn, zelfs voordat enige na- nabewerking is toegepast. Dit betekent dat het bereiken van een beoogde oppervlakteafwerking voor een bepaalde toepassing niet eenvoudigweg een kwestie is van het specificeren van een na-verwerkingsstap aan het einde van de workflow. - Het vereist dat vanaf het begin rekening wordt gehouden met de proces- en materiaalkeuze, aangezien deze upstream-beslissingen de praktische bodem en het plafond bepalen voor wat na-realistische nabewerking realistisch gezien kan worden bereikt. Voor toepassingen met strikte eisen aan de oppervlakteafwerking zorgt het begrijpen van de interactie tussen deze variabelen ervoor dat ingenieurs vanaf het begin de juiste combinatie van proces, materiaal en afwerkingsmethode kunnen selecteren, in plaats van te proberen een slechte initiële oppervlakteconditie te compenseren door middel van uitgebreide en kostbare verwerking verderop in het proces.