Tot welk niveau kan polijsten het oppervlak van 3D-printen met metaal tillen?

1. Oppervlakteruwheid: een sprong van micrometers naar nanometers
Oppervlakteruwheid is een belangrijke maatstaf voor de kwaliteit van het oppervlak van een onderdeel. Het heeft een direct effect op hoe goed het bestand is tegen corrosie, hoe goed het werkt met wrijving en hoe goed het werkt met licht. De procesinstellingen, het type materiaal en de printrichting hebben allemaal een grote invloed op hoe ruw de metalen 3D-geprinte onderdelen in eerste instantie zijn. De oppervlakteruwheid van onderdelen van titaniumlegering die zijn gemaakt met de laserpoederbedsmeltmethode (LPBF) kan bijvoorbeeld oplopen tot Ra15–20 μm, gemeten in de printrichting. Gemeten langs de printrichting kan de ruwheid echter zo laag zijn als Ra8–12 μm, omdat de lagen elkaar nauwer overlappen. Polijsten kan het oppervlak veel gladder maken:
Mechanisch polijsten: Met behulp van geautomatiseerde polijstmachines en diamantschuurmiddelen kan de oppervlakteruwheid van onderdelen van aluminiumlegeringen gemaakt met de BJ-methode (lijmspuiten) worden verlaagd van Ra2,4 μm naar Ra0,8 μm of minder, wat goed genoeg is voor de meeste mechanische assemblageklussen. Voor hoge-precisiebehoeften, zoals steunen voor optische spiegels, kan polijsten in meerdere- fasen (grof polijsten → fijn polijsten → ultrafijn polijsten) de oppervlakteruwheid verlagen tot Ra0,05 μm, wat dichtbij het niveau ligt van typisch spiegelslijpen.
Chemisch polijsten: Deze methode maakt gebruik van zure of alkalische oplossingen om oneffenheden op het oppervlak selectief op te lossen. Het werkt goed op ingewikkelde interne holtestructuren. De oppervlakteruwheid van 316L roestvrijstalen cardiovasculaire stents ging bijvoorbeeld van Ra6 μm ​​naar Ra0,2 μm na chemisch polijsten. Hierdoor werden de microbolletjes-achtige hechtingen die zich tijdens het printen vormden, verwijderd, waardoor het risico op trombose werd verkleind.
Laserpolijsten: het gebruik van krachtige laserstralen om oppervlaktematerialen in een klein gebied te smelten en vervolgens de oppervlaktespanning van het vloeibare metaal het werk te laten doen om het glad te strijken. Uit onderzoek blijkt dat na vijf laserscans van 316L roestvrijstalen componenten geproduceerd met behulp van de SLM-methode de oppervlakteruwheid afnam van Sa21 μm naar Sa1 μm, wat een reductiepercentage van 96% opleverde, zonder dat er een ondergrondse schadelaag ontstond die te wijten was aan mechanisch polijsten.
2. Microstructuur: verbetering van fouten naar verdichting
Polijsten zorgt er niet alleen voor dat het oppervlak er beter uitziet, maar maakt het materiaal ook sterker door kleine oneffenheden weg te werken:
Scheursluiting: Microscheurtjes die ontstaan ​​wanneer metaal 3D-printen te snel afkoelt, kunnen gedeeltelijk worden gesloten door mechanische polijstdruk. Na vibratiepolijsten daalde de oppervlaktebreukdichtheid van een bepaalde turbineschoep van een vliegtuigmotor bijvoorbeeld met 40%, en ging de levensduur bij hoge cyclusvermoeidheid met 25% omhoog.
Het vrijgeven van restspanning: Chemisch polijsten verlicht de resterende trekspanning door de oppervlaktelaag af te breken, waardoor scheuren door spanningscorrosie worden voorkomen. De beitsbehandeling van TC4-onderdelen van titaniumlegering toonde aan dat de restspanning op het oppervlak daalde van -150 MPa naar -50 MPa, en dat de corrosiesnelheid door zoutnevel met 60% daalde.
Laserpolijsten kan het opnieuw smelten van het oppervlak veroorzaken, waardoor de korrelgrootte uniformer kan worden. Onderzoek naar de hogetemperatuurlegering Inconel 718 geeft aan dat laserpolijsten de korrelgrootte van het oppervlak verfijnt van 50 μm tot 10 μm, de hardheid met 15% verbetert en de gewichtstoename door oxidatie bij 650 graden met 30% verlaagt.
3. Functionele prestaties: van basis naar high-end-
De verbetering van de oppervlaktekwaliteit na het polijsten houdt rechtstreeks verband met de optimalisatie van functionele prestaties:
Verbeterde slijtvastheid: Gladdere oppervlakken kunnen het minder waarschijnlijk maken dat kleine convexe entiteiten elkaar op het contactoppervlak raken. De wrijvingstest op GCr15-dragende stalen componenten gaf aan dat het polijsten van het oppervlak van Ra1,6 μm naar Ra0,2 μm ervoor zorgde dat de wrijvingscoëfficiënt daalde van 0,15 naar 0,08 en dat de slijtage met 70% daalde.
Betere weerstand tegen corrosie: een glad oppervlak maakt het moeilijker voor bijtende stoffen om te hechten, en de passivatiefilm die ontstaat tijdens het chemisch polijsten zorgt voor nog meer bescherming. Na elektrochemisch polijsten daalde de corrosiestroomdichtheid van 304 roestvrijstalen onderdelen in een 3,5% NaCl-oplossing van 1,2 × 10 ⁻⁵ A/cm ² naar 2,5 × 10 ⁻⁶ A/cm ², en ging de weerstand tegen putcorrosie vijf keer omhoog.
Verbeterde optische prestaties: Onderzoek naar het polijsten van spiegels van AlSi10Mg-aluminiumlegeringen toont aan dat wanneer de oppervlakteruwheid wordt verlaagd van Ra3,2 μm naar Ra0,05 μm, de reflectie van zichtbaar licht stijgt van 85% naar 92%, wat lasercommunicatiesystemen nodig hebben.
4. Industrietoepassing: verhuizing van het laboratorium naar de fabriek
De polijsttechniek wordt op grote schaal toegepast in domeinen die strenge normen voor de oppervlaktekwaliteit vereisen:
Lucht- en ruimtevaart: Laserpolijsten wordt gebruikt op een bepaald type raketmotormondstuk om het oppervlak minder ruw te maken, van Ra12 μm tot Ra0,8 μm. De levensduur van de thermische cyclus in een gesimuleerde ruimteomgeving (temperatuurbereik: -180 graden tot 300 graden) is verhoogd van 50 naar 200 keer.
Medische implantaten: Na chemisch polijsten ging de oppervlakteruwheid van de heupgewrichtsprothese van titaniumlegering van Ra8 μm naar Ra0,5 μm. Hierdoor bleven de cellen 40% beter aan de implantaten plakken en integreerden de botten er 30% sneller mee.
Precisievorm: Na het polijsten met vormadaptief slijpen (SAG) daalt de oppervlakteruwheid van de kern van de auto-spuitgietmatrijs tot Ra0,02 μm, de levensduur van de matrijs gaat van 100.000 keer naar 500.000 keer en de oppervlakteglans van het product gaat met 2 niveaus omhoog.