Почему поверхность металлических деталей, напечатанных на 3D-принтере, относительно шероховатая?

一, Характеристики порошка: причина мелких дефектов
1. Двойной эффект распределения частиц порошка по размерам.
Исследование, проведенное Университетом Страны Басков в Испании, продемонстрировало линейную корреляцию между шероховатостью поверхности и наименьшим размером частиц (D10) в гранулометрическом составе порошка: уменьшение значения D10 соответствует уменьшению шероховатости. Например, когда D10 в партии порошка снижается с 25 мкм до 11 мкм, шероховатость поверхности деталей может снизиться с 60 мкм до менее 40 мкм. Но это работает только для мелких порошков. Когда размер частиц порошка превышает D50, не имеет значения, насколько он грубый.
2. «Эффект снежного кома» прилипания порошка к вещам
В процессе 3D-печати частично расплавленный мелкий порошок прилипает к поверхности изделия, образуя неровности, похожие на «снежки». Металлографические исследования показывают, что микроструктура этих клеевых порошков соответствует телу компонентов, что позволяет предположить, что они получены непосредственно из исходной партии порошка. Например, при использовании порошка с D50=45 мкм диаметр поверхностного клеевого порошка может достигать 33–47 мкм, что значительно увеличивает шероховатость.
3. Самое важное о сферичности порошка
Если порошок не очень сферический, он может рассыпаться неравномерно и образовать рыхлый слой с пористостью до 10%. Эти поры будут улавливать порошок, который еще не расплавился, и на протяжении всего процесса лазерной плавки образовывать дефекты на поверхности. Исследования показали, что использование порошков со сферичностью более 95% может уменьшить шероховатость поверхности более чем на 30%.
2. Параметры печати: хороший баланс управления процессом.
1. Конфликт между плотностью энергии и разбрызгиванием
High energy density (>100 Дж/мм³) может улучшить течение расплавленной ванны, но также может вызвать отскок паров металла, что приведет к разбрызгиванию расплавленного металла. Эти капли охлаждаются и превращаются в сферические частицы, которые прилипают к поверхности деталей, делая их на 50–80 % шероховатыми. Например, при печати Inconel 718 количество брызг на поверхности увеличивается в три раза, когда плотность энергии увеличивается с 80 Дж/мм³ до 120 Дж/мм³.
2. Влияние толщины слоев и текстуры затвердевания друг на друга.
Одним из основных факторов, влияющих на шероховатость, является толщина слоев. Высота шероховатости поверхности, обусловленная эффектом ступенек, может составлять от 10 до 25 мкм при толщине слоя от 20 до 50 мкм. Кроме того, угол, под которым лазер падает на поверхность, оказывает большое влияние на текстуру затвердевания. Например, в области, наиболее удаленной от центра печати, когда отклонение угла превышает 15 градусов, шероховатость поверхности увеличится на 40%, поскольку ванна расплава затвердевает неравномерно.
3. Возможности для улучшения подхода к сканированию
Стандартный односторонний-метод сканирования оставляет полосы на поверхности детали через равные промежутки времени. Однако использование шахматного или спирального сканирования может разрушить этот рисунок и сделать распределение шероховатостей более равномерным. Например, при печати титановым сплавом метод спирального сканирования снижает стандартное отклонение шероховатости поверхности с 8 мкм до 3 мкм.
3. Технология пост-обработки: новый способ отделки поверхностей
1. Ограничения механической обработки
Традиционная механическая обработка, такая как фрезерование на станке с ЧПУ, не очень хорошо работает со сложными структурами внутренних полостей и может не работать с облегченной конструкцией 3D-печати. Например, при фрезеровании тазобедренных имплантатов с решетчатой ​​системой припуск на обработку должен составлять не менее 0,5 мм, что увеличивает вес на 15–20 %.
2. Микроскопический контроль химической полировки.
Путем избирательного растворения поверхностных микровыступов химическая полировка может обеспечить наномасштабный контроль точности. При печати кобальт-хромовым сплавом химическая полировка совмещенным раствором азотной и соляной кислот позволяет снизить шероховатость поверхности с 12 мкм до 0,8 мкм без повреждения структуры решетки. Но при таком подходе необходимо внимательно следить за температурой (± 2 градуса) и концентрацией раствора (± 0,5%). В противном случае он может слишком сильно подвергнуться коррозии.
3. Новые способы лазерной полировки.
Технология двойной лазерной синхронной полировки сочетает в себе основной лазер для изготовления деталей и вторичный лазер (наносекундный импульс) для удаления остатков порошка с поверхности в режиме реального времени. Это может сделать поверхность на 70% более гладкой. Этот метод, например, позволяет снизить шероховатость печати на нержавеющей стали с 7 мкм до 2 мкм без каких-либо дополнительных усилий. Но оборудование стоит в 3–5 раз дороже обычных 3D-принтеров, что затрудняет его использование в больших масштабах.
4. Прорыв внутренней полости при абразивной обработке.
Абразивная обработка потоком (AFM) имеет особые преимущества для сложных структур с внутренними полостями. Забивая полутвердую среду с абразивными частицами карбида кремния во внутреннюю полость под высоким давлением, можно избавиться от заусенцев и сделать поверхность более гладкой. AFM снижает шероховатость поверхности внутренней полости с 50 мкм до 5 мкм при печати топливных форсунок авиационных двигателей. Это также обеспечивает гладкость канала подачи топлива.
4. Отраслевая практика: переход от лаборатории к фабрике
1. Новые открытия в области аэрокосмической техники
GE Aviation производит топливные форсунки для двигателей LEAP, используя технологию SLM и обработку HIP (горячее изостатическое прессование). Это снижает пористость с 0,8% до 0,02% и увеличивает усталостную долговечность в три раза. За счет точной-настройки метода сканирования и толщины слоя (30 мкм) шероховатость поверхности поддерживается в пределах Ra12 мкм, что соответствует стандартам, установленным авиационной промышленностью.
2. Индивидуальный спрос на медицинское оборудование.
Компания Johnson&Johnson Medical разработала композитный процесс 3D-печати имплантатов тазобедренного сустава, который сочетает в себе вакуумный отжиг и химическую полировку. Вакуумный отжиг снимает остаточное напряжение, а затем используется полирующий раствор на основе лимонной кислоты-, чтобы сгладить поверхность от Ra50 мкм до Ra0,8 мкм, сохраняя при этом ее биосовместимость. Этот метод обеспечивает усталостный срок службы имплантата более 20 лет, что больше, чем необходимо в клинических условиях.
3. Энергетические устройства, способные работать в очень суровых условиях.
Siemens производит лопатки газовых турбин, используя технологию направленной рекристаллизации и обработку твердым раствором. Это снижает скорость ползучести жаропрочных-сплавов на основе никеля на 80 %. Путем регулирования температурного градиента (при скорости вытяжки 2,5 мм/ч при температуре 1235 градусов) была создана столбчатая кристаллическая структура, которая находилась на одной линии с осью напряжений. Это увеличило усталостную долговечность на 650 градусов.