Общие методы-обработки и отделки металлических деталей, напечатанных на 3D-принтере

Металлические детали, напечатанные на 3D-принтере, редко покидают сборочную камеру в окончательном пригодном для использования состоянии. Поскольку-напечатанные поверхности обычно имеют видимые линии слоев, спеченные или частично расплавленные частицы порошка и поддерживают-следы структуры, которые необходимо устранить, прежде чем деталь будет готова к функциональному использованию, сборке или эстетическому представлению. Обычные методы отделки металлических 3D-печатных деталей включают ручное шлифование, пескоструйную обработку, галтовку, вибрационное/центробежное шлифование, абразивную обработку (экструдированное хонингование), гальванику и электрополировку, а также прецизионную обработку, шлифовку и электроэрозионную обработку (электроэрозионную обработку). Особенности каждого метода описаны ниже.

При шлифовании используются такие инструменты, как наждачная бумага и напильники, для механического шлифования поверхности детали непосредственно вручную, что может значительно улучшить шероховатость поверхности. Качество поверхности отшлифованных деталей улучшается в три-пять раз, и этот метод особенно эффективен при удалении линий слоев, острых краев и других локализованных дефектов поверхности, оставшихся в процессе печати. Ручное шлифование является гибким -, оператор может сосредоточить внимание именно там, где это необходимо, работая со сложной геометрией, которую могут с трудом достичь автоматизированные процессы, -, но это сравнительно трудоемкий-интенсивный и медленный процесс. По этой причине он, как правило, лучше всего подходит для небольших производственных партий или для целенаправленной, локализованной обработки конкретных особенностей детали, а не для общей обработки всего производственного цикла.

При пескоструйной очистке сжатый воздух перемещает абразивную среду - из оксида алюминия, шарики из нержавеющей стали или стеклянные шарики, среди других вариантов -, на поверхность детали с высокой скоростью, создавая равномерную матовую или глянцевую поверхность в зависимости от выбранного материала. К его преимуществам относятся:

Быстрое удаление царапин на поверхности и следов инструментов, оставшихся в процессе сборки;

Точность размеров детали не изменяется, обработка обычно занимает всего несколько минут;

Регулируемая интенсивность обработки посредством контроля давления воздуха - более низкое давление можно использовать для изменения цвета и внешнего вида поверхности, а более высокое давление позволяет удалить заусенцы с острых кромок и небольших выступов.

Пескоструйная обработка хорошо подходит для серийной обработки деталей сложной геометрии, поскольку рисунок распыления может проникать в углубления и вокруг контуров, к которым трудно получить доступ с помощью жестких абразивных инструментов, что делает ее одним из наиболее универсальных и широко используемых методов отделки металлических деталей AM.

При галтовке детали соединяются с абразивным материалом -, таким как керамический материал или стальной материал -, внутри вращающегося барабана или бочки, где механическое трение между деталями и материалом со временем сглаживает поверхность. К основным характеристикам этого метода относятся:

Он лучше всего подходит для деталей с относительно простой геометрией, таких как детали цилиндрической или блочной-формы, где опрокидывающее действие может обеспечить постоянный контакт по всей поверхности;

Одновременно можно обрабатывать несколько деталей, что обеспечивает относительно высокую производительность метода при серийной отделке;

Его эффективность на внутренних поверхностях или сложных структурах ограничена, поскольку опрокидывающаяся среда может быть не в состоянии проникнуть во внутренние каналы, глубокие углубления или сложные решетчатые структуры -, что является реальным ограничением, учитывая, как часто металлический АМ используется именно для создания такой внутренней геометрии.

При вибрационном и центробежном шлифовании используются центробежные дисковые или цилиндрические системы, в которых центробежная сила прижимает абразивный материал к поверхности детали, обеспечивая высокую-энергию и большой-объем чистовой обработки. Его основные преимущества включают в себя:

Быстрое удаление материала, что делает его пригодным для операций полировки, удаления заусенцев и-закругления кромок;

Пригодность для серийной обработки мелких деталей, хотя использование специального оборудования требует сравнительно более высоких первоначальных затрат, чем более простые методы, такие как шлифование или галтовка.

Поскольку в этом процессе энергия концентрируется более интенсивно, чем при стандартном галтовании, он позволяет за считанные минуты достичь того, на что при обычном галтовке могут уйти часы, что делает его привлекательным для производственных сред, где производительность имеет такое же значение, как и качество поверхности.

Абразивная обработка потоком, также известная как экструзионное хонингование, использует гидравлический поршень, который проталкивает вязкую абразивную среду -, насыщенную мелкими абразивными частицами -, вперед и назад через внутренние поверхности заготовки, такие как отверстия, каналы или полости, достигая точной формы изнутри наружу. К характеристикам этого метода относятся:

Точный контроль геометрии внутренней поверхности, позволяющий формировать одинаковые радиусы или удалять заусенцы во внутренних каналах;

Ярким примером является применимость к областям, в которых традиционным процессам полировки трудно или невозможно достичь - внутренних каналов и сложных полостей, а также к области, где 3D-печать металлом часто создает геометрию, к которой обычная чистовая обработка просто не может получить доступ;

Контролируемое удаление материала, хотя время обработки обычно больше, чем при использовании методов механической обработки поверхности, поскольку для достижения желаемой отделки абразивный поток необходимо многократно пропускать через деталь.

При гальванике используется электрический ток для осаждения ионов металлов из раствора -, таких как золото, серебро или хром -, на поверхность детали, образуя тонкий функциональный или декоративный слой. Его основные цели включают улучшение износостойкости, коррозионной стойкости, электропроводности и общего внешнего вида, что делает его распространенным выбором, когда металлической детали AM необходимы функциональные свойства, выходящие за рамки тех, которые может обеспечить сам базовый печатный материал.

Электрополировка, напротив, использует электрический ток для растворения материала с поверхности детали, уменьшая шероховатость поверхности за счет сглаживания микроскопических выступов и впадин. Он особенно хорошо подходит для полировки деталей неправильной формы, где механическим полировальным инструментам сложно поддерживать равномерный контакт, и может значительно улучшить внешний вид поверхности и уменьшить дефекты поверхности,-связанные с трением.

Оба процесса требуют тщательного контроля плотности тока и состава электролита для достижения стабильных и повторяемых результатов. Ключевое различие между ними заключается в том, что гальваническое покрытие — это аддитивный процесс -, материал наносится на поверхность -, а электрополировка — это субтрактивный процесс, - материал удаляется с поверхности. Понимание этого различия имеет значение на практике, поскольку выбор неправильного варианта для данного требования допуска может либо увеличить нежелательную толщину, либо удалить больше материала, чем может выдержать припуск на размеры детали.

При механической обработке и шлифовании используются фрезерные, токарные станки и подобное оборудование с ЧПУ, позволяющее напрямую отрезать материал от детали, обеспечивая высокую-точность контроля размеров и формы. Поверхностная обработка, достигаемая с помощью этого метода, может достигать Ra менее 0,8 мкм — уровень гладкости, которого большинство поверхностей с -печатью или носителем{4}}не могут быть достигнуты сами по себе.

Электроэрозионная обработка (EDM) использует электрический искровой разряд между электродом и заготовкой для эрозии материала, что делает ее хорошо подходящей для чистовой обработки закаленных сплавов или сложных внутренних полостей, до которых трудно добраться режущим инструментом. Его основным недостатком является скорость обработки, которая обычно значительно ниже, чем при обычной обработке.

Как механическая обработка/шлифование, так и электроэрозионная обработка требуют специального оборудования и квалифицированных операторов и обычно предназначены для деталей со строгими требованиями к допускам. - Компоненты аэрокосмической отрасли являются показательным примером, где точность размеров и целостность поверхности напрямую влияют на производительность детали и запас прочности.

Выбор правильного метода отделки металлической 3D-печатной детали зависит от структурной геометрии детали, требований к точности и масштаба производства. Механические методы, такие как шлифование и пескоструйная обработка, хорошо подходят для быстрой обработки поверхности общего-целя, где время выполнения работ имеет большее значение, чем достижение максимально жестких допусков. Химические и электрохимические методы, такие как гальванополировка и гальваника, обычно выбираются для улучшения функциональных характеристик - коррозионной стойкости, проводимости или характеристик износа -, а не просто по косметическим причинам. Высокоточные-процессы, такие как механическая обработка и электроэрозионная обработка, предназначены для деталей, которые должны соответствовать строгим требованиям по допускам, где дополнительные затраты и время обработки оправданы критичностью применения.

В реальном-мировом производстве принято комбинировать несколько таких методов в рамках одного рабочего процесса чистовой обработки -, например, пескоструйную обработку детали для удаления поверхностной окалины и выравнивания ее внешнего вида с последующей целенаправленной механической обработкой критически важных сопрягаемых поверхностей и финишную обработку электрополировкой для достижения гладкой поверхности и повышения коррозионной стойкости готового компонента. Такой многоуровневый подход позволяет производителям сбалансировать затраты, производительность и качество конечной детали, а не полагаться на какой-то один метод пост-обработки для одновременного удовлетворения всех требований.