Факторы, влияющие на шероховатость поверхности при 3D-печати металлом

Шероховатость поверхности металлических 3D-печатных деталей значительно варьируется в зависимости от ряда факторов и обычно составляет от нескольких микрометров до нескольких десятков микрометров. В отличие от деталей, подвергаемых традиционной механической обработке, где качество поверхности во многом зависит от геометрии инструмента и параметров резания, аддитивное производство металлов вводит гораздо более широкий набор переменных - сам процесс печати, физические характеристики печатаемого материала и последующие этапы пост-обработки - все они взаимодействуют, определяя окончательное состояние поверхности. Понимание вклада каждого из этих факторов помогает объяснить, почему две детали, напечатанные по одному и тому же дизайну, могут иметь существенно разное качество поверхности.

Лазерная сварка порошкового слоя (L-PBF). Это один из наиболее распространенных процессов 3D-печати металлом, используемых сегодня. Он работает за счет использования высокоэнергетического лазера-для плавления металлического порошка, который затем слой за слоем наращивается до окончательной формы детали. В идеальных условиях шероховатость поверхности с помощью этого процесса можно контролировать на уровне Ra 10–30 мкм. Например, при печати металлических деталей относительно простой структуры с использованием этого процесса можно достичь относительно низкого уровня шероховатости после оптимизации параметров. Это связано с тем, что энергия лазера достаточно концентрирована, что позволяет точно контролировать форму и размер ванны расплава. Такая точность означает, что порошок плавится и укладывается более плотно по мере затвердевания, что помогает в некоторой степени уменьшить шероховатость поверхности. Плотно сфокусированный характер лазерного луча также означает, что тепловое воздействие на окружающий нерасплавленный порошок можно свести к минимуму, уменьшая количество частично спеченного порошка, который имеет тенденцию прилипать к краям печатного элемента и способствовать более грубой отделке.

Электронно-лучевая плавка (ЭЛП). В этом процессе используется электронный луч для сканирования и плавления металлического порошка. Детали, напечатанные с использованием этого процесса, обычно попадают в одинаковый общий диапазон шероховатости, хотя результаты могут различаться в зависимости от характеристик электронного луча и используемой стратегии сканирования. Электронные лучи несут высокую энергию и обеспечивают превосходную фокусировку, обеспечивая высокую-точность плавления и формирования деталей. В тех случаях, когда требования к качеству поверхности особенно высоки, точная-настройка параметров процесса может снизить шероховатость почти до Ra 10 мкм или даже ниже. Стоит отметить, что EBM обычно выполняется при повышенных температурах-камеры сборки и в условиях вакуума, что меняет поведение слоя порошка по сравнению с процессами на основе лазера-- повышенная температура снижает тепловое напряжение во время сборки, но это также может привести к легкому спеканию большего количества частиц порошка вокруг контуров детали, что является одной из причин, по которой поверхности EBM иногда имеют несколько иной характер шероховатости, чем поверхности L-PBF, даже если они номинальные. Значения шероховатости аналогичны.

Различные металлические материалы. Температура плавления, вязкость и другие физические характеристики данного материала напрямую влияют на текучесть и растекаемость порошка-в процессе печати, что, в свою очередь, влияет на шероховатость поверхности. Например, алюминиевые сплавы -, которые имеют относительно низкую температуру плавления и хорошую текучесть -, имеют тенденцию легче заполнять зазоры и образовывать гладкие поверхности во время печати, а их шероховатость обычно может достигать диапазона Ra 15–25 мкм. Напротив, некоторые металлы с более высокими температурами плавления и большей вязкостью, такие как некоторые жаропрочные-жаропрочные сплавы, могут не растекаться и не плавиться так идеально в процессе печати, а их шероховатость может быть несколько выше -, обычно в диапазоне Ra 20–35 мкм. Эта разница имеет значение на практике: разработчик детали, выбирающий между алюминиевым сплавом и суперсплавом на основе никеля-для конкретного применения, не просто взвешивает механические свойства и термостойкость, но также неявно принимает другую базовую обработку поверхности перед применением какой-либо последующей-обработки.

Состав сплава. Пропорция различных элементов в сплаве также влияет на шероховатость поверхности. Например, сплавы, содержащие более высокую долю легко окисляемых элементов, могут испытывать ухудшение качества поверхности из-за окисления, происходящего в процессе печати, что, в свою очередь, увеличивает шероховатость. Этот эффект особенно актуален для процессов 3D-печати металлом, которые не работают в полностью инертной или вакуумной среде, где следы кислорода во время цикла плавления каждого слоя могут накапливаться, оказывая измеримое воздействие на готовую поверхность в ходе сборки, которая может включать тысячи отдельных слоев.

Термическая обработка. Соответствующая термическая обработка может снять внутренние напряжения и улучшить металлургическую структуру детали, тем самым уменьшая шероховатость поверхности. После термообработки поверхность детали может стать заметно более ровной, а шероховатость уменьшится на несколько микрометров. Например, отжиг напечатанной металлической детали после сборки помогает уточнить зернистую структуру, делая микроструктуру поверхности более однородной. Шероховатость может быть снижена примерно с Ra 20 мкм до обработки до примерно Ra 15 мкм после нее. Хотя термообработка часто применяется в первую очередь для снятия остаточных напряжений и улучшения механических свойств, таких как пластичность, ее влияние на шероховатость поверхности является полезным второстепенным преимуществом -, которое проектировщики иногда упускают из виду при планировании полной последовательности обработки детали после-, даже несмотря на то, что она может значительно уменьшить объем механической чистовой обработки, необходимой в дальнейшем.

Механическая обработка. Значительного снижения шероховатости можно добиться с помощью методов механической обработки, таких как шлифование и полировка. Шлифование удаляет выступы и дефекты поверхности, улучшая общую плоскостность поверхности. Затем полировка еще больше очищает поверхность, снижая шероховатость до нескольких микрометров или даже ниже. Например, после тонкой полировки шероховатость металлической 3D-печатной детали может достигать Ra менее 5 мкм, что соответствует требованиям приложений с чрезвычайно высокими требованиями к качеству поверхности, таких как компоненты оптических приборов. Этот вид окончательной последовательности - термообработка для стабилизации материала, за которой следует шлифование для удаления крупных дефектов поверхности, а затем полировка для достижения окончательного качества поверхности - отражает то, что снижение шероховатости при аддитивном производстве металлов редко достигается за один этап. Вместо этого он обычно включает в себя многоуровневую комбинацию термической и механической обработки, каждая из которых направлена ​​на различный масштаб неровностей поверхности: от снятия объемного напряжения до гладкости на микронном-уровне.

В целом эти три категории факторов - тип процесса, свойства материала и метод последующей-обработки - взаимодействуют, а не действуют независимо. Деталь, напечатанная с помощью L-PBF из алюминиевого сплава с низкой-вязкостью и с хорошо-оптимизированными параметрами, может уже иметь относительно благоприятную-начальную шероховатость, тогда как та же конструкция, напечатанная из суперсплава с высокой-вязкостью с помощью EBM, может начинаться с более грубой базовой линии даже до применения какой-либо пост-обработки. Это означает, что достижение заданного качества поверхности для данного применения — это не просто вопрос определения этапа пост-обработки в конце рабочего процесса -, это требует рассмотрения процесса и выбора материала с самого начала, поскольку эти предварительные решения определяют практический минимум и потолок того, чего реально может достичь пост-обработка. Для применений со строгими требованиями к качеству поверхности понимание того, как взаимодействуют эти переменные, позволяет инженерам с самого начала выбрать правильное сочетание процесса, материала и метода отделки, а не пытаться компенсировать плохое начальное состояние поверхности путем обширной и дорогостоящей последующей обработки.