На какой уровень полировка может поднять поверхность металлической 3D-печати?

1. Шероховатость поверхности: скачок от микрометров к нанометрам
Шероховатость поверхности является ключевым показателем качества поверхности детали. Это напрямую влияет на то, насколько хорошо он противостоит коррозии, насколько хорошо он работает с трением и насколько хорошо он работает со светом. Настройки процесса, тип материала и направление печати — все это оказывает большое влияние на то, насколько шероховатыми будут металлические детали, напечатанные на 3D-принтере. Например, шероховатость поверхности деталей из титановых сплавов, изготовленных методом лазерной плавки порошка (LPBF), может достигать Ra15–20 мкм при измерении поперек направления печати. Однако при измерении вдоль направления печати шероховатость может составлять всего Ra8–12 мкм, поскольку слои перекрываются более плотно. Полировка может сделать поверхность намного более гладкой:
Механическая полировка: с помощью автоматизированных полировальных машин и алмазных абразивов шероховатость поверхности деталей из алюминиевых сплавов, изготовленных методом BJ (напыление клея), можно снизить с Ra2,4 мкм до Ra0,8 мкм или менее, что достаточно для большинства работ по механической сборке. Для задач высокой-прецизионной точности, например, опор для оптических зеркал, много-этапная полировка (грубая полировка → тонкая полировка → сверхтонкая полировка) может снизить шероховатость поверхности до Ra0,05 мкм, что близко к уровню типичного зеркального шлифования.
Химическая полировка. В этом методе используются кислотные или щелочные растворы для избирательного растворения неровностей поверхности. Он хорошо работает на сложных структурах внутренних полостей. Например, шероховатость поверхности сердечно-сосудистых стентов из нержавеющей стали 316L изменилась с Ra6 мкм до Ra0,2 мкм после химической полировки. Это позволило избавиться от прикреплений,-подобных микросферам, которые образовывались во время печати, что снизило риск тромбоза.
Лазерная полировка: использование мощных лазерных лучей для плавления поверхностных материалов на небольшой площади, а затем поверхностное натяжение жидкого металла выполняет работу по их сглаживанию. Исследования показывают, что после пяти лазерных сканирований компонентов из нержавеющей стали 316L, изготовленных методом SLM, шероховатость поверхности уменьшилась с Sa21 мкм до Sa1 мкм, достигнув степени уменьшения 96%, без образования подповерхностного слоя повреждений, обусловленного механической полировкой.
2. Микроструктура: улучшение от дефектов к уплотнению.
Полировка не только улучшает внешний вид поверхности, но и делает материал прочнее, избавляя его от мелких дефектов:
Закрытие трещин. Микротрещины, которые образуются при слишком быстром охлаждении металлической 3D-печати, можно частично закрыть с помощью механического полирующего давления. Например, после вибрационной полировки плотность поверхностного разрушения лопаток турбины одного авиационного двигателя снизилась на 40%, а многоцикловая усталостная долговечность увеличилась на 25%.
Снятие остаточного напряжения: химическая полировка снимает остаточное растягивающее напряжение за счет разрушения поверхностного слоя, что предотвращает коррозионное растрескивание под напряжением. Травильная обработка деталей из титанового сплава ТС4 показала, что остаточное напряжение на поверхности снизилось с -150МПа до -50МПа, а скорость коррозии от солевого тумана снизилась на 60%.
Лазерная полировка может вызвать переплавку поверхности, что может сделать размер зерна более однородным. Исследования жаропрочного-сплава Inconel 718 показывают, что лазерная полировка уменьшает размер зерен поверхности с 50 до 10 мкм, повышает твердость на 15 % и снижает скорость прироста веса при окислении при 650 градусах на 30 %.
3. Функциональная производительность: переход от базового к высокому-конечному уровню
Улучшение качества поверхности после-полировки напрямую коррелирует с оптимизацией функциональных характеристик:
Повышенная износостойкость: более гладкие поверхности могут снизить вероятность соприкосновения крошечных выпуклых объектов друг с другом на контактной поверхности. Испытание на трение компонентов из подшипниковой стали GCr15 показало, что полировка поверхности с Ra1,6 мкм до Ra0,2 мкм приводит к снижению коэффициента трения с 0,15 до 0,08, а степени износа снижается на 70%.
Повышенная устойчивость к коррозии: гладкая поверхность затрудняет прилипание коррозийных веществ, а пассивирующая пленка, образующаяся во время химической полировки, обеспечивает еще большую защиту. После электрохимической полировки плотность тока коррозии деталей из нержавеющей стали 304 в 3,5% растворе NaCl снизилась с 1,2 × 10 ⁻⁵ А/см² до 2,5 × 10 ⁻⁶ А/см², а стойкость к питтинговой коррозии возросла в 5 раз.
Улучшенные оптические характеристики: исследования по полировке зеркал из алюминиевого сплава AlSi10Mg показывают, что когда шероховатость поверхности снижается с Ra3,2 мкм до Ra0,05 мкм, коэффициент отражения видимого света увеличивается с 85% до 92%, что и необходимо лазерным системам связи.
4. Применение в промышленности: переезд из лаборатории на завод.
Техника полировки широко используется в областях, требующих строгих стандартов качества поверхности:
Аэрокосмическая промышленность: лазерная полировка используется на определенном типе сопла ракетного двигателя, чтобы сделать поверхность менее шероховатой, от Ra12 мкм до Ra0,8 мкм. Срок службы теплового цикла в моделируемой космической среде (диапазон температур: от -180 до 300 градусов) увеличен с 50 до 200 раз.
Медицинские имплантаты. После химической полировки шероховатость поверхности протеза тазобедренного сустава из титанового сплава увеличилась с Ra8 мкм до Ra0,5 мкм. Это позволило клеткам прилипать к имплантатам на 40% лучше, а кости интегрировались с ними на 30% быстрее.
Прецизионная пресс-форма: после полировки с помощью адаптивного шлифования (SAG) шероховатость поверхности сердцевины автомобильной литьевой формы снижается до Ra0,02 мкм, срок службы формы увеличивается со 100 000 раз до 500 000 раз, а глянцевость поверхности продукта повышается на 2 уровня.