Faktory ovlivňující drsnost povrchu při 3D tisku kovů

Drsnost povrchu kovových 3D tištěných dílů se značně liší v závislosti na řadě faktorů a obecně se pohybuje někde mezi několika mikrometry a několika desítkami mikrometrů. Na rozdíl od tradičně obráběných dílů, kde je povrchová úprava z velké části funkcí geometrie nástroje a řezných parametrů, zavádí aditivní výroba kovů mnohem širší soubor proměnných - samotný tiskový proces, fyzikální vlastnosti tištěného materiálu a následně aplikované post{3}}kroky zpracování, které spolu určují konečný stav povrchu. Pochopení toho, jak každý z těchto faktorů přispívá, pomáhá vysvětlit, proč dva díly vytištěné ze stejného designu mohou mít výrazně odlišnou kvalitu povrchu.

Laser Powder Bed Fusion (L-PBF). Jedná se o jeden z nejběžnějších procesů 3D tisku kovů, které se dnes používají. Funguje to tak, že se pomocí vysokoenergetického laseru roztaví kovový prášek, který se poté vrstva po vrstvě vytvoří do konečného tvaru součásti. Za ideálních podmínek lze drsnost povrchu tímto procesem regulovat na Ra 10–30 μm. Například při tisku kovových dílů s relativně jednoduchými strukturami pomocí tohoto procesu lze dosáhnout relativně nízké úrovně drsnosti, jakmile byly parametry optimalizovány. Je to proto, že laserová energie je poměrně koncentrovaná, což umožňuje přesnou kontrolu nad tvarem a velikostí lázně taveniny. Tato přesnost znamená, že se prášek při tuhnutí taví a hromadí hustěji, což do určité míry pomáhá snížit drsnost povrchu. Pevně ​​zaostřená povaha laserového paprsku také znamená, že tepelný vstup do okolního neroztaveného prášku lze minimalizovat, čímž se sníží množství částečně slinutého prášku, který má tendenci ulpívat na okrajích tištěného prvku a přispívat k hrubšímu povrchu.

Tavení elektronovým paprskem (EBM). Tento proces využívá elektronový paprsek ke skenování a roztavení kovového prášku. Díly vytištěné pomocí tohoto procesu obvykle spadají do podobného obecného rozsahu drsnosti, i když výsledky se mohou lišit v závislosti na charakteristikách elektronového paprsku a použité strategii skenování. Elektronové paprsky přenášejí vysokou energii a nabízejí vynikající zaostření, což umožňuje vysoce přesné tavení a vytváření dílů. V aplikacích, kde jsou požadavky na kvalitu povrchu obzvláště náročné, může jemné-vyladění procesních parametrů snížit drsnost na hodnotu blízko Ra 10μm nebo dokonce nižší. Stojí za zmínku, že EBM se obvykle provádí při zvýšených-teplotách v komoře a za podmínek vakua, což mění chování práškového lože ve srovnání s laserovými-procesy - zvýšená teplota snižuje tepelné namáhání během vytváření, ale může také způsobit, že se více částic prášku lehce slije dohromady kolem obrysů dílu, což je jeden z důvodů, proč je někdy přítomen i nominální charakter povrchu LPBF{1} hodnoty drsnosti jsou podobné.

Různé kovové materiály. Teplota tání, viskozita a další fyzikální vlastnosti daného materiálu přímo ovlivňují tekutost a chování prášku- při procesu tisku, což zase ovlivňuje drsnost povrchu. Například hliníkové slitiny -, které mají relativně nízký bod tání a dobrou tekutost -, mají tendenci během tisku snadněji vyplňovat mezery a vytvářet hladké povrchy a jejich drsnost může obecně dosahovat rozmezí Ra 15–25 μm. Naproti tomu některé kovy s vyššími teplotami tání a vyšší viskozitou, jako jsou některé vysokoteplotní superslitiny, se nemusí během procesu tisku tak ideálně šířit a tavit a jejich drsnost může být poněkud vyšší -, typicky v rozsahu Ra 20–35 μm. Tento rozdíl je v praxi důležitý: návrhář dílů, který si pro danou aplikaci vybírá mezi hliníkovou slitinou a niklovou-slitinou, nejen zvažuje mechanické vlastnosti a teplotní odolnost, ale také implicitně akceptuje jinou základní povrchovou úpravu předtím, než se použije jakékoli následné zpracování.

Složení slitiny. Podíl různých prvků ve slitině také ovlivňuje drsnost povrchu. Například u slitin obsahujících vyšší podíl snadno oxidovatelných prvků může dojít ke zhoršení kvality povrchu v důsledku oxidace, ke které dochází během procesu tisku, což zase zvyšuje drsnost. Tento efekt je zvláště důležitý pro procesy 3D tisku kovů, které nepracují v plně inertním nebo vakuovém prostředí, kde se stopová expozice kyslíku během cyklu tavení každé vrstvy může akumulovat do měřitelného účinku na hotovém povrchu v průběhu stavby, která může zahrnovat tisíce jednotlivých vrstev.

Tepelné zpracování. Vhodné tepelné zpracování může zmírnit vnitřní pnutí a zlepšit metalurgickou strukturu součásti, čímž se sníží drsnost povrchu. Po tepelném zpracování může být povrch součásti znatelně rovnoměrnější, s drsností sníženou o několik mikrometrů. Například žíhání potištěného kovového dílu po sestavení pomáhá zjemnit strukturu zrna, čímž se mikrostruktura povrchu stává jednotnější. Drsnost lze snížit z přibližně 20 μm Ra před ošetřením na přibližně 15 μm po následném ošetření. Zatímco tepelné zpracování se často používá především ke zmírnění zbytkového napětí a zlepšení mechanických vlastností, jako je tažnost, jeho vliv na drsnost povrchu je užitečnou sekundární výhodou, - kterou konstruktéři někdy přehlížejí při plánování celé sekvence následného zpracování dílu-, i když může významně snížit množství potřebné mechanické povrchové úpravy.

Mechanické zpracování. Výrazného snížení drsnosti lze dosáhnout pomocí metod mechanického zpracování, jako je broušení a leštění. Broušení odstraňuje povrchové výstupky a nedokonalosti a zlepšuje celkovou rovinnost povrchu. Leštění pak dále zjemňuje povrch a snižuje drsnost na pouhých několik mikrometrů nebo ještě méně. Například po jemném leštění může drsnost kovového 3D tištěného dílu dosáhnout pod Ra 5 μm, což splňuje požadavky aplikací s extrémně vysokými požadavky na povrchovou úpravu, jako jsou součásti optických přístrojů. Tento druh dokončovací sekvence - tepelného zpracování za účelem stabilizace materiálu, po kterém následuje broušení za účelem odstranění hrubých povrchových prvků, po kterém následuje leštění pro dosažení konečné kvality povrchu - odráží, jak se redukce drsnosti při výrobě kovových aditiv jen zřídka dosahuje jediným krokem. Namísto toho obvykle zahrnuje vrstvenou kombinaci tepelného a mechanického zpracování, z nichž každá řeší jinou škálu nepravidelností povrchu, od uvolnění velkého napětí až po hladkost na úrovni mikronů{10}}.

Jako celek tyto tři kategorie faktorů - typ procesu, vlastnosti materiálu a post-metoda zpracování - spíše interagují, než aby jednaly nezávisle. Díl vytištěný pomocí L-PBF z nízkoviskózní hliníkové slitiny s dobře-optimalizovanými parametry již může dosáhnout relativně příznivé-drsnosti konstrukce, zatímco stejný design vytištěný z vysoce-slitiny s vysokou viskozitou prostřednictvím EBM může začít od hrubší základní linie ještě před aplikací jakéhokoli dodatečného zpracování{9}. To znamená, že dosažení cílové povrchové úpravy pro danou aplikaci není pouze záležitostí zadání-kroku zpracování na konci pracovního postupu -, ale vyžaduje zvážení procesu a výběru materiálu od samého počátku, protože tato předběžná rozhodnutí určují praktickou základnu a strop toho, čeho lze následným{13}}zpracováním reálně dosáhnout. U aplikací s přísnými požadavky na povrchovou úpravu umožňuje pochopení toho, jak se tyto proměnné vzájemně ovlivňují, inženýrům vybrat správnou kombinaci procesu, materiálu a metody konečné úpravy od začátku, spíše než se snažit kompenzovat špatný počáteční stav povrchu pomocí rozsáhlého a nákladného následného zpracování.