Na jakou úroveň může leštění pozvednout povrch kovového 3D tisku?

1. Drsnost povrchu: skok z mikrometrů na nanometry
Drsnost povrchu je klíčovým měřítkem kvality povrchu součásti. Má přímý vliv na to, jak dobře odolává korozi, jak dobře funguje při tření a jak dobře funguje se světlem. Nastavení procesu, typ materiálu a směr tisku, to vše má velký vliv na to, jak hrubé jsou kovové 3D tištěné díly zpočátku. Například drsnost povrchu dílů z titanové slitiny vyrobených metodou tavení laserového lože (LPBF) může být až Ra15–20 μm při měření napříč směrem tisku. Při měření ve směru tisku však může být drsnost až Ra8–12 μm, protože vrstvy se těsněji překrývají. Leštěním může být povrch mnohem hladší:
Mechanické leštění: Pomocí automatických leštících strojů a diamantových brusiv lze drsnost povrchu dílů z hliníkové slitiny vyrobených metodou BJ (nástřik lepidla) snížit z Ra2,4 μm na Ra0,8 μm nebo méně, což je dost dobré pro většinu úloh mechanické montáže. Pro potřeby vysoké-přesnosti, jako jsou podpěry pro optická zrcadla, může více-stupňové leštění (hrubé leštění → jemné leštění → ultra jemné leštění) snížit drsnost povrchu na Ra0,05 μm, což se blíží úrovni typického zrcadlového broušení.
Chemické leštění: Tato metoda používá kyselé nebo alkalické roztoky k selektivnímu rozpuštění povrchových nerovností. Funguje dobře na složité struktury vnitřních dutin. Například drsnost povrchu kardiovaskulárních stentů z nerezové oceli 316L se po chemickém leštění změnila z Ra6 μm ​​na Ra0,2 μm. Tím byly odstraněny mikrokuličky-jako nástavce, které se vytvořily během tisku, což snížilo riziko trombózy.
Laserové leštění: Použití výkonných laserových paprsků k roztavení povrchových materiálů na malé ploše a následné vyhlazení povrchového napětí tekutého kovu. Studie naznačují, že po pěti laserových skenech součástí z nerezové oceli 316L vyrobených metodou SLM se drsnost povrchu zmenšila z Sa21 μm na Sa1 μm, čímž bylo dosaženo snížení o 96 %, aniž by se vytvořila podpovrchová vrstva poškození, kterou lze připsat mechanickému leštění.
2. Mikrostruktura: Zlepšení od defektů k zhuštění
Leštěním povrch nejen lépe vypadá, ale také zpevňuje materiál tím, že se zbaví drobných nedostatků:
Uzavření trhlin: Mikrotrhliny, které se tvoří, když kovový 3D tisk příliš rychle chladne, lze částečně uzavřít mechanickým leštícím tlakem. Například po vibračním leštění klesla hustota lomu povrchu určité turbínové lopatky leteckého motoru o 40 % a životnost při vysokocyklové únavě vzrostla o 25 %.
Uvolnění zbytkového napětí: Chemické leštění uvolňuje zbytkové tahové napětí rozrušením povrchové vrstvy, což zabraňuje praskání korozí pod napětím. Moření dílů z titanové slitiny TC4 ukázalo, že zbytkové napětí na povrchu kleslo z -150 MPa na -50 MPa a rychlost koroze ze solné mlhy klesla o 60 %.
Laserové leštění může způsobit přetavení povrchu, což může způsobit jednotnější velikost zrna. Studie na vysokoteplotní slitině Inconel 718 naznačují, že laserové leštění zjemňuje velikost povrchových zrn z 50 μm na 10 μm, zvyšuje tvrdost o 15 % a snižuje míru nárůstu oxidační hmotnosti při 650 stupních o 30 %.
3. Funkční výkon: přechod od základního po špičkový-end
Zlepšení kvality povrchu po-leštění přímo koreluje s optimalizací funkčního výkonu:
Vylepšená odolnost proti opotřebení: Hladší povrchy mohou snížit pravděpodobnost vzájemného dotyku drobných konvexních entit na kontaktním povrchu. Zkouška tření na součástech z ložiskové oceli GCr15 ukázala, že leštěním povrchu z Ra1,6 μm na Ra0,2 μm se koeficient tření snížil z 0,15 na 0,08 a množství opotřebení se snížilo o 70 %.
Lepší odolnost proti korozi: Hladký povrch ztěžuje přilnavost korozivních látek a pasivační film, který se tvoří při chemickém leštění, dodává ještě větší ochranu. Po elektrochemickém leštění klesla hustota korozního proudu 304 dílů z nerezové oceli v 3,5% roztoku NaCl z 1,2 × 10 ⁻⁵ A/cm ² na 2,5 × 10 ⁻⁶ A/cm ² a odolnost vůči důlkové korozi vzrostla 5krát.
Zlepšený optický výkon: Výzkum leštění zrcadel z hliníkové slitiny AlSi10Mg ukazuje, že když se drsnost povrchu sníží z Ra3,2 μm na Ra0,05 μm, odrazivost viditelného světla se zvýší z 85 % na 92 ​​%, což je to, co laserové komunikační systémy potřebují.
4. Průmyslová aplikace: Přesun z laboratoře do továrny
Technika leštění byla široce využívána v oblastech vyžadujících přísné standardy kvality povrchu:
Letectví a kosmonautika: Laserové leštění se používá na určitém typu trysky raketového motoru, aby byl povrch méně drsný, od Ra12 μm do Ra0,8 μm. Životnost tepelného cyklu v simulovaném vesmírném prostředí (teplotní rozsah: -180 stupňů až 300 stupňů) se zvýšila z 50 na 200krát.
Lékařské implantáty: Po chemickém leštění se drsnost povrchu protézy kyčelního kloubu z titanové slitiny změnila z Ra8 μm na Ra0,5 μm. Díky tomu se buňky k implantátům přilepily o 40 % lépe a kosti se s nimi integrovaly o 30 % rychleji.
Přesná forma: Po vyleštění tvarově adaptivním broušením (SAG) se drsnost povrchu jádra automobilové vstřikovací formy sníží na Ra0,02 μm, životnost formy se zvýší ze 100 000krát na 500 000krát a lesk povrchu produktu se zvýší o 2 úrovně.