Metal 3D Baskıda Yüzey Pürüzlülüğünü Etkileyen Faktörler

3D baskılı metal parçaların yüzey pürüzlülüğü, bir dizi faktöre bağlı olarak önemli ölçüde değişiklik gösterir ve genellikle birkaç mikrometre ile birkaç on mikrometre arasında bir yere düşer. Yüzey kalitesinin büyük ölçüde takım geometrisi ve kesme parametrelerinin bir fonksiyonu olduğu geleneksel olarak işlenmiş parçaların aksine, metal katmanlı imalat çok daha geniş bir değişken kümesi sunar - baskı işleminin kendisi, basılan malzemenin fiziksel özellikleri ve daha sonra uygulanan-işleme sonrası adımların tümü, nihai yüzey durumunu belirlemek için etkileşim içindedir. Bu faktörlerin her birinin nasıl katkıda bulunduğunu anlamak, aynı tasarımdan basılan iki parçanın neden anlamlı derecede farklı yüzey kalitesiyle sonuçlanabileceğini açıklamaya yardımcı olur.

Lazer Toz Yataklı Füzyon (L-PBF). Bu, günümüzde kullanılan en yaygın metal 3D baskı süreçlerinden biridir. Metal tozunu eritmek için yüksek-enerjili bir lazer kullanılarak çalışır, bu toz daha sonra katman katman oluşturularak nihai parça şekline getirilir. İdeal koşullar altında, bu işlemle yüzey pürüzlülüğü Ra 10–30μm civarında kontrol edilebilir. Örneğin, bu işlemi kullanarak nispeten basit yapılara sahip metal parçaları basarken, parametreler optimize edildikten sonra nispeten düşük pürüzlülük seviyeleri elde edilebilir. Bunun nedeni, lazer enerjisinin oldukça konsantre olması ve eriyik havuzunun şekli ve boyutu üzerinde hassas kontrole izin vermesidir. Bu hassasiyet, tozun katılaştıkça daha yoğun bir şekilde kaynaşması ve istiflenmesi anlamına gelir; bu da yüzey pürüzlülüğünün bir dereceye kadar azaltılmasına yardımcı olur. Lazer ışınının sıkı bir şekilde odaklanmış doğası aynı zamanda çevredeki erimemiş toza termal girdinin en aza indirilebileceği, basılı özelliğin kenarlarına yapışma eğiliminde olan ve daha pürüzlü bir yüzeye katkıda bulunan kısmen sinterlenmiş toz miktarının azaltılabileceği anlamına da gelir.

Elektron Işını Eritme (EBM). Bu işlem, metal tozunu taramak ve eritmek için bir elektron ışını kullanır. Bu işlem kullanılarak basılan parçalar genellikle benzer bir genel pürüzlülük aralığına girer ancak sonuçlar, elektron ışınının özelliklerine ve kullanılan tarama stratejisine bağlı olarak değişebilir. Elektron ışınları yüksek enerji taşır ve mükemmel odaklanma sunarak yüksek-hassasiyette erime ve parça oluşumunu mümkün kılar. Yüzey kalitesi gereksinimlerinin özellikle zorlu olduğu uygulamalarda, işlem parametrelerinin-ince ayarlanması pürüzlülüğü Ra 10μm'ye yakın bir değere, hatta daha da altına indirebilir. EBM'nin genellikle yüksek yapım odası sıcaklıklarında ve vakum koşullarında gerçekleştirildiğini belirtmekte fayda var; bu, lazer-tabanlı işlemlerle karşılaştırıldığında toz yatağının davranışını değiştirir - yüksek sıcaklık, yapım sırasındaki termal gerilimi azaltır, ancak aynı zamanda daha fazla toz parçacığının bir parçanın konturları etrafında birlikte hafifçe sinterlenmesine neden olabilir; bu, EBM yüzeylerinin bazen nominal pürüzlülükte bile L-PBF yüzeylerinden biraz farklı bir pürüzlülük karakteri sunmasının bir nedenidir değerler benzerdir.

Farklı metal malzemeler. Belirli bir malzemenin erime noktası, viskozitesi ve diğer fiziksel özellikleri, baskı işlemi sırasında akışkanlığı ve toz-yayılma davranışını doğrudan etkiler ve bu da yüzey pürüzlülüğünü etkiler. Örneğin, nispeten düşük bir erime noktasına ve iyi akışkanlığa - sahip olan alüminyum alaşımları -, baskı sırasında boşlukları doldurma ve pürüzsüz yüzeyler oluşturma eğilimindedir ve pürüzlülükleri genellikle Ra 15–25μm aralığına ulaşabilir. Buna karşılık, belirli yüksek sıcaklıktaki süper alaşımlar gibi daha yüksek erime noktalarına ve daha yüksek viskoziteye sahip bazı metaller, baskı işlemi sırasında ideal şekilde yayılmayabilir ve kaynaşmayabilir ve bunların pürüzlülüğü tipik olarak Ra 20–35μm aralığında biraz daha yüksek - olabilir. Bu fark pratikte önemlidir: Belirli bir uygulama için alüminyum alaşımı ile nikel-bazlı süper alaşım arasında seçim yapan bir parça tasarımcısı, yalnızca mekanik özellikleri ve sıcaklık direncini tartmakla kalmaz, aynı zamanda herhangi bir son{14}}işleme uygulanmadan önce örtülü olarak farklı bir temel yüzey kaplamasını kabul eder.

Alaşım bileşimi. Bir alaşım içindeki farklı elementlerin oranı da yüzey pürüzlülüğünü etkiler. Örneğin, daha yüksek oranda kolayca oksitlenebilen elementler içeren alaşımlar, baskı işlemi sırasında meydana gelen oksidasyon nedeniyle yüzey kalitesinde bozulma yaşayabilir, bu da pürüzlülüğü artırır. Bu etki özellikle, her bir katmanın erime döngüsü sırasında eser miktarda oksijene maruz kalmanın, binlerce ayrı katmanı içerebilecek bir yapı boyunca bitmiş yüzey üzerinde ölçülebilir bir etki oluşturacak şekilde birikebildiği tamamen hareketsiz veya vakumlu bir ortamda çalışmayan metal 3D baskı işlemleri için geçerlidir.

Isıl işlem. Uygun ısıl işlem, iç gerilimi azaltabilir ve bir parçanın metalurjik yapısını iyileştirebilir, böylece yüzey pürüzlülüğünü azaltabilir. Isıl işlemden sonra, bir parçanın yüzeyi gözle görülür şekilde daha düzgün hale gelebilir ve pürüzlülük birkaç mikrometre azalabilir. Örneğin, baskılı bir metal parçanın üretimden sonra tavlanması, tanecik yapısının iyileştirilmesine yardımcı olarak yüzeyin mikro yapısını daha düzgün hale getirir. Pürüzlülük, tedaviden önce yaklaşık 20μm Ra'dan daha sonra yaklaşık 15μm Ra'ya düşürülebilir. Isıl işlem genellikle artık gerilimi azaltmak ve süneklik gibi mekanik özellikleri iyileştirmek için uygulansa da, bunun yüzey pürüzlülüğü üzerindeki etkisi, aşağı yönde gereken mekanik son işlem miktarını önemli ölçüde azaltabilmesine rağmen, tasarımcıların bazen bir parçanın tam işlem sonrası- sırasını planlarken gözden kaçırdığı yararlı bir ikincil faydadır -.

Mekanik işleme. Zımparalama ve cilalama gibi mekanik işleme yöntemleriyle pürüzlülüğün önemli ölçüde azaltılması sağlanabilir. Zımparalama, yüzeydeki çıkıntıları ve kusurları gidererek genel yüzey düzlüğünü artırır. Daha sonra cilalama, yüzeyi daha da incelterek pürüzlülüğü birkaç mikrometreye, hatta daha da aşağıya indirir. Örneğin, ince cilalamanın ardından, 3D baskılı metal bir parçanın pürüzlülüğü Ra 5μm'nin altına ulaşabilir ve optik alet bileşenleri gibi son derece yüksek yüzey kalitesi gereksinimlerine sahip uygulamaların taleplerini karşılayabilir. Malzemeyi stabilize etmek için bu tür bitirme dizisi - ısıl işlem, ardından brüt yüzey özelliklerini çıkarmak için zımparalama ve ardından nihai yüzey kalitesini elde etmek için cilalama -, metal katkılı imalatta pürüzlülüğün azaltılmasının tek bir adımla nadiren başarıldığını yansıtır. Bunun yerine, genellikle termal ve mekanik işlemlerin katmanlı bir kombinasyonunu içerir; bunların her biri, toplu gerilimin hafifletilmesinden mikron-düzeyinde pürüzsüzlüğe kadar farklı bir yüzey düzensizliği ölçeğine hitap eder.

Bir bütün olarak ele alındığında, bu üç faktör kategorisi - süreç türü, malzeme özellikleri ve-işleme sonrası yöntemi -, bağımsız hareket etmek yerine etkileşim halindedir. İyi optimize edilmiş parametrelere sahip düşük-viskoziteli bir alüminyum alaşımdan L-PBF yoluyla basılan bir parça-yapısal olarak nispeten olumlu bir pürüzlülüğe zaten ulaşabilirken, EBM aracılığıyla yüksek-viskoziteli bir süper alaşımdan basılan aynı tasarım, herhangi bir-sonraki işlem uygulanmadan önce bile daha pürüzlü bir taban çizgisinden başlayabilir. Bu, belirli bir uygulama için hedef yüzey kalitesine ulaşmanın yalnızca iş akışının sonunda bir-işleme sonrası adımını belirleme meselesi olmadığı -, sürecin ve malzeme seçiminin en baştan dikkate alınmasını gerektirdiği anlamına gelir; çünkü bu yukarı yöndeki kararlar, işlem sonrası{13}}gerçekçi bir şekilde elde edilebilecek şey için pratik taban ve tavanı belirler. Katı yüzey kalitesi gereksinimleri olan uygulamalar için, bu değişkenlerin nasıl etkileşimde bulunduğunu anlamak, mühendislerin, kapsamlı ve maliyetli sonraki işlemler yoluyla kötü bir başlangıç ​​yüzey durumunu telafi etmeye çalışmak yerine, başlangıçtan itibaren doğru süreç, malzeme ve sonlandırma yöntemi kombinasyonunu seçmelerine olanak tanır.