عوامل موثر بر زبری سطح در چاپ سه بعدی فلزی

زبری سطح قطعات فلزی پرینت سه بعدی بسته به طیفی از عوامل به طور قابل توجهی متفاوت است و به طور کلی بین چند میکرومتر تا چند ده میکرومتر است. بر خلاف قطعات ماشینکاری سنتی، که پوشش سطح تا حد زیادی تابعی از هندسه ابزار و پارامترهای برش است، تولید افزودنی های فلزی مجموعه بسیار گسترده تری از متغیرها را معرفی می کند - خود فرآیند چاپ، ویژگی های فیزیکی ماده در حال چاپ، و مراحل پس از پردازش اعمال شده پس از آن، همگی برای تعیین وضعیت سطح نهایی در تعامل هستند. درک اینکه چگونه هر یک از این عوامل کمک می کند به توضیح اینکه چرا دو قسمت چاپ شده از یک طرح می توانند با کیفیت سطح متفاوتی به پایان برسند کمک می کند.

لیزر پودر بستر فیوژن (L-PBF). این یکی از رایج ترین فرآیندهای پرینت سه بعدی فلزی است که امروزه مورد استفاده قرار می گیرد. با استفاده از یک لیزر پر انرژی برای ذوب پودر فلز کار می کند، که سپس لایه به لایه به شکل قسمت نهایی تبدیل می شود. در شرایط ایده آل، زبری سطح با این فرآیند را می توان تا حدود 10-30μm Ra کنترل کرد. برای مثال، هنگام چاپ قطعات فلزی با ساختارهای نسبتاً ساده با استفاده از این فرآیند، پس از بهینه‌سازی پارامترها، می‌توان به سطوح زبری نسبتاً پایینی دست یافت. این به این دلیل است که انرژی لیزر نسبتاً متمرکز است و امکان کنترل دقیق بر شکل و اندازه حوضچه مذاب را فراهم می کند. این دقت به این معنی است که پودر در حین جامد شدن، چگال تر می شود و به کاهش زبری سطح تا حدی کمک می کند. ماهیت متمرکز پرتو لیزر همچنین به این معنی است که ورودی حرارتی به پودر ذوب نشده اطراف را می توان به حداقل رساند و مقدار پودر نیمه پخته شده را که تمایل دارد به لبه های یک ویژگی چاپی بچسبد و به پرداخت خشن تر کمک کند، کاهش می دهد.

ذوب پرتو الکترونی (EBM). این فرآیند از یک پرتو الکترونی برای اسکن و ذوب پودر فلز استفاده می کند. قطعات چاپ شده با استفاده از این فرآیند معمولاً در محدوده زبری عمومی مشابهی قرار می گیرند، اگرچه نتایج بسته به ویژگی های پرتو الکترونی و استراتژی اسکن مورد استفاده می تواند متفاوت باشد. پرتوهای الکترونی انرژی بالایی را حمل می‌کنند و فوکوس عالی را ارائه می‌دهند که ذوب{3}}و تشکیل قطعات را با دقت بالا ممکن می‌سازد. در کاربردهایی که الزامات کیفیت سطح به ویژه نیازمند است، تنظیم دقیق پارامترهای فرآیند می‌تواند زبری را تا نزدیک به Ra 10μm یا حتی کمتر کند. شایان ذکر است که EBM معمولاً در دمای ساختمان-بالا و در شرایط خلاء انجام می‌شود، که نحوه رفتار بستر پودر را در مقایسه با فرآیندهای مبتنی بر لیزر تغییر می‌دهد. دمای بالا باعث کاهش تنش حرارتی در طول ساخت می‌شود، اما همچنین می‌تواند باعث شود که ذرات پودر بیشتر شود، که گاهی اوقات باعث می‌شود که ذرات پودر بیشتر به یکدیگر تبدیل شوند، که یکی از دلایل آن می‌شود که سطح B به آرامی در اطراف متخلخل شود. مشخصه زبری کمی متفاوت از سطوح L-PBF حتی زمانی که مقادیر زبری اسمی مشابه هستند.

مواد فلزی مختلف نقطه ذوب، ویسکوزیته و سایر خصوصیات فیزیکی یک ماده معین مستقیماً بر روان‌پذیری و رفتار پخش{1} پودر در طول فرآیند چاپ تأثیر می‌گذارد که به نوبه خود بر زبری سطح تأثیر می‌گذارد. به عنوان مثال، آلیاژهای آلومینیوم - که نقطه ذوب نسبتاً پایین و جریان پذیری خوب دارند - تمایل دارند شکاف ها را پر کنند و سطوح صاف را راحت تر در حین چاپ تشکیل دهند و زبری آنها به طور کلی می تواند به محدوده Ra 15-25μm برسد. در مقابل، برخی از فلزات با نقطه ذوب بالاتر و ویسکوزیته بیشتر، مانند برخی از سوپرآلیاژهای با دمای بالا، ممکن است در طول فرآیند چاپ به طور ایده‌آل پخش و ذوب نشوند و زبری آنها معمولاً در محدوده Ra 20-35 میکرومتر تا حدودی بیشتر از - باشد. این تفاوت در عمل اهمیت دارد: انتخاب یک طراح قطعه بین یک آلیاژ آلومینیوم و یک سوپرآلیاژ{13}نیکل{13} برای یک کاربرد معین، نه تنها خواص مکانیکی و مقاومت در برابر دما را می سنجد، بلکه تلویحاً یک سطح پایه متفاوت را قبل از اعمال{14} پس از پردازش می‌پذیرد.

ترکیب آلیاژی نسبت عناصر مختلف در یک آلیاژ نیز بر زبری سطح تأثیر می گذارد. به عنوان مثال، آلیاژهایی که حاوی نسبت بیشتری از عناصر به راحتی اکسید شونده هستند ممکن است به دلیل اکسیداسیون در طول فرآیند چاپ دچار تخریب کیفیت سطح شوند که به نوبه خود زبری را افزایش می دهد. این اثر به ویژه برای فرآیندهای پرینت سه بعدی فلزی که در یک محیط کاملاً بی اثر یا خلاء عمل نمی کنند، که در آن ردیابی اکسیژن در طول چرخه ذوب هر لایه می تواند به یک اثر قابل اندازه گیری بر روی سطح نهایی در طول ساخت که ممکن است شامل هزاران لایه منفرد باشد انباشته می شود، مرتبط است.

عملیات حرارتی عملیات حرارتی مناسب می تواند استرس داخلی را کاهش داده و ساختار متالورژیکی یک قطعه را بهبود بخشد و در نتیجه زبری سطح را کاهش دهد. پس از عملیات حرارتی، سطح یک قطعه ممکن است به میزان قابل توجهی یکنواخت تر شود و زبری آن تا چند میکرومتر کاهش یابد. به عنوان مثال، بازپخت کردن یک قطعه فلزی چاپ شده پس از ساخت، به اصلاح ساختار دانه کمک می کند و ریزساختار سطح را یکنواخت تر می کند. زبری را می توان از حدود 20μm Ra قبل از درمان به حدود Ra 15μm پس از درمان کاهش داد. در حالی که عملیات حرارتی اغلب عمدتاً برای کاهش تنش پسماند و بهبود خواص مکانیکی مانند شکل‌پذیری اعمال می‌شود، تأثیر آن بر زبری سطح یک مزیت ثانویه مفید است - که گاهی اوقات طراحان هنگام برنامه‌ریزی توالی پردازش کامل یک قطعه نادیده می‌گیرند، حتی اگر می‌تواند به طور معنی‌داری میزان پرداخت مکانیکی مورد نیاز در پایین دست را کاهش دهد.

پردازش مکانیکی. کاهش زبری به میزان قابل توجهی را می توان از طریق روش های پردازش مکانیکی مانند سنباده کاری و پرداخت به دست آورد. سنباده زدن برجستگی ها و عیوب سطح را از بین می برد و صافی کلی سطح را بهبود می بخشد. سپس صیقل دادن سطح را بیشتر اصلاح می کند و زبری را به چند میکرومتر یا حتی کمتر می رساند. به عنوان مثال، پس از پرداخت ریز، زبری یک قطعه فلزی پرینت سه بعدی می‌تواند به زیر Ra 5μm برسد، که نیازهای برنامه‌هایی با نیازهای سطح بسیار بالا، مانند اجزای ابزار نوری را برآورده می‌کند. این نوع توالی تکمیل - عملیات حرارتی برای تثبیت مواد، به دنبال سنباده زدن برای حذف ویژگی‌های سطح ناخالص، و به دنبال آن پرداخت برای دستیابی به کیفیت نهایی سطح - نشان می‌دهد که چگونه کاهش زبری در تولید افزودنی‌های فلزی به ندرت از طریق یک مرحله انجام می‌شود. درعوض، معمولاً شامل ترکیب لایه‌ای از عملیات حرارتی و مکانیکی است که هرکدام به مقیاس متفاوتی از بی‌نظمی‌های سطحی، از کاهش تنش انبوه تا صافی سطح میکرونی می‌پردازند.

در مجموع، این سه دسته از عوامل - نوع فرآیند، ویژگی‌های مواد، و{1}}روش پردازش پست - به جای اینکه مستقل عمل کنند، با هم تعامل دارند. یک قطعه چاپ شده با L-PBF از آلیاژ آلومینیوم با ویسکوزیته کم-با پارامترهای خوب-بهینه شده ممکن است قبلاً به زبری ساختاری نسبتاً مطلوبی دست یابد، در حالی که همان طرح چاپ شده از-سوپرآلیاژ با ویسکوزیته بالا از طریق پست پروسه EBM ممکن است حتی قبل از هر خط پایه ناهموار{9} اعمال شود. این بدان معناست که دستیابی به یک سطح هدف برای یک برنامه کاربردی معین صرفاً تعیین یک مرحله{11}}پست پردازش در پایان گردش کار - نیست، بلکه مستلزم در نظر گرفتن فرآیند و انتخاب مواد از همان ابتدا است، زیرا این تصمیمات بالادستی کف و سقف عملی را برای آنچه که پردازش می‌تواند به طور واقع بینانه انجام دهد تعیین می‌کند. برای کاربردهایی با الزامات دقیق پرداخت سطح، درک نحوه تعامل این متغیرها به مهندسان این امکان را می‌دهد تا ترکیب مناسبی از فرآیند، مواد و روش تکمیل را از ابتدا انتخاب کنند، به جای تلاش برای جبران وضعیت ضعیف سطح اولیه از طریق پردازش گسترده و پرهزینه پایین‌دست.