Factors que afecten la rugositat superficial en la impressió 3D de metall

La rugositat superficial de les peces metàl·liques impreses en 3D varia considerablement depenent d'una sèrie de factors i, generalment, es troba entre uns pocs micròmetres i diverses desenes de micròmetres. A diferència de les peces mecanitzades tradicionalment, on l'acabat de la superfície és en gran mesura una funció de la geometria de l'eina i els paràmetres de tall, la fabricació d'additius metàl·lics introdueix un conjunt molt més ampli de variables - el procés d'impressió en si, les característiques físiques del material que s'imprimeix i els passos de post-processament aplicats després, tots interactuen per determinar l'estat final de la superfície. Entendre com contribueix cadascun d'aquests factors ajuda a explicar per què dues parts impreses amb el mateix disseny poden acabar amb una qualitat de superfície significativament diferent.

Laser Powder Bed Fusion (L-PBF). Aquest és un dels processos d'impressió 3D de metall més comuns que s'utilitzen actualment. Funciona utilitzant un làser d'alta-energia per fondre la pols metàl·lica, que després s'acumula capa per capa en la forma final de la peça. En condicions ideals, la rugositat superficial amb aquest procés es pot controlar al voltant de Ra 10-30 μm. Per exemple, quan s'imprimeixen peces metàl·liques amb estructures relativament senzilles mitjançant aquest procés, es poden aconseguir nivells de rugositat relativament baixos un cop s'han optimitzat els paràmetres. Això es deu al fet que l'energia del làser està força concentrada, cosa que permet un control precís de la forma i la mida de la piscina de fosa. Aquesta precisió significa que la pols es fon i s'apila amb més densitat a mesura que es solidifica, la qual cosa ajuda a reduir la rugositat de la superfície fins a cert punt. La naturalesa molt enfocada del raig làser també significa que l'entrada tèrmica a la pols circumdant i no fosa es pot minimitzar, reduint la quantitat de pols parcialment sinteritzada que tendeix a enganxar-se a les vores d'una funció impresa i contribueix a un acabat més rugós.

Fusió del feix d'electrons (EBM). Aquest procés utilitza un feix d'electrons per escanejar i fondre la pols metàl·lica. Les peces impreses mitjançant aquest procés solen estar dins d'un rang de rugositat general similar, tot i que els resultats poden variar segons les característiques del feix d'electrons i l'estratègia d'escaneig utilitzada. Els feixos d'electrons porten alta energia i ofereixen un enfocament excel·lent, cosa que permet una fusió i formació de peces d'alta-precisió. A les aplicacions on els requisits de qualitat de la superfície són especialment exigents, l'ajust-fins dels paràmetres del procés pot reduir la rugositat a prop de Ra 10μm o fins i tot inferior. Val la pena assenyalar que l'EBM es realitza normalment a temperatures elevades-de la cambra de construcció i en condicions de buit, la qual cosa canvia el comportament del llit de pols en comparació amb els processos basats en làser-- la temperatura elevada redueix l'estrès tèrmic durant la construcció, però també pot provocar que més partícules de pols s'ajuntin al voltant de les superfícies, que de vegades es contorn lleugerament. presenten un caràcter de rugositat lleugerament diferent que les superfícies L-PBF fins i tot quan els valors de rugositat nominals són similars.

Diferents materials metàl·lics. El punt de fusió, la viscositat i altres característiques físiques d'un material determinat afecten directament la fluïdesa i el comportament-de dispersió de pols durant el procés d'impressió, que al seu torn influeix en la rugositat de la superfície. Per exemple, els aliatges d'alumini - que tenen un punt de fusió relativament baix i una bona fluïdesa - tendeixen a omplir els buits i formar superfícies llises més fàcilment durant la impressió, i la seva rugositat generalment pot arribar al rang de Ra 15-25 μm. Per contra, alguns metalls amb punts de fusió més alts i una viscositat més gran, com ara certs superaliatges d'alta -temperatura, poden no estendre's i fusionar-se de manera ideal durant el procés d'impressió, i la seva rugositat pot ser una mica més alta - normalment en el rang de Ra 20-35μm. Aquesta diferència és important a la pràctica: un dissenyador de peces que escull entre un aliatge d'alumini i un superaliatge-de níquel per a una aplicació determinada no només pesa les propietats mecàniques i la resistència a la temperatura, sinó que també accepta implícitament un acabat superficial diferent abans d'aplicar qualsevol post-processament.

Composició d'aliatge. La proporció de diferents elements dins d'un aliatge també afecta la rugositat superficial. Per exemple, els aliatges que contenen una proporció més alta d'elements fàcilment oxidables poden experimentar una degradació de la qualitat superficial a causa de l'oxidació que es produeix durant el procés d'impressió, que al seu torn augmenta la rugositat. Aquest efecte és especialment rellevant per als processos d'impressió 3D de metall que no operen en un entorn totalment inert o buit, on l'exposició a l'oxigen durant el cicle de fusió de cada capa pot acumular-se en un efecte mesurable a la superfície acabada al llarg d'una construcció que pot implicar milers de capes individuals.

Tractament tèrmic. Un tractament tèrmic adequat pot alleujar l'estrès intern i millorar l'estructura metal·lúrgica d'una peça, reduint així la rugositat superficial. Després del tractament tèrmic, la superfície d'una peça pot ser notablement més uniforme, amb una rugositat reduïda en diversos micròmetres. Per exemple, el recuit d'una peça metàl·lica impresa després de la construcció ajuda a refinar l'estructura del gra, fent que la microestructura de la superfície sigui més uniforme. La rugositat es pot reduir d'uns 20 μm de Ra abans del tractament a uns 15 μm de Ra després. Tot i que el tractament tèrmic sovint s'aplica principalment per alleujar l'estrès residual i millorar les propietats mecàniques com ara la ductilitat, el seu efecte sobre la rugositat superficial és un avantatge secundari útil - que els dissenyadors de vegades passen per alt quan planifiquen la seqüència completa de post-processament d'una peça, tot i que pot reduir significativament la quantitat d'acabat mecànic necessari aigües avall.

Processament mecànic. Es pot aconseguir una reducció significativa de la rugositat mitjançant mètodes de processament mecànic com el poliment i el poliment. El poliment elimina les protuberàncies i les imperfeccions de la superfície, millorant la planitud de la superfície general. A continuació, el poliment perfecciona encara més la superfície, reduint la rugositat a només uns pocs micròmetres o fins i tot inferior. Per exemple, després d'un polit fi, la rugositat d'una peça metàl·lica impresa en 3D pot arribar per sota de Ra 5μm, satisfent les exigències d'aplicacions amb requisits d'acabat superficial extremadament elevats, com ara components d'instruments òptics. Aquest tipus de tractament tèrmic de seqüència d'acabat - per estabilitzar el material, seguit de poliment per eliminar les característiques de la superfície bruta, seguit de poliment per aconseguir la qualitat de la superfície final - reflecteix com la reducció de la rugositat en la fabricació d'additius metàl·lics rarament s'aconsegueix en un sol pas. En lloc d'això, normalment implica una combinació en capes de tractaments tèrmics i mecànics, cadascun d'ells aborda una escala diferent d'irregularitats superficials, des de l'alleujament de tensions a granel fins a la suavitat-micra.

En conjunt, aquestes tres categories de factors - tipus de procés, propietats del material i mètode de post-processament - interactuen en lloc d'actuar de manera independent. Una peça impresa mitjançant L-PBF d'un aliatge d'alumini de baixa-viscositat amb paràmetres-ben optimitzats ja pot aconseguir una rugositat-construïda relativament favorable, mentre que el mateix disseny imprès a partir d'un superaliatge de-viscositat alta mitjançant EBM pot començar des d'una línia de base més rugosa fins i tot abans que s'apliqui cap processament posterior. Això vol dir que assolir un acabat de superfície objectiu per a una aplicació determinada no és només una qüestió d'especificar un pas de post-processament al final del flux de treball -, sinó que requereix tenir en compte el procés i l'elecció del material des del principi, ja que aquestes decisions a l'amunt estableixen el sòl i el sostre pràctics per al que el post-processament pot aconseguir de manera realista. Per a aplicacions amb requisits estrictes d'acabat de superfície, entendre com interactuen aquestes variables permet als enginyers seleccionar la combinació correcta de procés, material i mètode d'acabat des del principi, en lloc d'intentar compensar una mala condició inicial de la superfície mitjançant un processament avall extens i costós.