Hvilket niveau kan polering hæve overfladen af ​​metal 3D-printning til?

1. Overfladeruhed: et spring fra mikrometer til nanometer
Overfladeruhed er et nøglemål for kvaliteten af ​​en dels overflade. Det har en direkte effekt på, hvor godt det modstår korrosion, hvor godt det fungerer med friktion, og hvor godt det fungerer med lys. Procesindstillingerne, typen af ​​materiale og udskrivningsretningen har alle en stor effekt på, hvor ru de metal 3D-printede dele er i starten. For eksempel kan overfladeruheden af ​​titanlegeringsdele fremstillet med laserpulverbedsmeltningsmetoden (LPBF) være så høj som Ra15-20 μm, når den måles på tværs af udskrivningsretningen. Målt langs udskrivningsretningen kan ruheden dog være så lav som Ra8-12 μm, fordi lagene overlappes tættere. Polering kan gøre overfladen meget glattere:
Mekanisk polering: Ved hjælp af automatiserede polermaskiner og diamantslibemidler kan overfladeruheden af ​​aluminiumslegeringsdele fremstillet ved BJ-metoden (klæbende sprøjtning) sænkes fra Ra2,4 μm til Ra0,8 μm eller mindre, hvilket er godt nok til de fleste mekaniske montageopgaver. Til høje-præcisionsbehov, såsom understøtninger til optiske spejle, kan fler-polering (grovpolering → finpolering → ultrafin polering) sænke overfladeruheden til Ra0,05 μm, hvilket er tæt på niveauet for typisk spejlslibning.
Kemisk polering: Denne metode bruger sure eller alkaliske opløsninger til selektivt at opløse overfladebuler. Det fungerer godt på indviklede indre hulrumsstrukturer. For eksempel gik overfladeruheden af ​​316L kardiovaskulære stenter i rustfrit stål fra Ra6 μm ​​til Ra0,2 μm efter kemisk polering. Dette fjernede mikrosfæren-lignende vedhæftninger, der blev dannet under udskrivning, hvilket mindskede risikoen for trombose.
Laserpolering: Brug af kraftige laserstråler til at smelte overfladematerialer i et lille område og derefter lade overfladespændingen af ​​det flydende metal gøre arbejdet med at glatte det ud. Undersøgelser viser, at efter fem laserscanninger af 316L rustfri stålkomponenter fremstillet ved hjælp af SLM-metoden, faldt overfladeruheden fra Sa21 μm til Sa1 μm, hvilket opnåede en reduktionsrate på 96%, uden dannelsen af ​​et underjordisk skadelag, der kan tilskrives mekanisk polering.
2. Mikrostruktur: Forbedring fra fejl til fortætning
Polering får ikke kun overfladen til at se bedre ud, men den gør også materialet stærkere ved at slippe af med små fejl:
Revnelukning: Mikrorevner, der dannes, når metal 3D-print afkøles for hurtigt, kan delvist lukkes ved mekanisk poleringstryk. For eksempel efter vibrationspolering faldt overfladebrudtætheden af ​​en bestemt flymotors turbineblad med 40 %, og den høje cyklus træthedslevetid steg med 25 %.
Frigivelse af restspænding: Kemisk polering afhjælper resterende trækspænding ved at nedbryde overfladelaget, hvilket forhindrer spændingskorrosion. Bejdsningsbehandlingen af ​​TC4 titanlegeringsdele viste, at den resterende spænding på overfladen faldt fra -150MPa til -50MPa, og korrosionshastigheden fra saltspray faldt med 60%.
Laserpolering kan forårsage omsmeltning af overfladen, hvilket kan gøre kornstørrelsen mere ensartet. Undersøgelser af høj-temperaturlegeringen Inconel 718 indikerer, at laserpolering forfiner overfladekornstørrelsen fra 50 μm til 10 μm, øger hårdheden med 15 % og reducerer oxidationsvægtforøgelsen ved 650 grader med 30 %.
3. Funktionel ydeevne: går fra grundlæggende til high-end
Forbedringen i overfladekvalitet efter-polering korrelerer direkte med optimering af funktionel ydeevne:
Forbedret slidstyrke: Glattere overflader kan gøre det mindre sandsynligt, at små konvekse enheder rører hinanden på kontaktfladen. Friktionstesten på GCr15-lejestålkomponenter viste, at polering af overfladen fra Ra1,6 μm til Ra0,2 μm fik friktionskoefficienten til at falde fra 0,15 til 0,08, og slidmængden faldt med 70 %.
Bedre modstandsdygtighed over for korrosion: En glat overflade gør det sværere for ætsende stoffer at sætte sig fast, og passiveringsfilmen, der dannes under kemisk polering, giver endnu mere beskyttelse. Efter elektrokemisk polering faldt korrosionsstrømtætheden af ​​304 rustfri ståldele i en 3,5 % NaCl-opløsning fra 1,2 × 10 ⁻⁵ A/cm ² til 2,5 × 10 ⁻⁶ A/cm ², og modstanden mod grubetæring steg med 5 gange.
Forbedret optisk ydeevne: Forskning i polering af AlSi10Mg aluminiumslegeringsspejle viser, at når overfladeruheden sænkes fra Ra3,2 μm til Ra0,05 μm, stiger den synlige lysreflektans fra 85 % til 92 %, hvilket er, hvad laserkommunikationssystemer har brug for.
4. Industrianvendelse: Flytning fra laboratoriet til fabrikken
Poleringsteknik er blevet brugt i vid udstrækning på områder, der kræver strenge overfladekvalitetsstandarder:
Luftfart: Laserpolering bruges på en bestemt type raketmotordyse for at gøre overfladen mindre ru, fra Ra12 μm til Ra0,8 μm. Den termiske cykluslevetid i et simuleret rummiljø (temperaturområde: -180 grader til 300 grader) er blevet hævet fra 50 til 200 gange.
Medicinske implantater: Efter kemisk polering gik overfladeruheden af ​​hofteledsprotese af titanlegering fra Ra8 μm til Ra0,5 μm. Dette fik cellerne til at klæbe til implantaterne 40 % bedre og fik knogler til at integrere sig med dem 30 % hurtigere.
Præcisionsstøbeform: Efter polering med formadaptiv slibning (SAG) går overfladeruheden af ​​bilsprøjtestøbeformens kerne ned til Ra0,02 μm, støbeformens levetid går op fra 100.000 gange til 500.000 gange, og produktets overfladeglans stiger med 2 niveauer.