Overfladeruheden af metal 3D-printede dele varierer betydeligt afhængigt af en række faktorer og falder generelt et sted mellem nogle få mikrometer og flere titusvis af mikrometer. I modsætning til traditionelt bearbejdede dele, hvor overfladefinish i vid udstrækning er en funktion af værktøjsgeometri og skæreparametre, introducerer metaladditiv fremstilling et meget bredere sæt af variabler - selve printprocessen, de fysiske egenskaber ved materialet, der udskrives, og efter-behandlingstrinene, der anvendes bagefter, interagerer for at bestemme den endelige overfladetilstand. At forstå, hvordan hver af disse faktorer bidrager, hjælper med at forklare, hvorfor to dele, der er trykt fra det samme design, kan ende med en meningsfuldt forskellig overfladekvalitet.
Indflydelsen af procestype
Laser Powder Bed Fusion (L-PBF). Dette er en af de mere almindelige metal 3D-printprocesser i brug i dag. Det virker ved at bruge en høj-energilaser til at smelte metalpulver, som derefter bygges op lag for lag til den endelige delform. Under ideelle forhold kan overfladeruheden med denne proces kontrolleres til omkring Ra 10-30μm. For eksempel, når man udskriver metaldele med relativt enkle strukturer ved hjælp af denne proces, kan relativt lave ruhedsniveauer opnås, når parametrene er blevet optimeret. Dette skyldes, at laserenergien er ret koncentreret, hvilket tillader præcis kontrol over formen og størrelsen af smeltebassinet. Denne præcision betyder, at pulveret smelter sammen og stables tættere, når det størkner, hvilket hjælper med at reducere overfladens ruhed til en vis grad. Laserstrålens stramt fokuserede natur betyder også, at termisk input til omgivende, usmeltet pulver kan minimeres, hvilket reducerer mængden af delvist sintret pulver, der har tendens til at klæbe til kanterne af et trykt element og bidrage til en mere ru finish.
Elektronstrålesmeltning (EBM). Denne proces bruger en elektronstråle til at scanne og smelte metalpulver. Dele, der udskrives ved hjælp af denne proces, falder typisk inden for et lignende generelt ruhedsområde, selvom resultaterne kan variere afhængigt af elektronstrålens karakteristika og den anvendte scanningsstrategi. Elektronstråler bærer høj energi og giver fremragende fokus, hvilket muliggør høj-præcisionssmeltning og deldannelse. I applikationer, hvor krav til overfladekvalitet er særligt krævende, kan finjustering af procesparametre nedbringe ruheden til tæt på Ra 10μm eller endnu lavere. Det er værd at bemærke, at EBM typisk udføres ved forhøjede bygge-kammertemperaturer og under vakuumforhold, hvilket ændrer, hvordan pulverlejet opfører sig sammenlignet med laser-baserede processer - den forhøjede temperatur reducerer termisk spænding under opbygningen, men det kan også forårsage, at flere pulverpartikler let sinter sammen omkring en dels overflade, hvilket nogle gange er en lidt anderledes årsag til EBM's kontur. karakter end L-PBF-overflader, selv når nominelle ruhedsværdier er ens.
Materialeegenskabernes rolle
Forskellige metalmaterialer. Et givet materiales smeltepunkt, viskositet og andre fysiske egenskaber påvirker direkte flydeevnen og pulverspredningsadfærden under trykningsprocessen, hvilket igen påvirker overfladens ruhed. For eksempel har aluminiumlegeringer -, som har et relativt lavt smeltepunkt og god flydeevne -, tendens til at udfylde huller og danne glatte overflader lettere under udskrivning, og deres ruhed kan generelt nå intervallet Ra 15-25μm. I modsætning hertil kan nogle metaller med højere smeltepunkter og større viskositet, såsom visse høje-superlegeringer, muligvis ikke spredes og smelte sammen som ideelt under printprocessen, og deres ruhed kan løbe noget højere - typisk i området Ra 20-35μm. Denne forskel har betydning i praksis: En deldesigner, der vælger mellem en aluminiumslegering og en nikkel-baseret superlegering til en given anvendelse, vejer ikke kun mekaniske egenskaber og temperaturmodstand, men accepterer også implicit en anden basislinjeoverfladefinish, før enhver efterbehandling{14}}påføres.
Legeringssammensætning. Andelen af forskellige elementer i en legering påvirker også overfladeruheden. For eksempel kan legeringer, der indeholder en højere andel af let oxiderede elementer, opleve forringelse af overfladekvaliteten på grund af oxidation, der forekommer under trykningsprocessen, hvilket igen øger ruheden. Denne effekt er især relevant for metal 3D-printprocesser, der ikke fungerer i et fuldstændigt inert eller vakuummiljø, hvor spor ilteksponering under hvert lags smeltecyklus kan akkumulere til en målbar effekt på den færdige overflade i løbet af en konstruktion, der kan involvere tusindvis af individuelle lag.
Postbehandlingsmetoders rolle.-
Varmebehandling. Passende varmebehandling kan lindre indre spændinger og forbedre den metallurgiske struktur af en del og derved reducere overfladens ruhed. Efter varmebehandling kan en dels overflade blive mærkbart mere jævn, med ruhed reduceret med flere mikrometer. For eksempel hjælper udglødning af en trykt metaldel efter konstruktionen med at forfine kornstrukturen, hvilket gør overfladens mikrostruktur mere ensartet. Ruhed kan reduceres fra omkring Ra 20μm før behandling til omkring Ra 15μm efterfølgende. Mens varmebehandling ofte anvendes primært for at lindre resterende spænding og forbedre mekaniske egenskaber såsom duktilitet, er dens effekt på overfladeruhed en nyttig sekundær fordel -, som designere nogle gange overser, når de planlægger en dels fulde efter-behandlingssekvens, selvom det kan reducere mængden af mekanisk efterbehandling, der er nødvendig nedstrøms.
Mekanisk bearbejdning. En væsentlig reduktion af ruheden kan opnås gennem mekaniske bearbejdningsmetoder såsom slibning og polering. Slibning fjerner fremspring og ufuldkommenheder på overfladen, hvilket forbedrer overfladens overordnede fladhed. Polering forfiner derefter overfladen yderligere, hvilket bringer ruheden ned til blot et par mikrometer eller endnu lavere. For eksempel, efter finpolering, kan ruheden af en 3D-printet metaldel nå under Ra 5μm, hvilket opfylder kravene til applikationer med ekstremt høje krav til overfladefinish, såsom optiske instrumentkomponenter. Denne form for efterbehandlingssekvens - varmebehandling for at stabilisere materialet, efterfulgt af slibning for at fjerne grove overfladetræk, efterfulgt af polering for at opnå den endelige overfladekvalitet - afspejler, hvordan ruhedsreduktion i metaltilsætningsfremstilling sjældent opnås gennem et enkelt trin. I stedet involverer det typisk en lagdelt kombination af termiske og mekaniske behandlinger, der hver adresserer en forskellig skala af overfladeuregelmæssigheder, fra bulkspændingsaflastning ned til glathed på mikronniveau.
At sætte det hele sammen
Som helhed interagerer disse tre kategorier af faktorer - procestype, materialeegenskaber og efter-behandlingsmetode - i stedet for at handle uafhængigt. En del, der er printet via L-PBF fra en aluminiumslegering med lav-viskositet med godt-optimerede parametre, kan allerede opnå en relativt gunstig som-bygget ruhed, mens det samme design, der er printet fra en superlegering med høj-viskositet via EBM, kan starte fra en mere ru baseline{9}, selv før nogen efterbehandling{9}. Dette betyder, at opnåelse af en måloverfladefinish for en given applikation ikke blot er et spørgsmål om at specificere et efter-behandlingstrin i slutningen af workflowet - det kræver, at man overvejer processen og materialevalget fra starten, da disse upstream-beslutninger sætter det praktiske gulv og loft for, hvad efter-behandling realistisk kan opnå. For applikationer med strenge krav til overfladefinish giver forståelsen af, hvordan disse variabler interagerer, ingeniører mulighed for at vælge den rigtige kombination af proces, materiale og efterbehandlingsmetode fra starten i stedet for at forsøge at kompensere for en dårlig initial overfladetilstand gennem omfattende og kostbar nedstrømsbehandling.