Was sind die gängigen Oberflächenbehandlungsmethoden für den Metall-3D-Druck?

1, mechanische Präzisionsbearbeitung: von traditioneller Handwerkskunst bis hin zu intelligenter Modernisierung
Mechanische Präzisionsbearbeitung ebnet Oberflächen durch physikalischen Materialabtrag. Dies ist die Hauptmethode zur Endbearbeitung des 3D-Metalldrucks. Die wichtigsten Dinge, die es tut, sind:
manuelles Polieren
Die Verwendung von Geräten wie Schleifpapier und Polierpaste zum schrittweisen Polieren kann die Rauheit der Oberfläche erheblich reduzieren (der Ra-Wert kann von 10–20 μm auf weniger als 0,8 μm sinken). Dieses Verfahren hängt andererseits stark von der Betriebserfahrung ab, ist nicht sehr wiederholbar oder effizient und eignet sich nur für die Herstellung kleiner Chargen von Produkten mit hohem{4}}Wert-wie Schmuck und Kunst.
CNC-Schleifen mit numerischer Steuerung
Durch die gemeinsame Verwendung von CNC-Werkzeugmaschinen und Diamantschneidwerkzeugen können komplizierte Oberflächen mit sehr hoher Genauigkeit (± 0,01 mm) hergestellt werden. Es ist jedoch schwierig, mit komplizierten Merkmalen wie internen Strömungskanälen und Gitterstrukturen zu arbeiten, da die Werkzeuge schwer zugänglich sind. Die Elektroerosionstechnik (EDM) wird benötigt, um beispielsweise Kühllöcher in die Turbinenschaufeln von Flugzeugtriebwerken zu bohren.
System zum automatischen Polieren
Zhejiang Tuobo und andere Unternehmen haben ein automatisches Roboterpoliersystem auf den Markt gebracht, das mithilfe visueller 3D-Positionierung und Force-Feedback-Steuerung Stützstrukturen entfernen und gleichzeitig Oberflächen polieren kann. Dieses System kann mit Robotern verschiedener Unternehmen wie ABB und KUKA arbeiten. Es ist drei- bis fünfmal schneller als die gleiche Arbeit von Hand und hält die Oberflächenungenauigkeit unter ± 0,05 mm. Es wird häufig in Bereichen wie medizinischen Geräten und Autoteilen eingesetzt.
2. Chemische und elektrochemische Behandlung: Kontrolle der Mikrostruktur und Hinzufügen neuer Funktionen
Eine chemische Behandlung verändert die Oberfläche eines Materials, indem sie es auflöst oder ablagert. Seine Haupttätigkeiten sind:
Polieren mit Chemikalien
Durch die selektive Auflösung der Oberfläche mit sauren oder alkalischen Lösungen können Fehler wie Sphäroidisierung und Schlacke, die beim Drucken entstehen, beseitigt werden. Durch chemisches Polieren kann beispielsweise die Oberfläche von Implantaten aus Titanlegierungen weniger rau gemacht werden, von 6–12 μm auf 0,2–1 μm, und es kann auch eine Passivierungsschicht erzeugt werden, um sie korrosionsbeständiger zu machen. Dieser Prozess hat erhebliche Auswirkungen auf die Behandlung von Hohlstrukturen, allerdings ist eine strenge Kontrolle der Konzentration und Temperatur der Lösung erforderlich, um übermäßige Korrosion zu vermeiden.
Elektrochemisches Polieren (ECP)
Verwenden Sie Gleichstrom im Elektrolyten, um die Mikrovorsprünge auf der Metalloberfläche selektiv aufzulösen. Dadurch wird die Oberfläche spiegelglatt (Ra-Wert kann 0,01 μm oder weniger betragen). Viele medizinische Geräte verwenden diese Methode. Beispielsweise wird nach der ECP-Behandlung die Oberflächenrauheit von Gelenkprothesen aus Kobalt-Chrom-Legierung um 90 % reduziert, die Verschleißfestigkeit wird um das Dreifache erhöht und Druckschichtmuster können eliminiert werden, wodurch die Anforderungen der Biokompatibilität erfüllt werden.
Eloxieren
Durch elektrolytische Prozesse können auf Leichtmetalllegierungen wie Aluminiumlegierungen dichte Oxidschichten (5–20 μm dick) entstehen. Diese Filme können die Härte (bis zu 500 HV) und die Korrosionsbeständigkeit erheblich erhöhen. Nach einer Hartanodisierungsbehandlung können Flugzeugbauteile beispielsweise in einer Salzsprühnebelumgebung mit 3,5 % NaCl der Korrosion mehr als 5000 Stunden lang standhalten. Die mikroporöse Beschaffenheit der Filmschicht kann außerdem Schmiermittel aufsaugen und den Reibungskoeffizienten senken.
3. Beschichtungs- und Galvanisierungstechnologie: Kombination von funktionellem Schutz und Dekoration
Die Beschichtungstechnologie erzeugt eine Schutzschicht auf der Oberfläche, indem sie physikalisch oder chemisch etwas abscheidet. Die Hauptschritte in diesem Prozess sind:
PVD steht für Physical Vapour Deposition.
Verwendung von hochenergetischem Ionenbeschuss, um harte Beschichtungen wie TiN und CrN auf die Oberfläche des Substrats aufzutragen. Dieser Prozess kann die Verschleißfestigkeit von Formstahl erheblich verbessern (und seine Lebensdauer um das 3- bis 5-fache verlängern), und die Beschichtungsdicke beträgt nur 1-5 μm, ohne die Maßhaltigkeit der Teile zu beeinträchtigen. Beispielsweise verwendete ein Unternehmen PVD zur Bearbeitung 3D-gedruckter Formen und erhöhte die Prägefrequenz von 100.000 auf 500.000 Mal.
Galvanisierung und chemische Beschichtung
Beim Galvanisieren werden durch elektrolytische Reaktionen Metallschichten (wie Ni und Cu) auf einer Oberfläche abgeschieden, wodurch diese weniger korrodiert und leitfähiger wird. Bei der chemischen Beschichtung hingegen werden selbst-katalytische Reaktionen genutzt, um die Oberfläche eben zu machen (wie bei der chemischen Beschichtung mit einer Nickel-Phosphor-Legierung). Beispielsweise nutzt ein Unternehmen die chemische Vernickelung, um Kühlkörper aus Kupferlegierungen in 3D zu drucken. Dadurch sind sie 1.000 statt 48 Stunden salzsprühbeständig und weisen dennoch eine Wärmeleitfähigkeit von 200 W/(m·K) oder mehr auf.
Besprühen und mit Puder bedecken
Beim Sprühbeschichten wird ein Luftstrom mit hohem -Druck verwendet, um Pulver oder flüssige Beschichtung auf die Oberfläche zu kleben und so eine Schutzschicht mit einer Dicke von 20–100 μm zu erzeugen. Beim Pulversprühen hingegen wird das Pulver durch elektrostatische Adsorption gleichmäßig verteilt und bildet beim Abkühlen eine dicke Schicht. Diese Methode eignet sich für Outdoor-Werkzeuge, Industriemaschinen und andere Situationen. Beispielsweise verwendet ein Unternehmen eine Pulverbeschichtung zur Behandlung von 3D-gedruckten Stahlkonstruktionselementen, wodurch diese mehr als 2000 Stunden lang beständig gegen neutralen Salzsprühnebel sind.
4. Neue Technologien: Laser- und Verbundprozesse führen die Innovation an: Laserpolieren
Verwendung von hochenergetischen Laserstrahlen, um Oberflächenmaterialien in einem kleinen Bereich zu schmelzen und dann das Schmelzbad fließen zu lassen, um die Oberfläche zu ebnen. Diese Methode eignet sich für gekrümmte Oberflächen, die schwer zu erreichen sind und über eine kleine Wärmeeinflusszone verfügen (weniger als oder gleich 0,1 mm). Beispielsweise verwendet ein bestimmtes Unternehmen Laserpolieren, um Nickel-basierte Hochtemperaturlegierungen in 3D zu drucken, wodurch die Oberflächenrauheit von Ra 8 μm auf Ra 2 μm reduziert wird, während die mechanischen Eigenschaften des Materials unverändert bleiben.
Abrasive Flow Machining (AFM)
Um komplexe Merkmale wie Querlöcher und interne Strömungskanäle zu polieren, wird viskoelastisches Schleifmaterial durch die Innenkammer des Bauteils geleitet. Dieses Verfahren kann an schwer zugänglichen Stellen funktionieren. Beispielsweise nutzt ein Unternehmen AFM zur Bearbeitung von 3D-gedruckten Treibstoffdüsen für Flugzeuge, wodurch die Innenfläche weniger rau wird (von Ra 16 μm auf Ra 1,6 μm) und die Strömungsgleichmäßigkeit um 20 % verbessert wird.
Integration zusammengesetzter Prozesse
Durch die Zusammenarbeit mehrerer Verarbeitungsmethoden wird die Leistung gesteigert. Beispielsweise setzt ein bestimmtes Unternehmen für den 3D-Druck von Titanlegierungsimplantaten ein Kombinationsverfahren aus „chemischem Polieren + Eloxieren + PVD-Beschichtung“ ein, das die Oberflächenrauheit auf Ra 0,05 μm reduziert, die Korrosionsbeständigkeit um das Fünffache verbessert und die Haftfestigkeit zwischen der Beschichtung und dem Substrat 40 MPa erreicht und damit die langfristigen Serviceanforderungen orthopädischer Implantate erfüllt.