Warum ist die Oberfläche von 3D-gedruckten Metallteilen relativ rau?

一, Pulvereigenschaften: die Ursache für kleine Fehler
1. Der doppelte Effekt der Verteilung der Pulverpartikelgrößen
Eine von der Universität des Baskenlandes in Spanien durchgeführte Studie zeigte einen linearen Zusammenhang zwischen der Oberflächenrauheit und der kleinsten Partikelgröße (D10) in der Pulverpartikelgrößenverteilung: Eine Verringerung des D10-Werts entspricht einer Verringerung der Rauheit. Wenn beispielsweise der D10-Wert in der Pulvercharge von 25 μm auf 11 μm sinkt, kann die Oberflächenrauheit der Teile von 60 μm auf weniger als 40 μm sinken. Dies funktioniert jedoch nur bei feinen Pulvern. Wenn die Größe der Pulverpartikel größer als D50 ist, spielt es keine Rolle, wie rau sie sind.
2. Der „Schneeballeffekt“ von an Dingen haftendem Pulver
Während des 3D-Druckprozesses bleibt feines, teilweise geschmolzenes Pulver an der Oberfläche des Artikels haften, wodurch Unebenheiten entstehen, die wie „Schneebälle“ aussehen. Metallografische Untersuchungen zeigen, dass die Mikrostruktur dieser Klebepulver mit dem Körper der Komponenten übereinstimmt, was darauf hindeutet, dass sie direkt aus der ursprünglichen Pulvercharge stammen. Beispielsweise kann die Verwendung von Pulver mit D50=45 μm dazu führen, dass der Durchmesser des Oberflächenklebstoffpulvers 33–47 μm erreicht, was die Rauheit erheblich erhöht.
3. Das Wichtigste an der Sphärizität des Pulvers
Wenn das Pulver nicht sehr kugelförmig ist, kann es sich ungleichmäßig verteilen und eine lockere Schicht mit einer Porosität von bis zu 10 % bilden. Diese Poren fangen noch nicht geschmolzenes Pulver auf und verursachen während des Laserschmelzprozesses Oberflächenfehler. Studien haben gezeigt, dass der Einsatz von Pulvern mit einer Sphärizität von mehr als 95 % die Oberflächenrauheit um über 30 % verringern kann.
2, Druckparameter: Eine gute Balance der Prozesskontrolle
1. Der Konflikt zwischen Energiedichte und Spritzwasser
High energy density (>100 J/mm³) kann dazu führen, dass das Schmelzbad besser fließt, es kann aber auch dazu führen, dass Metalldampf zurückprallt, wodurch geschmolzenes Metall spritzt. Diese Tröpfchen kühlen ab und verwandeln sich in kugelförmige Partikel, die an den Oberflächen der Teile haften bleiben und diese um 50 bis 80 % rauer machen. Beim Drucken mit Inconel 718 beispielsweise erhöht sich die Anzahl der Oberflächenspritzer um das Dreifache, wenn die Energiedichte von 80 J/mm³ auf 120 J/mm³ steigt.
2. Der Einfluss der Dicke der Schichten und der Textur der Erstarrung übereinander
Einer der wichtigsten Faktoren, die die Rauheit beeinflussen, ist die Dicke der Schichten. Die durch den Stufeneffekt bedingte Höhe der Oberflächenrauheit kann bei einer Schichtdicke von 20 µm bis 50 µm zwischen 10 µm und 25 µm liegen. Auch der Winkel, in dem der Laser auf die Oberfläche trifft, hat einen großen Einfluss auf die Erstarrungstextur. Wenn beispielsweise in dem Bereich, der am weitesten vom Druckzentrum entfernt ist, die Winkelabweichung mehr als 15 Grad beträgt, steigt die Oberflächenrauheit um 40 %, da das Schmelzbad nicht gleichmäßig erstarrt.
3. Raum für die Verbesserung des Scan-Ansatzes
Die standardmäßige Einweg-Scanmethode hinterlässt in regelmäßigen Abständen Streifen auf der Oberfläche des Teils. Allerdings kann die Verwendung von Schachbrett- oder Spiralscannen dieses Muster aufbrechen und die Rauheitsverteilung gleichmäßiger machen. Beim Drucken mit Titanlegierungen verringert das Spiralscanverfahren beispielsweise die Standardabweichung der Oberflächenrauheit von 8 μm auf 3 μm.
3, Post-Technologie: eine neue Art, Oberflächen zu veredeln
1. Die Grenzen der mechanischen Bearbeitung
Herkömmliche mechanische Bearbeitungen wie das CNC-Fräsen funktionieren bei komplizierten Innenhohlraumstrukturen nicht gut und funktionieren möglicherweise nicht gut mit dem Leichtbaudesign des 3D-Drucks. Beim Fräsen von Hüftimplantaten mit Gittersystemen muss beispielsweise eine Bearbeitungszugabe von mindestens 0,5 mm eingehalten werden, was zu einer Gewichtszunahme von 15 bis 20 % führt.
2. Mikroskopische Kontrolle des chemischen Polierens
Durch das selektive Auflösen von Oberflächenmikrospitzen kann durch chemisches Polieren eine Präzisionskontrolle im Nanomaßstab erreicht werden. Beim Drucken mit einer Kobalt-Chrom-Legierung kann durch chemisches Polieren mit einer kombinierten Lösung aus Salpetersäure und Salzsäure die Oberflächenrauheit von 12 μm auf 0,8 μm gesenkt werden, ohne die Gitterstruktur zu beschädigen. Bei diesem Ansatz müssen jedoch die Temperatur (± 2 Grad) und die Konzentration der Lösung (± 0,5 %) genau im Auge behalten werden. Wenn nicht, kann es zu stark korrodieren.
3. Neue Einsatzmöglichkeiten des Laserpolierens
Die Dual-Laser-Synchronpoliertechnologie kombiniert den Hauptlaser zum Aufbau von Teilen und den Sekundärlaser (Nanosekundenpuls), um Oberflächenreste von Pulver in Echtzeit zu entfernen. Dadurch kann die Oberfläche um 70 % glatter werden. Mit dieser Methode lässt sich beispielsweise die Rauheit des Edelstahldrucks ohne weiteren Aufwand von 7 μm auf 2 μm senken. Allerdings kostet die Ausrüstung drei- bis fünfmal so viel wie herkömmliche 3D-Drucker, was den Einsatz in großem Maßstab erschwert.
4. Durchbrechen des inneren Hohlraums bei der Strahlbearbeitung
Besondere Vorteile bietet die Abrasivflussbearbeitung (AFM) bei komplizierten inneren Hohlraumstrukturen. Wenn Sie ein halbfestes Medium mit Siliziumkarbid-Schleifpartikeln unter hohem Druck in den inneren Hohlraum treiben, können Sie Grate entfernen und die Oberfläche glatter machen. AFM verringert die Oberflächenrauheit des inneren Hohlraums beim Drucken von Kraftstoffdüsen für Flugzeugtriebwerke von 50 μm auf 5 μm. Außerdem bleibt der Kraftstoffflusskanal glatt.
4, Industriepraxis: Der Übergang vom Labor in die Fabrik
1. Neue Entdeckungen auf dem Gebiet der Luft- und Raumfahrt
GE Aviation stellt Treibstoffdüsen für LEAP-Triebwerke mithilfe der SLM-Technologie und der HIP-Behandlung (Hotisostatisches Pressen) her. Dadurch wird die Porosität von 0,8 % auf 0,02 % gesenkt und die Ermüdungslebensdauer um das Dreifache erhöht. Durch die Feinabstimmung des Scan-Ansatzes und der Schichtdicke (30 μm) wird die Oberflächenrauheit innerhalb von Ra12 μm gehalten, was den Standards der Luftfahrtindustrie entspricht.
2. Individuelle Nachfrage nach Medizinprodukten
Johnson&Johnson Medical hat ein Verbundwerkstoffverfahren für 3D-gedruckte Hüftgelenkimplantate entwickelt, das Vakuumglühen und chemisches Polieren kombiniert. Durch Vakuumglühen werden Restspannungen entfernt. Anschließend wird eine Polierlösung auf Zitronensäurebasis verwendet, um die Oberfläche von Ra50 μm auf Ra0,8 μm zu glätten und gleichzeitig die Biokompatibilität zu gewährleisten. Diese Methode verleiht dem Implantat eine Ermüdungslebensdauer von mehr als 20 Jahren, was mehr ist, als im klinischen Umfeld erforderlich ist.
3. Energiegeräte, die in sehr rauen Umgebungen arbeiten können
Siemens stellt Gasturbinenschaufeln mithilfe der gerichteten Rekristallisationstechnologie und der Behandlung fester Lösungen her. Dadurch wird die Kriechgeschwindigkeit von Nickel-basierten Hochtemperaturlegierungen um 80 % reduziert. Durch Regulierung des Temperaturgradienten (bei einer Ziehgeschwindigkeit von 2,5 mm/h bei 1235 Grad) wurde eine säulenförmige Kristallstruktur erzeugt, die mit der Spannungsachse übereinstimmte. Dies erhöhte die Ermüdungslebensdauer bei 650 Grad.