Können 3D-gedruckte Metallteile einen Spiegeleffekt erzielen?

1. Technisches Prinzip: Wie kann der 3D-Druck die Anforderungen von Spiegeln erfüllen?
Der Hauptvorteil des 3D-Metalldrucks besteht darin, dass komplizierte Formen sofort hergestellt werden können. Allerdings unterscheidet sich seine anfängliche Oberflächenrauheit (Ra10–50 μm) stark vom Spiegelstandard (Ra<0.01 μ m). To get the mirror effect, you need to work together on "printing+post-processing":
Grundlagen des hochpräzisen-Druckens
Die Selective Laser Melting (SLM)-Technologie beispielsweise kombiniert eine dünne Schicht aus 20–60 μm dickem Pulver und einen nur wenige Mikrometer breiten Laserpunkt, um eine Maßgenauigkeit von ± 20–50 μm zu erreichen. Dies ergibt eine stabile Basis zum späteren Polieren. Das vollständige Prozesszentrum für die additive Metallfertigung, an dem Hanbang Laser und Zhongnan Zhicheng gemeinsam gearbeitet haben, hat die anfängliche Rauheit von Turbinenschaufeln durch verbesserte Scanstrategien und Steuerung der Schichtdicke auf Ra12 μm gesenkt. Dies ermöglicht die Bearbeitung von Spiegeln.
Einfluss von Materialeigenschaften
Aufgrund ihres niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und ihrer hohen Korrosionsbeständigkeit sind Titanlegierungen, Edelstahl und andere Materialien die beste Wahl für die Spiegelbearbeitung. Beispielsweise kann die in der Luft- und Raumfahrtindustrie häufig verwendete TC4-Titanlegierung Poren durch heißisostatisches Pressen (HIP) nach dem SLM-Druck entfernen. Dadurch beträgt die Materialdichte 99,9 % und das Polieren wird deutlich gleichmäßiger.
2. Prozesspfad: Ein Blick auf den gesamten Prozess, vom Drucken bis zum Spiegeln
Für ein spiegelndes Erscheinungsbild müssen Sie vier Hauptschritte durchlaufen: Grobschleifen, Feinschleifen, Polieren und Beschichten. Jeder Schritt erfordert eine sorgfältige Kontrolle:
Entfernen von Schichten und Fehlstellen durch Grob- und Feinschliff
Mechanisches Schleifen: Verwenden Sie Diamantschleifscheiben oder Siliziumkarbid-Schleifpapier, um gedruckte Schichtmuster langsam zu entfernen. Beispielsweise werden beim 3D-Druck in Jialichuang automatisierte Schleifgeräte verwendet, um BJ-Prozessteile weniger rau zu machen, von Ra2,4 μm auf Ra0,8 μm, bei gleichbleibender Genauigkeit.
Chemisches Ätzen: Saure Lösungen werden verwendet, um Oberflächenvorsprünge an komplexen inneren Hohlraumgeometrien selektiv aufzulösen, wodurch der Materialabtrag gleichmäßiger erfolgt. Beispielsweise verwendete ein Luftfahrtunternehmen eine Ätzlösung auf Phosphorsäurebasis, um Triebwerksschaufeln weniger abrasiv zu machen, und zwar von Ra15 μm auf Ra3 μm.
Polieren: Der Sprung von Unter-Spiegel zu Spiegel
Mechanisches Polieren: Bei der dreistufigen Poliermethode von WENDT wird eine grobe Polierscheibe zum Entfernen von Schleifspuren, eine mittlere Polierscheibe zum Glätten der Oberfläche und eine feine Polierscheibe zum Erzielen einer Hochglanzpolitur verwendet. Beispielsweise weisen die Hüftimplantate von Johnson & Johnson nach dieser Behandlung eine Oberflächenrauheit von Ra0,05 μm auf, was den Biokompatibilitätskriterien entspricht.
Stressfreies Polieren ist durch elektrolytisches Polieren möglich, bei dem kleine Unebenheiten auf der Oberfläche mithilfe von Elektrizität gelöst werden. Beispielsweise verwendet eine bestimmte Uhrenmarke einen Elektrolyten auf der Basis von Salpetersäure, um das Gehäuse aus 316L-Edelstahl weniger rau zu machen (von Ra0,8 μm auf Ra0,02 μm) und gleichzeitig das Gehäuse dadurch korrosionsbeständiger zu machen.
Beschichtung: eine doppelte Verbesserung von Funktion und Dekoration
Physical Vapour Deposition (PVD): Bei diesem Verfahren werden harte Beschichtungen wie TiN und CrN auf Spiegelsubstrate aufgebracht. Die Dicke kann zwischen 0,5 und 2 μm reguliert werden. Dies macht die Beschichtungen widerstandsfähiger gegen Abnutzung und verleiht ihnen schöne Effekte wie Gold und Schwarz. Beispielsweise hat ein Automobilhersteller die PVD-Technologie eingesetzt, um Schaltwippen mehr als 500.000 Mal haltbar zu machen.
Chemische Vernickelung: Der stromlose Abscheidungsprozess erzeugt eine gleichmäßige Nickelschicht auf komplex gekrümmten Oberflächen mit einer Dicke von 10 bis 20 μm. Beispielsweise hat ein Flugzeughersteller die Korrosionsbeständigkeit von Treibstoffdüsen durch stromlose Vernickelung um das Dreifache erhöht und dabei die Abmessungen auf ± 0,01 mm genau gehalten.
3. Verwendung im Geschäftsleben: Häufige Verwendungszwecke für den Spiegel-3D-Druck
Bereich Luft- und Raumfahrt
Turbinenschaufeln, Brennkammern und andere Teile müssen sowohl hohen Temperaturen als auch einer guten Aerodynamik standhalten. GE Aviation nutzte beispielsweise das elektrolytische Polierverfahren SLM+, um die Oberfläche der LEAP-Triebwerksschaufeln weniger rau zu machen, und zwar von Ra10 μm auf Ra0,2 μm. Dadurch wurde der Kraftstoffverbrauch des Motors um 2 % gesenkt.
Bereich Medizinprodukte
Orthopädische Implantate, chirurgische Instrumente und andere Dinge müssen biokompatibel sein und Bakterien bekämpfen. Beispielsweise stellte ein bestimmtes Unternehmen eine 3D--gedruckte Hüftgelenkspfanne aus Titanlegierung her, die nach dem elektrolytischen Polieren eine Oberflächenrauheit von Ra0,03 μm aufweist. Dadurch ist es weniger wahrscheinlich, dass Keime daran haften bleiben, und das Infektionsrisiko nach einer Operation ist deutlich geringer.
Im Bereich Unterhaltungselektronik
Scharniere für Faltbildschirme, hochwertige-Uhrengehäuse und andere Dinge müssen sowohl leicht als auch stabil sein. Hanbang Laser stellte beispielsweise ein Scharnier aus Titanlegierung für eine bestimmte Mobiltelefonmarke her. Es war 0,3 mm dick und hatte eine Oberflächenhärte von HV1200, was den Anforderungen von 200.000-fachen Tests entsprach.