Faktoren, die die Oberflächenrauheit beim Metall-3D-Druck beeinflussen

Die Oberflächenrauheit von 3D-gedruckten Metallteilen variiert je nach einer Reihe von Faktoren erheblich und liegt im Allgemeinen irgendwo zwischen einigen Mikrometern und mehreren zehn Mikrometern. Im Gegensatz zu herkömmlich bearbeiteten Teilen, bei denen die Oberflächenbeschaffenheit weitgehend von der Werkzeuggeometrie und den Schnittparametern abhängt, führt die additive Metallfertigung einen viel größeren Satz von Variablen ein: - Der Druckprozess selbst, die physikalischen Eigenschaften des zu druckenden Materials und die anschließend durchgeführten Nachbearbeitungsschritte interagieren alle, um den endgültigen Oberflächenzustand zu bestimmen. Das Verständnis, wie jeder dieser Faktoren dazu beiträgt, hilft zu erklären, warum zwei Teile, die mit demselben Design gedruckt werden, letztendlich eine deutlich unterschiedliche Oberflächenqualität aufweisen können.

Laser-Pulverbettfusion (L-PBF). Dies ist eines der heute gebräuchlichsten Metall-3D-Druckverfahren. Dabei wird mithilfe eines hochenergetischen Lasers Metallpulver geschmolzen, das dann Schicht für Schicht in die endgültige Form des Teils aufgebaut wird. Unter idealen Bedingungen kann die Oberflächenrauheit mit diesem Verfahren auf etwa Ra 10–30 μm kontrolliert werden. Beispielsweise können beim Drucken von Metallteilen mit relativ einfachen Strukturen mit diesem Verfahren durch optimierte Parameter relativ geringe Rauheiten erreicht werden. Dies liegt daran, dass die Laserenergie ziemlich konzentriert ist, was eine präzise Kontrolle über die Form und Größe des Schmelzbades ermöglicht. Diese Präzision bedeutet, dass das Pulver beim Erstarren dichter schmilzt und stapelt, was dazu beiträgt, die Oberflächenrauheit bis zu einem gewissen Grad zu reduzieren. Die enge Fokussierung des Laserstrahls bedeutet auch, dass der Wärmeeintrag in das umgebende, ungeschmolzene Pulver minimiert werden kann, wodurch die Menge an teilweise gesintertem Pulver reduziert wird, das dazu neigt, an den Kanten eines gedruckten Merkmals zu haften und zu einem raueren Finish beizutragen.

Elektronenstrahlschmelzen (EBM). Bei diesem Verfahren wird Metallpulver mit einem Elektronenstrahl abgetastet und geschmolzen. Teile, die mit diesem Verfahren gedruckt werden, liegen typischerweise in einem ähnlichen allgemeinen Rauheitsbereich, obwohl die Ergebnisse je nach den Eigenschaften des Elektronenstrahls und der verwendeten Scanstrategie variieren können. Elektronenstrahlen tragen eine hohe Energie und bieten einen hervorragenden Fokus, wodurch ein hochpräzises Schmelzen und Teileformen ermöglicht wird. Bei Anwendungen, bei denen die Anforderungen an die Oberflächenqualität besonders anspruchsvoll sind, kann die Feinabstimmung der Prozessparameter die Rauheit auf nahezu Ra 10 μm oder sogar weniger senken. Es ist erwähnenswert, dass EBM typischerweise bei erhöhten Baukammertemperaturen und unter Vakuumbedingungen durchgeführt wird, was das Verhalten des Pulverbetts im Vergleich zu laserbasierten Prozessen verändert. - Die erhöhte Temperatur verringert die thermische Belastung während des Bauvorgangs, kann aber auch dazu führen, dass mehr Pulverpartikel leicht um die Konturen eines Teils zusammensintern. Dies ist ein Grund dafür, dass EBM-Oberflächen manchmal einen etwas anderen Rauheitscharakter aufweisen als L-PBF-Oberflächen, selbst wenn sie nominal sind Die Rauheitswerte sind ähnlich.

Verschiedene Metallmaterialien. Der Schmelzpunkt, die Viskosität und andere physikalische Eigenschaften eines bestimmten Materials wirken sich direkt auf die Fließfähigkeit und das Pulverausbreitungsverhalten während des Druckvorgangs aus, was wiederum die Oberflächenrauheit beeinflusst. Beispielsweise neigen Aluminiumlegierungen -, die einen relativ niedrigen Schmelzpunkt und eine gute Fließfähigkeit - haben, dazu, Lücken zu füllen und beim Drucken leichter glatte Oberflächen zu bilden, und ihre Rauheit kann im Allgemeinen den Bereich von Ra 15–25 μm erreichen. Im Gegensatz dazu können sich einige Metalle mit höheren Schmelzpunkten und größerer Viskosität, wie etwa bestimmte Hochtemperatur-Superlegierungen, während des Druckvorgangs möglicherweise nicht so ideal ausbreiten und verschmelzen, und ihre Rauheit kann etwas höher sein -, typischerweise im Bereich von Ra 20–35 μm. Dieser Unterschied ist in der Praxis von Bedeutung: Ein Teilekonstrukteur, der sich für eine bestimmte Anwendung zwischen einer Aluminiumlegierung und einer Superlegierung auf Nickelbasis entscheidet, wägt nicht nur die mechanischen Eigenschaften und die Temperaturbeständigkeit ab, sondern akzeptiert implizit auch eine andere Grundoberflächenbeschaffenheit, bevor eine Nachbearbeitung durchgeführt wird.

Legierungszusammensetzung. Auch der Anteil verschiedener Elemente innerhalb einer Legierung beeinflusst die Oberflächenrauheit. Beispielsweise kann es bei Legierungen, die einen höheren Anteil an leicht oxidierenden Elementen enthalten, zu einer Verschlechterung der Oberflächenqualität aufgrund der während des Druckvorgangs auftretenden Oxidation kommen, was wiederum die Rauheit erhöht. Dieser Effekt ist besonders relevant für Metall-3D-Druckprozesse, die nicht in einer vollständig inerten oder Vakuumumgebung ablaufen, wo sich Spuren von Sauerstoff, der während des Schmelzzyklus jeder Schicht ausgesetzt ist, zu einem messbaren Effekt auf der fertigen Oberfläche im Laufe eines Aufbaus ansammeln können, der Tausende einzelner Schichten umfassen kann.

Wärmebehandlung. Eine geeignete Wärmebehandlung kann innere Spannungen abbauen und die metallurgische Struktur eines Teils verbessern, wodurch die Oberflächenrauheit verringert wird. Nach der Wärmebehandlung kann die Oberfläche eines Teils deutlich gleichmäßiger werden und die Rauheit um mehrere Mikrometer verringert werden. Beispielsweise trägt das Glühen eines gedruckten Metallteils nach dem Aufbau dazu bei, die Kornstruktur zu verfeinern und die Mikrostruktur der Oberfläche gleichmäßiger zu machen. Die Rauheit kann von etwa Ra 20 μm vor der Behandlung auf etwa Ra 15 μm nach der Behandlung reduziert werden. Während die Wärmebehandlung häufig in erster Linie zum Abbau von Restspannungen und zur Verbesserung mechanischer Eigenschaften wie Duktilität eingesetzt wird, ist ihre Auswirkung auf die Oberflächenrauheit ein nützlicher sekundärer Vorteil -, den Konstrukteure bei der Planung der gesamten Nachbearbeitungssequenz eines Teils manchmal übersehen, obwohl sie den Umfang der nachgelagerten mechanischen Endbearbeitung deutlich reduzieren kann.

Mechanische Bearbeitung. Durch mechanische Bearbeitungsverfahren wie Schleifen und Polieren lässt sich die Rauheit deutlich reduzieren. Durch Schleifen werden Oberflächenvorsprünge und Unvollkommenheiten entfernt, wodurch die Gesamtebenheit der Oberfläche verbessert wird. Durch das Polieren wird die Oberfläche dann weiter verfeinert, sodass die Rauheit auf wenige Mikrometer oder sogar weniger sinkt. Beispielsweise kann die Rauheit eines 3D-gedruckten Metallteils nach dem Feinpolieren unter Ra 5 μm liegen und so den Anforderungen von Anwendungen mit extrem hohen Anforderungen an die Oberflächengüte, wie beispielsweise Komponenten optischer Instrumente, gerecht werden. Diese Art der Endbearbeitungssequenz - Wärmebehandlung zur Stabilisierung des Materials, gefolgt von Schleifen, um grobe Oberflächenmerkmale zu entfernen, gefolgt von Polieren, um die endgültige Oberflächenqualität zu erreichen - spiegelt wider, dass die Reduzierung der Rauheit bei der additiven Metallfertigung selten in einem einzigen Schritt erreicht wird. Stattdessen handelt es sich in der Regel um eine mehrschichtige Kombination aus thermischen und mechanischen Behandlungen, die sich jeweils auf ein anderes Ausmaß an Oberflächenunregelmäßigkeiten beziehen, vom Massenspannungsabbau bis hin zur Glätte im Mikrometerbereich.

Insgesamt interagieren diese drei Kategorien von Faktoren - Prozesstyp, Materialeigenschaften und Nachbearbeitungsmethode -, anstatt unabhängig voneinander zu wirken. Ein über L-PBF gedrucktes Teil aus einer niedrig-viskosen Aluminiumlegierung mit gut-optimierten Parametern kann bereits im Rohzustand eine relativ günstige Rauheit erreichen, während das gleiche Design, das über EBM aus einer hoch-viskosen Superlegierung gedruckt wurde, möglicherweise von einer raueren Grundlinie ausgeht, noch bevor eine Nachbearbeitung angewendet wird. Das bedeutet, dass das Erreichen einer angestrebten Oberflächengüte für eine bestimmte Anwendung nicht nur eine Frage der Festlegung eines Nachbearbeitungsschritts am Ende des Arbeitsablaufs ist, sondern dass von Anfang an die Prozess- und Materialauswahl berücksichtigt werden muss, da diese vorgelagerten Entscheidungen die praktische Unter- und Obergrenze dessen festlegen, was mit der Nachbearbeitung realistischerweise erreicht werden kann. Bei Anwendungen mit strengen Anforderungen an die Oberflächenbeschaffenheit können Ingenieure durch das Verständnis der Wechselwirkung dieser Variablen von Anfang an die richtige Kombination aus Prozess, Material und Veredelungsmethode auswählen, anstatt zu versuchen, einen schlechten anfänglichen Oberflächenzustand durch umfangreiche und kostspielige nachgelagerte Bearbeitungen auszugleichen.