Welche Anforderungen an die Oberflächenrauheit gelten für den Metall-3D-Druck in verschiedenen Branchen?

一, Die technische Bedeutung und der industrielle Einfluss der Oberflächenrauheit.
Die Oberflächenrauheit (Ra) ist ein Schlüsselmaß für die mikro-geometrische Form der Oberfläche. Die ermittelte Zahl hat direkten Einfluss darauf, wie gut das Bauteil Verschleiß, Korrosion, Ermüdung und Abdichtung widersteht. Beim 3D-Druck mit Metall wird der Ra-Wert von Dingen wie der Größe der Pulverpartikel, der Dicke der Schichten, der Leistung des Lasers und der Scantechnik beeinflusst. Beispielsweise kann feines Pulver (15–45 μm) einen Ra-Wert von nur 3–5 μm haben, da es gut fließt und das Schmelzbad gleichmäßig füllt. Grobe Pulver (53–105 μm) haben dagegen meist Ra-Werte zwischen 8 und 12 μm, da ihre Partikel zu groß sind.
Meist liegen die Ra-Werte nicht optimierter Druckteile zwischen 7 und 20 μm. Dieses Niveau kann die meisten industriellen Anforderungen erfüllen, obwohl in der High-End-Industrie große Funktionsrisiken bestehen.
Luft- und Raumfahrt: Raue Oberflächen können leicht zu Spannungen führen, die dazu führen können, dass Triebwerksschaufeln zu früh brechen, wenn sie hoher Temperatur und hohem Druck ausgesetzt sind.
Medizinische Implantate: Ra-Werte über 3,2 μm erhöhen die Gefahr, dass Mikroorganismen daran haften bleiben und nach einer Operation Infektionen verursachen können;
Unterhaltungselektronik: Oberflächenrauheiten können es optischen Teilen erschweren, Licht durchzulassen, und die Klarheit der Bilder beeinträchtigen.
2, Die Bedürfnisse und Beispiele der Branchendifferenzierung
1. Luft- und Raumfahrt: Das ultimative Ziel von Ra ist kleiner oder gleich 1,6 μm
In der Luft- und Raumfahrtbranche gelten sehr strenge Standards für die Zuverlässigkeit von Teilen. Beispielsweise müssen Turbinenschaufeln einer Zentrifugalkraft von 100.000 Umdrehungen pro Minute bei einer hohen Temperatur von 1300 Grad Celsius standhalten. Selbst geringfügige Oberflächenfehler können verheerende Auswirkungen haben. In der Geschäftswelt hat sich Folgendes herausgestellt:
Technischer Standard: Um das Risiko des Ablösens der Oxidationsschicht bei hohen Temperaturen zu verringern, sollte der Ra-Wert wesentlicher Teile zwischen 0,8 und 1,6 μm gehalten werden.
In einem typischen Szenario wurde die Technologie des selektiven Laserschmelzens (SLM) verwendet, um einkristalline Rotorblätter für einen bestimmten Flugzeugtriebwerkstyp zu drucken. Anschließend wurde die Oberfläche durch Vakuum-Elektropolieren glatter gemacht, wodurch die Rauheit von Ra12 m auf Ra0,8 m gesenkt und die Ermüdungslebensdauer um 40 % erhöht wurde.
Prozessinnovation: Die Huashu High Tech FS200M-Maschine verfügt über einen 40 μm großen feinen Lichtfleck, der Ra3,0 μm-Teile direkt drucken kann. Dies entspricht den Anforderungen der Luft- und Raumfahrtindustrie an die Massenproduktion kleiner Präzisionsteile.
2. Medizinische Implantate: Rote Biokompatibilitätslinie mit Ra 3,2 m
Die Medizinbranche braucht raue Oberflächen, weil sie für Menschen sicherer sind und besser mit anderen Dingen zusammenarbeiten:
Orthopädische Implantate: Gelenkprothesen aus Titanlegierungen müssen die trabekuläre Struktur des Knochens nachahmen, wobei die Oberflächenrauheit auf Ra1,5–2,5 μm eingestellt ist, um die Adhäsion und Proliferation von Knochenzellen zu erleichtern;
Zahnimplantate: Der Ra-Wert des Gewindebereichs muss kleiner oder gleich 3,2 μm sein; andernfalls könnte die Entwicklung von Bakterien eine Periimplantitis verursachen.
Die Optimierung der gesamten Prozesskette von Yunyao Shenwei (ultra-feine Pulververteilung + hoch-präzise optische Wegsteuerung) verleiht der Oberfläche eine Qualität von Ra0,8–2,8 μm. Das bedeutet, dass Implantate ohne zusätzliche Bearbeitung direkt in den Operationssaal gelangen können.
3. Elektronik für Verbraucher: Ra Kleiner oder gleich 0,8 μm ist das optische Qualitätskriterium.
Der Trend zu kleineren Produkten und mehr Funktionen in der Unterhaltungselektronik treibt die Suche nach glatten Oberflächen voran.
Optische Teile: Die Halterung für die Handykamera muss einen Ra von 0,8 μm oder weniger haben, um unscharfe Bilder durch Lichtstreuung zu vermeiden.
Strukturteile: Damit Laptop-Scharniere nicht zu schnell verschleißen, müssen sie mit einer Oberfläche behandelt werden, die einen Ra von weniger als 1,6 μm aufweist.
Branchenpraxis: Die iSLM80P-Ausrüstung von Zhongrui Technology nutzt einen 25-m-Spot und eine dynamische Pulververteilungstechnologie, um Mikroantennen mit Ra 3,2 m direkt zu drucken. Dadurch wird die Nachbearbeitungszeit im Vergleich zu Standardmethoden um 80 % verkürzt.
4. Energie und Form: ein guter Kompromiss zwischen Kosten und Ra. Weniger als oder gleich 6,3 μm
Bei der Herstellung von Energiegeräten und Formen muss die Oberflächenrauheit eine gute Mischung aus Kosten und Leistung sein:
Gasturbinenbrennkammer: Sie muss hohen Temperaturen von 1200 Grad und Gaserosion standhalten können. Um einen Kompromiss zwischen Korrosionsbeständigkeit und Verarbeitungseffizienz zu finden, muss die Oberflächenrauheit zwischen Ra3,2 und 6,3 μm gehalten werden.
Spritzgussform: Der Ra-Wert der Oberfläche des konformen Kühlkanals sollte kleiner oder gleich 6,3 μm sein. Ist dies nicht der Fall, kann es zu Verformungen des Produkts kommen, da es nicht gleichmäßig abkühlt.
Beispielsweise wurde die SLM-Technologie zum Drucken einer bestimmten Art von Autoform verwendet. Durch chemisches Polieren wurde der Ra-Wert von 15 μm auf 6,3 μm gesenkt, wodurch die Lebensdauer der Form um 30 % verlängert wurde.