¿Por qué la superficie de las piezas metálicas impresas en 3D es relativamente rugosa?

一, Características del polvo: la causa de pequeños defectos
1.El doble efecto de la distribución del tamaño de las partículas de polvo.
Un estudio realizado por la Universidad del País Vasco en España demostró una correlación lineal entre la rugosidad de la superficie y el tamaño de partícula más pequeño (D10) en la distribución del tamaño de las partículas de polvo: una disminución en el valor D10 corresponde a una reducción de la rugosidad. Cuando el D10 en el lote de polvo baja de 25 μm a 11 μm, por ejemplo, la rugosidad de la superficie de las piezas puede bajar de 60 μm a menos de 40 μm. Pero esto sólo funciona con polvos finos. Cuando el tamaño de las partículas de polvo es mayor que D50, no importa cuán rugoso sea.
2. El "efecto bola de nieve" del polvo que se pega a las cosas
Durante el proceso de impresión 3D, el polvo fino parcialmente derretido se adherirá a la superficie del artículo, formando protuberancias que parecen "bolas de nieve". La investigación metalográfica revela que la microestructura de estos polvos adhesivos se alinea con el cuerpo de los componentes, lo que sugiere que provienen directamente del lote de polvo original. Por ejemplo, emplear polvo con D50=45 μm puede hacer que el diámetro del polvo adhesivo de la superficie alcance entre 33 y 47 μm, lo que aumenta considerablemente la rugosidad.
3. Lo más importante de la esfericidad del polvo.
Si el polvo no es muy esférico, puede extenderse de manera desigual y formar una capa suelta con una porosidad de hasta el 10%. Estos poros atraparán el polvo que aún no se ha derretido y provocarán defectos en la superficie durante todo el proceso de fusión con láser. Los estudios han demostrado que el uso de polvos con una esfericidad superior al 95 % puede disminuir la rugosidad de la superficie en más del 30 %.
2, parámetros de impresión: un buen equilibrio en el control del proceso
1. El conflicto entre densidad de energía y salpicaduras.
High energy density (>100J/mm³) puede hacer que el charco fundido fluya mejor, pero también puede hacer que el vapor metálico rebote, lo que provoca que el metal fundido salpique. Estas gotas se enfrían y se convierten en partículas esféricas que se adhieren a las superficies de las piezas, haciéndolas entre un 50% y un 80% más rugosas. Por ejemplo, al imprimir con Inconel 718, el número de salpicaduras en la superficie aumenta tres veces cuando la densidad de energía pasa de 80 J/mm ³ a 120 J/mm ³.
2. La influencia del espesor de las capas y la textura de la solidificación una encima de la otra.
Una de las principales cosas que afecta la rugosidad es el espesor de las capas. La altura de la rugosidad de la superficie debida al efecto escalonado puede ir de 10 µm a 25 µm cuando el espesor de la capa va de 20 µm a 50 µm. Además, el ángulo en el que el láser incide en la superficie tiene un gran efecto en la textura de solidificación. Por ejemplo, en el área más alejada del centro de impresión, cuando la desviación del ángulo es superior a 15 grados, la rugosidad de la superficie aumentará en un 40% porque el baño de fusión no se solidifica de manera uniforme.
3. Espacio para mejorar el enfoque de escaneo
El método de escaneo unidireccional estándar-dejará rayas en la superficie de la pieza a intervalos regulares. Sin embargo, el uso de un escaneo en forma de tablero de ajedrez o en espiral puede romper este patrón y hacer que la distribución de la rugosidad sea más uniforme. Por ejemplo, al imprimir con aleación de titanio, el método de escaneo en espiral reduce la desviación estándar de la rugosidad de la superficie de 8 μm a 3 μm.
3. Tecnología de pos-procesamiento: una nueva forma de terminar superficies
1. Los límites del procesamiento mecánico
El procesamiento mecánico tradicional, como el fresado CNC, no funciona bien con estructuras de cavidades interiores complicadas y podría no funcionar bien con el diseño liviano de la impresión 3D. Al fresar implantes de cadera con sistemas de celosía, por ejemplo, se debe dejar un margen de mecanizado de al menos 0,5 mm, lo que añade entre un 15% y un 20% al peso.
2. Control microscópico del pulido químico.
Al disolver selectivamente los micropicos de la superficie, el pulido químico puede lograr un control de precisión a nanoescala. Al imprimir con aleación de cromo cobalto, el pulido químico con una solución combinada de ácido nítrico y ácido clorhídrico puede reducir la rugosidad de la superficie de 12 μm a 0,8 μm sin dañar la estructura reticular. Pero este enfoque necesita vigilar de cerca la temperatura (± 2 grados) y la concentración de la solución (± 0,5%). Si no, puede corroerse demasiado.
3. Nuevas formas de utilizar el pulido láser
La tecnología de pulido sincrónico de doble láser combina el láser principal para construir piezas y el láser secundario (pulso de nanosegundos) para eliminar el polvo sobrante de la superficie en tiempo real. Esto puede hacer que la superficie sea un 70% más suave. Este método, por ejemplo, reduce la rugosidad de la impresión de acero inoxidable de 7 μm a 2 μm sin más trabajo. Pero el equipo cuesta entre 3 y 5 veces más que las impresoras 3D normales, lo que dificulta su uso a gran escala.
4. Romper la cavidad interior en el mecanizado de flujo abrasivo
El mecanizado de flujo abrasivo (AFM) tiene beneficios especiales para estructuras de cavidades internas complicadas. Cuando se introduce un medio semi-sólido con partículas abrasivas de carburo de silicio en la cavidad interior a alta presión, se pueden eliminar las rebabas y suavizar la superficie. AFM reduce la rugosidad de la superficie de la cavidad interior de 50 μm a 5 μm mientras imprime boquillas de combustible para motores de aviación. También mantiene suave el canal de flujo de combustible.
4, Práctica de la industria: el paso del laboratorio a la fábrica
1. Nuevos descubrimientos en el campo aeroespacial.
GE Aviation fabrica boquillas de combustible para motores LEAP utilizando tecnología SLM y tratamiento HIP (prensado isostático en caliente). Esto reduce la porosidad del 0,8% al 0,02% y aumenta tres veces la vida a la fatiga. Al ajustar-el enfoque de escaneo y el espesor de la capa (30 μm), la rugosidad de la superficie se mantiene dentro de Ra12 μm, lo que cumple con los estándares establecidos por la industria de la aviación.
2. Demanda personalizada de dispositivos médicos
Johnson&Johnson Medical ha creado un proceso compuesto para implantes de articulación de cadera impresos en 3D-que combina recocido al vacío y pulido químico. El recocido al vacío elimina la tensión residual y luego se utiliza una solución de pulido a base de ácido cítrico- para alisar la superficie desde Ra50 μm hasta Ra0,8 μm mientras se mantiene biocompatible. Este método proporciona al implante una vida útil de más de 20 años, que es más de lo que se necesita en entornos clínicos.
3. Dispositivos energéticos que pueden funcionar en entornos muy hostiles
Siemens fabrica álabes de turbinas de gas utilizando tecnología de recristalización direccional y tratamiento con solución sólida. Esto reduce la tasa de fluencia de las aleaciones de alta temperatura-a base de níquel-en un 80%. Al regular el gradiente de temperatura (a una velocidad de dibujo de 2,5 mm/h a 1235 grados), se creó una estructura cristalina columnar que estaba alineada con el eje de tensión. Esto aumentó la vida de fatiga a 650 grados.