Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt trong in 3D kim loại

Độ nhám bề mặt của các bộ phận in 3D kim loại thay đổi đáng kể tùy thuộc vào nhiều yếu tố và thường nằm trong khoảng từ vài micromet đến vài chục micromet. Không giống như các bộ phận được gia công truyền thống, trong đó độ hoàn thiện bề mặt chủ yếu là chức năng của hình dạng dụng cụ và các thông số cắt, quá trình sản xuất phụ gia kim loại đưa ra một tập hợp rộng hơn nhiều - bản thân quy trình in, các đặc tính vật lý của vật liệu được in và các bước xử lý sau-được áp dụng sau đó, tất cả đều tương tác để xác định tình trạng bề mặt cuối cùng. Hiểu được vai trò của từng yếu tố này sẽ giúp giải thích tại sao hai phần được in từ cùng một thiết kế lại có thể có chất lượng bề mặt khác nhau đáng kể.

Sự kết hợp giường bột bằng laze (L-PBF). Đây là một trong những quy trình in 3D kim loại phổ biến được sử dụng hiện nay. Nó hoạt động bằng cách sử dụng tia laser năng lượng cao-để làm tan chảy bột kim loại, sau đó được tạo thành từng lớp thành hình dạng bộ phận cuối cùng. Trong điều kiện lý tưởng, độ nhám bề mặt của quy trình này có thể được kiểm soát ở khoảng Ra 10–30μm. Ví dụ: khi in các bộ phận kim loại có cấu trúc tương đối đơn giản bằng quy trình này, có thể đạt được mức độ nhám tương đối thấp sau khi các tham số đã được tối ưu hóa. Điều này là do năng lượng laser khá tập trung, cho phép kiểm soát chính xác hình dạng và kích thước của bể tan chảy. Độ chính xác này có nghĩa là bột sẽ kết dính và xếp chồng lên nhau dày đặc hơn khi nó đông đặc lại, giúp giảm độ nhám bề mặt ở một mức độ nào đó. Bản chất tập trung chặt chẽ của chùm tia laze cũng có nghĩa là có thể giảm thiểu lượng nhiệt truyền vào bột không tan chảy xung quanh, làm giảm lượng bột thiêu kết một phần có xu hướng bám vào các cạnh của chi tiết in và góp phần tạo nên lớp hoàn thiện thô hơn.

Sự nóng chảy của chùm tia điện tử (EBM). Quá trình này sử dụng chùm tia điện tử để quét và làm tan chảy bột kim loại. Các bộ phận được in bằng quy trình này thường nằm trong phạm vi độ nhám chung tương tự nhau, mặc dù kết quả có thể khác nhau tùy thuộc vào đặc điểm của chùm tia điện tử và chiến lược quét được sử dụng. Chùm tia điện tử mang năng lượng cao và mang lại khả năng tập trung tuyệt vời, cho phép tạo hình và tạo hình chi tiết-với độ chính xác cao. Trong các ứng dụng có yêu cầu đặc biệt khắt khe về chất lượng bề mặt, việc tinh chỉnh-các tham số quy trình có thể làm giảm độ nhám xuống gần Ra 10μm hoặc thậm chí thấp hơn. Cần lưu ý rằng EBM thường được thực hiện ở nhiệt độ buồng xây dựng-cao và trong điều kiện chân không, điều này làm thay đổi cách hoạt động của lớp bột so với các quy trình dựa trên-laser - nhiệt độ tăng làm giảm ứng suất nhiệt trong quá trình xây dựng nhưng cũng có thể khiến nhiều hạt bột kết dính nhẹ với nhau xung quanh đường viền của một bộ phận, đó là một lý do khiến các bề mặt EBM đôi khi có đặc tính nhám hơi khác so với các bề mặt L-PBF ngay cả khi có độ nhám danh nghĩa các giá trị tương tự nhau.

Vật liệu kim loại khác nhau. Điểm nóng chảy, độ nhớt và các đặc tính vật lý khác của một vật liệu nhất định ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chảy và khả năng phân tán bột-trong quá trình in, từ đó ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt. Ví dụ: hợp kim nhôm - có điểm nóng chảy tương đối thấp và khả năng chảy tốt - có xu hướng lấp đầy các khoảng trống và tạo thành bề mặt nhẵn dễ dàng hơn trong quá trình in và độ nhám của chúng thường có thể đạt đến phạm vi Ra 15–25μm. Ngược lại, một số kim loại có điểm nóng chảy cao hơn và độ nhớt cao hơn, chẳng hạn như một số siêu hợp kim có nhiệt độ-cao nhất định, có thể không lan rộng và kết hợp như lý tưởng trong quá trình in và độ nhám của chúng có thể cao hơn một chút -, thường là trong khoảng Ra 20–35μm. Sự khác biệt này rất quan trọng trong thực tế: nhà thiết kế bộ phận lựa chọn giữa hợp kim nhôm và siêu hợp kim gốc niken cho một ứng dụng nhất định không chỉ cân nhắc các đặc tính cơ học và khả năng chịu nhiệt độ mà còn ngầm chấp nhận độ hoàn thiện bề mặt cơ sở khác trước khi áp dụng bất kỳ quá trình xử lý hậu kỳ nào.

Thành phần hợp kim. Tỷ lệ các nguyên tố khác nhau trong hợp kim cũng ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt. Ví dụ, hợp kim chứa tỷ lệ các nguyên tố dễ bị oxy hóa cao hơn có thể bị suy giảm chất lượng bề mặt do quá trình oxy hóa xảy ra trong quá trình in, từ đó làm tăng độ nhám. Hiệu ứng này đặc biệt phù hợp với các quy trình in 3D kim loại không hoạt động trong môi trường trơ ​​hoặc chân không hoàn toàn, trong đó lượng oxy tiếp xúc trong chu kỳ nóng chảy của mỗi lớp có thể tích lũy thành tác động có thể đo lường được trên bề mặt hoàn thiện trong quá trình xây dựng có thể liên quan đến hàng nghìn lớp riêng lẻ.

Xử lý nhiệt. Xử lý nhiệt thích hợp có thể làm giảm căng thẳng bên trong và cải thiện cấu trúc luyện kim của một bộ phận, từ đó làm giảm độ nhám bề mặt. Sau khi xử lý nhiệt, bề mặt của một bộ phận có thể trở nên đồng đều hơn đáng kể, độ nhám giảm đi vài micromet. Ví dụ, ủ một phần kim loại được in sau khi chế tạo giúp tinh chỉnh cấu trúc hạt, làm cho cấu trúc vi mô của bề mặt đồng nhất hơn. Độ nhám có thể giảm từ khoảng Ra 20μm trước khi xử lý xuống khoảng Ra 15μm sau đó. Mặc dù xử lý nhiệt thường được áp dụng chủ yếu để giảm ứng suất dư và cải thiện các tính chất cơ học như độ dẻo, nhưng tác động của nó lên độ nhám bề mặt là một lợi ích thứ cấp hữu ích - mà các nhà thiết kế đôi khi bỏ qua khi lập kế hoạch cho toàn bộ trình tự xử lý hậu kỳ của một bộ phận, mặc dù nó có thể làm giảm đáng kể lượng công đoạn hoàn thiện cơ học cần thiết ở phía sau.

Gia công cơ khí. Giảm độ nhám đáng kể có thể đạt được thông qua các phương pháp xử lý cơ học như chà nhám và đánh bóng. Chà nhám loại bỏ các phần nhô ra và không hoàn hảo trên bề mặt, cải thiện độ phẳng bề mặt tổng thể. Đánh bóng sau đó sẽ tinh chỉnh thêm bề mặt, giảm độ nhám xuống chỉ còn vài micromet hoặc thậm chí thấp hơn. Ví dụ, sau khi đánh bóng tốt, độ nhám của bộ phận in 3D kim loại có thể đạt dưới Ra 5μm, đáp ứng nhu cầu của các ứng dụng có yêu cầu độ hoàn thiện bề mặt cực cao, chẳng hạn như các bộ phận của dụng cụ quang học. Loại trình tự hoàn thiện này - xử lý nhiệt để ổn định vật liệu, tiếp theo là chà nhám để loại bỏ các đặc điểm tổng thể trên bề mặt, sau đó là đánh bóng để đạt được chất lượng bề mặt cuối cùng - phản ánh mức độ giảm độ nhám trong sản xuất bồi đắp kim loại hiếm khi được thực hiện qua một bước duy nhất. Thay vào đó, nó thường bao gồm sự kết hợp nhiều lớp giữa các phương pháp xử lý nhiệt và cơ học, mỗi phương pháp xử lý một mức độ không đồng đều trên bề mặt khác nhau, từ giảm ứng suất khối cho đến độ mịn ở cấp độ micron.

Nhìn chung, ba loại yếu tố này - loại quy trình, thuộc tính vật liệu và-phương pháp xử lý sau - tương tác với nhau thay vì hoạt động độc lập. Một bộ phận được in qua L-PBF từ hợp kim nhôm có độ nhớt-thấp với các thông số-được tối ưu hóa tốt có thể đã đạt được độ nhám tương đối thuận lợi-trong khi thiết kế tương tự được in từ siêu hợp kim có độ nhớt-cao qua EBM có thể bắt đầu từ đường cơ sở cứng hơn ngay cả trước khi áp dụng bất kỳ quá trình xử lý hậu kỳ nào-. Điều này có nghĩa là việc đạt được độ hoàn thiện bề mặt mục tiêu cho một ứng dụng nhất định không chỉ đơn giản là vấn đề chỉ định bước-xử lý hậu kỳ ở cuối quy trình làm việc mà nó đòi hỏi phải xem xét quy trình và lựa chọn vật liệu ngay từ đầu, vì những quyết định cấp trên này đặt ra mức sàn và mức trần thực tế cho những gì quá trình xử lý hậu kỳ có thể đạt được trên thực tế. Đối với các ứng dụng có yêu cầu hoàn thiện bề mặt nghiêm ngặt, việc hiểu cách các biến này tương tác với nhau cho phép các kỹ sư lựa chọn sự kết hợp phù hợp giữa quy trình, vật liệu và phương pháp hoàn thiện ngay từ đầu, thay vì cố gắng bù đắp cho tình trạng bề mặt ban đầu kém thông qua quá trình xử lý sâu rộng và tốn kém.