Đánh bóng có thể nâng cao bề mặt in 3D kim loại lên mức nào?

1. Độ nhám bề mặt: bước nhảy vọt từ micromet đến nanomet
Độ nhám bề mặt là thước đo chính về chất lượng bề mặt của một bộ phận. Nó có ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chống ăn mòn tốt như thế nào, hoạt động tốt như thế nào với ma sát và hoạt động tốt như thế nào với ánh sáng. Các cài đặt quy trình, loại vật liệu và hướng in đều có ảnh hưởng lớn đến độ nhám của các bộ phận in 3D kim loại lúc đầu. Ví dụ, độ nhám bề mặt của các bộ phận hợp kim titan được chế tạo bằng phương pháp nấu chảy bột bột bằng laser (LPBF) có thể cao tới Ra15–20 μm khi đo theo hướng in. Tuy nhiên, khi đo dọc theo hướng in, độ nhám có thể thấp tới Ra8–12 μm vì các lớp chồng lên nhau chặt chẽ hơn. Đánh bóng có thể làm cho bề mặt mịn hơn nhiều:
Đánh bóng cơ học: Sử dụng máy đánh bóng tự động và chất mài mòn kim cương, độ nhám bề mặt của các bộ phận hợp kim nhôm được chế tạo bằng phương pháp BJ (phun keo) có thể giảm từ Ra2,4 μm xuống Ra0,8 μm trở xuống, đủ tốt cho hầu hết các công việc lắp ráp cơ khí. Đối với nhu cầu-có độ chính xác cao, chẳng hạn như giá đỡ cho gương quang học, đánh bóng nhiều-giai đoạn (đánh bóng thô → đánh bóng tinh → đánh bóng siêu mịn) có thể giảm độ nhám bề mặt xuống Ra0,05 μm, gần với mức mài gương thông thường.
Đánh bóng bằng hóa chất: Phương pháp này sử dụng dung dịch axit hoặc kiềm để đánh bóng có chọn lọc các vết va đập trên bề mặt. Nó hoạt động tốt trên các cấu trúc khoang bên trong phức tạp. Ví dụ, độ nhám bề mặt của stent tim mạch bằng thép không gỉ 316L tăng từ Ra6 μm ​​lên Ra0,2 μm sau khi đánh bóng bằng hóa chất. Điều này giúp loại bỏ các phần đính kèm giống như vi cầu-được hình thành trong quá trình in, giúp giảm nguy cơ huyết khối.
Đánh bóng bằng laser: Sử dụng chùm tia laser mạnh để làm nóng chảy các vật liệu bề mặt trong một khu vực nhỏ và sau đó để sức căng bề mặt của kim loại lỏng thực hiện công việc làm phẳng nó. Các nghiên cứu chỉ ra rằng sau năm lần quét laser đối với các bộ phận thép không gỉ 316L được sản xuất bằng phương pháp SLM, độ nhám bề mặt giảm từ Sa21 μm xuống Sa1 μm, đạt tỷ lệ giảm 96% mà không hình thành lớp hư hỏng dưới bề mặt do đánh bóng cơ học.
2. Cấu trúc vi mô: Cải thiện từ sai sót đến mật độ hóa
Đánh bóng không chỉ làm cho bề mặt trông đẹp hơn mà còn làm cho vật liệu bền hơn bằng cách loại bỏ các khuyết điểm nhỏ:
Đóng vết nứt: Các vết nứt nhỏ hình thành khi in 3D kim loại nguội quá nhanh có thể được đóng lại một phần bằng áp suất đánh bóng cơ học. Ví dụ, sau khi đánh bóng bằng rung, mật độ đứt gãy bề mặt của một cánh tuabin động cơ hàng không nhất định giảm 40% và tuổi thọ mỏi ở chu kỳ cao tăng 25%.
Giải phóng ứng suất dư: Đánh bóng bằng hóa học làm giảm ứng suất kéo dư bằng cách phá vỡ lớp bề mặt, ngăn ngừa hiện tượng nứt ăn mòn do ứng suất. Quá trình xử lý tẩy rửa các bộ phận bằng hợp kim titan TC4 cho thấy lực căng dư trên bề mặt giảm từ -150MPa xuống -50MPa và tốc độ ăn mòn do phun muối giảm 60%.
Đánh bóng bằng laser có thể gây ra sự nóng chảy lại bề mặt, có thể làm cho kích thước hạt đồng đều hơn. Các nghiên cứu về hợp kim nhiệt độ cao-Inconel 718 chỉ ra rằng đánh bóng bằng laser giúp tinh chỉnh kích thước hạt bề mặt từ 50 μm đến 10 μm, tăng cường độ cứng lên 15% và giảm 30% tốc độ tăng trọng lượng oxy hóa ở 650 độ.
3. Hiệu suất chức năng: từ cơ bản đến cao cấp-
Việc nâng cao chất lượng bề mặt sau khi đánh bóng-có tương quan trực tiếp với việc tối ưu hóa hiệu suất chức năng:
Cải thiện khả năng chống mài mòn: Bề mặt nhẵn hơn có thể làm cho các vật thể lồi nhỏ ít chạm vào nhau trên bề mặt tiếp xúc hơn. Thử nghiệm ma sát trên các bộ phận thép chịu lực GCr15 cho thấy việc đánh bóng bề mặt từ Ra1,6 μm đến Ra0,2 μm khiến hệ số ma sát giảm từ 0,15 xuống 0,08 và độ mài mòn giảm 70%.
Khả năng chống ăn mòn tốt hơn: Bề mặt nhẵn khiến các chất ăn mòn khó bám vào hơn và màng thụ động hình thành trong quá trình đánh bóng bằng hóa học thậm chí còn tăng cường khả năng bảo vệ hơn nữa. Sau khi đánh bóng điện hóa, mật độ dòng ăn mòn của các bộ phận thép không gỉ 304 trong dung dịch NaCl 3,5% đã giảm từ 1,2 × 10 ⁻⁵ A/cm 2 xuống 2,5 × 10 ⁻⁶ A/cm 2 và khả năng chống ăn mòn rỗ tăng lên gấp 5 lần.
Cải thiện hiệu suất quang học: Nghiên cứu đánh bóng gương hợp kim nhôm AlSi10Mg chứng minh rằng khi độ nhám bề mặt giảm từ Ra3,2 μm xuống Ra0,05 μm, độ phản xạ ánh sáng nhìn thấy tăng từ 85% lên 92%, đây là điều mà hệ thống truyền thông laser cần.
4. Ứng dụng trong ngành: Chuyển từ phòng thí nghiệm sang nhà máy
Kỹ thuật đánh bóng đã được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực đòi hỏi tiêu chuẩn chất lượng bề mặt nghiêm ngặt:
Hàng không vũ trụ: Đánh bóng bằng laser được sử dụng trên một loại vòi phun động cơ tên lửa nhất định để làm cho bề mặt bớt gồ ghề hơn, từ Ra12 μm đến Ra0,8 μm. Tuổi thọ chu trình nhiệt trong môi trường không gian mô phỏng (phạm vi nhiệt độ: -180 độ đến 300 độ) đã tăng từ 50 lên 200 lần.
Cấy ghép y tế: Sau khi đánh bóng bằng hóa chất, độ nhám bề mặt của khớp háng giả bằng hợp kim titan tăng từ Ra8 μm đến Ra0,5 μm. Điều này làm cho các tế bào bám vào mô cấy tốt hơn 40% và khiến xương tích hợp với chúng nhanh hơn 30%.
Khuôn chính xác: Sau khi đánh bóng bằng phương pháp mài thích ứng hình dạng (SAG), độ nhám bề mặt của lõi khuôn phun ô tô giảm xuống Ra0,02 μm, tuổi thọ khuôn tăng từ 100.000 lần lên 500.000 lần và độ bóng bề mặt của sản phẩm tăng 2 cấp.