探索不同表面处理方法对增材制造316L零件的影响 

2020-08-21 16:29 发布

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后处理,尤其是表面精加工目前仍然是增材制造的主要挑战之一。表面对力学性能(例如零件的疲劳性和功能性)有很大影响。零件打印完从粉床中取来时,很少能直接做为最终产品使用。

现在有各种各样的表面处理方式可供选择,并且在不断增加。如何选择合适的处理方式以及何时进行可以为增材制造零件带来许多新机会。

在考虑使用不同的精加工技术之前,需要知道增材制造零件可以获得什么样的表面质量。

我们与德国弗莱堡理工大学的增材制造部门负责人合作,使用三种不同的方法进行表面后处理,并针对不同打印角度的表面粗糙度进行了分析:

·        喷砂
·        离心研磨
·        等离子电解抛光

先在小测试样件(使用 EOS StainlessSteel 316L 在 EOS M 290 上打印)上评估了打印完成后表面的状态以及表面精加工的影响,最后将其应用于实际的应用部件。

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3D 打印之后,预期可以得到什么样的表面粗糙度?

根据不同的打印角度,会获得不同的表面质量。经 316L 零件分析表明,打印后可以预期的平均粗糙度(Ra)可以在 5 到 45 μm之间。可以清楚地看到上表面和下表面之间的差异。

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导致表面质量差异的原因有很多。其中一个主要影响因素是用于特定区域的曝光策略类型。对于这些部分,可以清楚区分侧表面、上表面和下表面。

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即使朝上的表面通常比朝下的表面具有更好的表面质量,但由于阶梯效应和表面上的熔化颗粒,特别是平坦的上表面通常呈现出更高的粗糙度值。

对于下表面区域几乎也是同样的情况,因为叠加的材料在表面熔化时,局部位置传导热能的材料更少,这会导致更高的粗糙度。

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对于某些小角度,经常使用支撑件来改善传热和可建造性,并避免零件变形。需要去除支撑物,并且由于支撑结构的残留物残留在表面上,通常会导致较高的表面粗糙度。这种颗粒以及熔化的颗粒会从零件表面突出到 200-500μm,这会大大增加表面粗糙度。

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结果显示零件的整体表面质量可能非常不均匀。表面的不均匀性可能增加后期精加工的困难程度,与较粗糙表面(如下表面和支撑区域的表面)相比,已经较光滑的表面(如上表面)可以更快地精加工到所需状态。

因此通常需要对表面精加工过程采用更具选择性的方法,或者对不同的精加工方法进行智能组合。


如何有效降低表面粗糙度?
喷砂

喷砂是 3D 打印零件的最初表面处理步骤之一。通常,喷砂用于清除表面残留的粉末颗粒,使表面光滑或改变零件的外观。在某些方面,喷砂步骤可用作使零件表面均匀化的初始步骤,以减少下表面和上表面之间的粗糙度差异。

有许多不同的介质可用于喷砂的,形状、大小和材料不同。在这项研究中,使用了常用的喷砂介质:

  • 果壳
  • 玻璃珠
  • 碳化硅
  • 陶瓷

喷砂后的表面粗糙度

喷砂后的结果可能会因所使用的喷砂介质而异,对比如下:

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除果壳外,其他使用的喷砂介质都可将上表面和侧表面粗糙度降低 30% 至 65%。在下表面和支撑区域,效果更显着。以陶瓷为例,即使在支撑角度下,下表面粗糙度也降低了近 80%。

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使用喷砂作为初始精加工步骤,已经可以减少大部分粗糙度,尤其是在下表面区域。因此,这也是其他表面处理必不可少的第一步。


离心研磨

该工艺被广泛用于金属零件的抛光,可用于多种用途,例如去毛刺、研磨或抛光。离心研磨的介质通常在材料、形状和大小上各异,并且通常在多步过程中进行组合。在这项研究中,采用单步研磨介质来快速降低粗糙度。

离心研磨时,通常可以在向上或垂直表面上轻松实现 Ra <1 μm 的粗糙度,但是在下表面区域中,该过程可能需要相当长的时间才能去除支撑结构上的所有下表面或残留物。

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例如,正常的下表面区域在处理 180 分钟后,可以达到 Ra <4 μm 的值,而支撑区域中的表面仍然明显较粗糙。为了缩小最佳和最差表面之间的差距,可以预先进行喷砂获得更均匀的精加工结果。

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喷砂已经去除了一些凸起表面,并获得了更均匀的表面,因此,通过离心研磨去除的材料更少,不但节省了时间而且获得了更好的处理结果。


等离子电解抛光

第三种精加工工艺 — 等离子电解抛光(PeP)。这是一种电化学过程,在零件表面形成的等离子层内通过不同化学反应的结合来去除材料。与传统的电化学抛光相比,该工艺使用水和特殊盐作为电解质代替酸。

等离子抛光产生非常光滑和干净的表面,因此非常适合作为最后的精加工步骤。

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类似前面提到的,仅通过等离子抛光就可以实现非常好的表面光洁度,但是可能需要一些时间才能自行去除所有的下表面粗糙度。为了加快该过程,可以再次将喷砂作为第一步。这样就可以将下表面区域的处理时间缩短至几分钟,即使在加支撑的下表面上也可以达到 Ra <4 μm。

该过程不必仅与喷砂结合使用。它也可以用作离心研磨零件的最后修整步骤,在几分钟内实现良好的光泽效果。如果将所有三个步骤组合在一起,则即使在下表面区域中的表面粗糙度也可以减小到 Ra <1 μm。


复杂零件的精加工

由于前面提到的结果可能会根据几何形状而有所不同,因此这些技术需要同样适用于更复杂的零件上。为此,在工业、海事或石油和天然气应用中可以找到小型用 316L 打印的螺旋桨。该零件的表面光洁度要求是 Ra <3.2 μm。

如果现在结合这三个过程的优点,并将其应用于一台螺旋桨:
  • 喷砂 – 表面质量更均匀
  • 离心研磨 – 去除粗糙凸起物
  • 等离子电解抛光(PeP)– 实现清洁和光滑的表面

经过 4 小时的总处理时间,在上表面和下表面的总体表面粗糙度为 Ra = 1-3 μm。
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表面质量和外观会根据 3D 打印的角度而变化。为了获得最佳结果,需要了解初始表面质量的变化以及表面处理技术之间的差异。


通过这项研究表明,喷砂工艺具有很大的潜力,可以作为第一步来降低不同打印角度尤其是选择性的降低下表面区域的粗糙度变化,其中可以将粗糙度降低多达 80%。通过离心研磨和等离子电解抛光,可以将表面处理至小于 Ra = 1 μm 的值,并具有良好的光泽度。

但是,在多数情况下,没有单一的解决方案能实现最终的复杂零件表面处理。通过不同处理方式的智能组合可以带来最佳结果。


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