Fraunhofer IAPT表面光潔度研究：哪種3D打印后處理方法適合我？

導讀：在表面粗糙度方面，金屬3D打印零件往往達不到表面質量要求，因此需要進行精加工。表面處理過程就像3D打印過程本身一樣，對成品部件的最終質量有重大影響。因此，有必要了解各種表面精加工方法的優(yōu)缺點，充分利用這些方法并在零件設計階段盡早考慮。

△Fraunhofer IAPT的表面光潔度研究

南極熊獲悉，F(xiàn)raunhofer IAPT的幾項研究特別關注復雜金屬增材制造部件的后處理技術，并提供面向應用的決策輔助，進一步加速增材制造工業(yè)化。研究顯示了不同的精加工工藝對3D打印金屬零件的影響，并對各種工藝的性能進行客觀比較。

后處理增材制造金屬部件的挑戰(zhàn)

增材制造涵蓋了大量不同的逐層生成組件的過程。金屬領域最成熟的工藝變體是激光束粉末床融合(LB-PBF)。與傳統(tǒng)制造相比，咬邊、復雜結構或內部通道通常不會對零件設計造成重大限制。另一方面，這種制造方式在分辨率方面受到限制，由層厚度（通常在20-60 μm 范圍內）和熔池寬度決定。而最終的表面質量會受到分辨率和由此產(chǎn)生的階梯效應，以及打印時的熱平衡差異或添加支撐結構影響。因此，3D打印組件通常具有非常不均勻的表面，在零件的不同部分具有不同程度的粗糙度。此外，就磨料或其他燒蝕介質的可及性而言，零件復雜性通常也是表面精加工潛在的一個大問題。因此，3D打印組件的表面異質性和設計自由度對后處理方法的性能和靈活性提出了很高要求。

哪種后處理方法適合我？

Fraunhofer IAPT對當前市場上增材制造部件表面平滑方案的優(yōu)勢和劣勢進行了全面概述：這項表面處理研究深入評估了八種不同的后處理方法，并開發(fā)了三種具有各種不同的形狀，以滿足各種關鍵特征的幾何演示器，并使它們符合真實3D打印應用。演示器能夠對七個主要標準進行徹底評估：表面粗糙度、硬度、燒蝕率、邊緣圓角、穿透深度、可讀性和成本。

△具有不同幾何特征的三個演示器設計。圖片由弗勞恩霍夫IAPT提供。

研究使用了LB-PBF工藝的三種常用合金AlSi10Mg（鋁）、1.4404（鋼）和TiAl6V4（鈦）確定材料的特定差異。項目總共打印了100多個測試件，進行了17,000次分段測量，花費了700個工時進行測量，所有結果都匯總在120頁的報告中。報告針對所有三種材料的研究標準，清晰地概述了每種方法的性能。此外，它還提供了有關所得表面質量的詳細數(shù)據(jù)。

△噴砂后處理鈦零件的表面質量。圖片由弗勞恩霍夫IAPT提供。

報告提供了有關每種后處理方法性能的詳細信息，清楚地揭示了不同工藝粗糙度值的巨大偏差。而研究結果也高度依賴于觀察到的表面積。研究確定通過選擇合適的精加工工藝，鈦零件的表面能夠得到顯著改善。另外，雖然傳統(tǒng)的噴砂處理已經(jīng)將表面粗糙度降低了50%以上，達到約50%，7 μm [平均Sa]，其他工藝實現(xiàn)了低至1 μm的表面粗糙度。

△八種不同后處理方法的比表面積鈦零件的粗糙度數(shù)據(jù)。圖片由弗勞恩霍夫IAPT提供。

表面質量如何影響零件的特性？

然而，外觀并不是一切，第二項研究（增材制造疲勞研究）檢查了不同表面處理方法對增材制造部件機械性能的影響，特別關注疲勞性能。研究觀察到所選材料（TiAl6V4、IN718 [Inconel]）的疲勞行為并不總是與測量的表面質量直接相關。原因包括特定影響抗疲勞性的某些表面和工藝特性。例如，一些精加工方法可以將抗疲勞性提高80%以上。另一方面，通過其他精加工方法獲得的精加工性能甚至比竣工表面更差。

△增材制造疲勞研究結果。圖片由弗勞恩霍夫IAPT提供。

Fraunhofer IAPT研究中提供許多其他發(fā)現(xiàn)，以及過程可擴展性和成本分類。作為獨立、透明闡述的結果，它們旨在為增材制造、設計師、開發(fā)和生產(chǎn)工程師提供易于理解的決策幫助。

報告地址：https://www.smartechanalysis.com/reports/surface-finish-study-by-fraunhofer-iapt/