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

導(dǎo)讀：在表面粗糙度方面，金屬3D打印零件往往達(dá)不到表面質(zhì)量要求，因此需要進(jìn)行精加工。表面處理過(guò)程就像3D打印過(guò)程本身一樣，對(duì)成品部件的最終質(zhì)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(diǎn)，充分利用這些方法并在零件設(shè)計(jì)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(xiàng)研究特別關(guān)注復(fù)雜金屬增材制造部件的后處理技術(shù)，并提供面向應(yīng)用的決策輔助，進(jìn)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(duì)3D打印金屬零件的影響，并對(duì)各種工藝的性能進(jìn)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(guò)程。金屬領(lǐng)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(fù)雜結(jié)構(gòu)或內(nèi)部通道通常不會(huì)對(duì)零件設(shè)計(jì)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(nèi)）和熔池寬度決定。而最終的表面質(zhì)量會(huì)受到分辨率和由此產(chǎn)生的階梯效應(yīng)，以及打印時(shí)的熱平衡差異或添加支撐結(jié)構(gòu)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(zhì)的可及性而言，零件復(fù)雜性通常也是表面精加工潛在的一個(gè)大問(wèn)題。因此，3D打印組件的表面異質(zhì)性和設(shè)計(jì)自由度對(duì)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(duì)當(dāng)前市場(chǎng)上增材制造部件表面平滑方案的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)進(jìn)行了全面概述：這項(xiàng)表面處理研究深入評(píng)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(guān)鍵特征的幾何演示器，并使它們符合真實(shí)3D打印應(yīng)用。演示器能夠?qū)ζ邆�(gè)主要標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行徹底評(píng)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(gè)演示器設(shè)計(jì)。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(xiàng)目總共打印了100多個(gè)測(cè)試件，進(jìn)行了17,000次分段測(cè)量，花費(fèi)了700個(gè)工時(shí)進(jìn)行測(cè)量，所有結(jié)果都匯總在120頁(yè)的報(bào)告中。報(bào)告針對(duì)所有三種材料的研究標(biāo)準(zhǔn)，清晰地概述了每種方法的性能。此外，它還提供了有關(guān)所得表面質(zhì)量的詳細(xì)數(shù)據(jù)。

△噴砂后處理鈦零件的表面質(zhì)量。圖片由弗勞恩霍夫IAPT提供。

報(bào)告提供了有關(guān)每種后處理方法性能的詳細(xì)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(jié)果也高度依賴于觀察到的表面積。研究確定通過(guò)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(dá)到約50%，7 μm [平均Sa]，其他工藝實(shí)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(zhì)量如何影響零件的特性？

然而，外觀并不是一切，第二項(xiàng)研究（增材制造疲勞研究）檢查了不同表面處理方法對(duì)增材制造部件機(jī)械性能的影響，特別關(guān)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(cè)量的表面質(zhì)量直接相關(guān)。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(guò)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(jié)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(guò)程可擴(kuò)展性和成本分類。作為獨(dú)立、透明闡述的結(jié)果，它們旨在為增材制造、設(shè)計(jì)師、開發(fā)和生產(chǎn)工程師提供易于理解的決策幫助。

報(bào)告地址：https://www.smartechanalysis.com/reports/surface-finish-study-by-fraunhofer-iapt/