ความหยาบพื้นผิวของชิ้นส่วนโลหะที่พิมพ์ด้วย 3D จะแตกต่างกันไปมากขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการ และโดยทั่วไปจะอยู่ระหว่างไม่กี่ไมโครเมตรถึงหลายสิบไมโครเมตร ซึ่งแตกต่างจากชิ้นส่วนกลึงแบบดั้งเดิม ซึ่งการตกแต่งพื้นผิวส่วนใหญ่เป็นหน้าที่ของรูปทรงของเครื่องมือและพารามิเตอร์การตัด การผลิตสารเติมเนื้อโลหะจะแนะนำชุดตัวแปรที่กว้างกว่ามาก - กระบวนการพิมพ์เอง ลักษณะทางกายภาพของวัสดุที่จะพิมพ์ และขั้นตอนหลังการประมวลผล-ที่ใช้หลังจากนั้น ล้วนมีปฏิสัมพันธ์กันเพื่อกำหนดสภาพพื้นผิวขั้นสุดท้าย การทำความเข้าใจว่าแต่ละปัจจัยเหล่านี้มีส่วนช่วยอธิบายได้อย่างไรว่าเหตุใดชิ้นส่วนสองชิ้นที่พิมพ์จากการออกแบบเดียวกันจึงสามารถลงเอยด้วยคุณภาพพื้นผิวที่แตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ
อิทธิพลของประเภทกระบวนการ
เลเซอร์พาวเดอร์เบดฟิวชั่น (L-PBF) นี่เป็นหนึ่งในกระบวนการพิมพ์โลหะ 3 มิติที่ใช้กันทั่วไปในปัจจุบัน ทำงานโดยใช้เลเซอร์พลังงานสูง-ในการหลอมผงโลหะ ซึ่งจากนั้นจะถูกสร้างขึ้นทีละชั้นจนกลายเป็นรูปร่างชิ้นส่วนสุดท้าย ภายใต้สภาวะที่เหมาะสม ความหยาบของพื้นผิวด้วยกระบวนการนี้สามารถควบคุมได้ประมาณ Ra 10–30μm ตัวอย่างเช่น เมื่อพิมพ์ชิ้นส่วนโลหะที่มีโครงสร้างค่อนข้างง่ายโดยใช้กระบวนการนี้ ระดับความหยาบที่ค่อนข้างต่ำสามารถทำได้เมื่อพารามิเตอร์ได้รับการปรับปรุงให้เหมาะสมแล้ว เนื่องจากพลังงานเลเซอร์มีความเข้มข้นพอสมควร ทำให้สามารถควบคุมรูปร่างและขนาดของสระหลอมได้อย่างแม่นยำ ความแม่นยำนี้หมายถึงผงฟิวส์และซ้อนกันหนาแน่นมากขึ้นเมื่อแข็งตัว ซึ่งช่วยลดความหยาบของพื้นผิวได้ในระดับหนึ่ง ธรรมชาติของลำแสงเลเซอร์ที่โฟกัสอย่างแน่นหนายังหมายความว่าสามารถลดปริมาณการป้อนความร้อนเข้าสู่ผงแป้งที่ไม่ละลายโดยรอบได้ ซึ่งช่วยลดปริมาณของผงเผาผนึกบางส่วนที่มีแนวโน้มที่จะเกาะติดกับขอบของคุณสมบัติการพิมพ์ และส่งผลให้ได้งานพิมพ์ที่หยาบยิ่งขึ้น
การหลอมลำแสงอิเล็กตรอน (EBM) กระบวนการนี้ใช้ลำแสงอิเล็กตรอนในการสแกนและละลายผงโลหะ โดยทั่วไปชิ้นส่วนที่พิมพ์โดยใช้กระบวนการนี้จะอยู่ในช่วงความหยาบทั่วไปที่คล้ายคลึงกัน แม้ว่าผลลัพธ์อาจแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับลักษณะของลำอิเล็กตรอนและกลยุทธ์การสแกนที่ใช้ ลำอิเล็กตรอนนำพลังงานสูงและให้โฟกัสที่ดีเยี่ยม ช่วยให้เกิดการหลอมและการสร้างชิ้นส่วนที่มีความแม่นยำสูง- ในการใช้งานที่ข้อกำหนดด้านคุณภาพพื้นผิวเป็นที่ต้องการเป็นพิเศษ การปรับ-พารามิเตอร์กระบวนการอย่างละเอียดสามารถลดความหยาบลงให้ใกล้เคียงกับ Ra 10μm หรือต่ำกว่านั้นได้ เป็นที่น่าสังเกตว่าโดยทั่วไปแล้ว EBM จะดำเนินการที่อุณหภูมิห้องสร้าง-ที่สูงขึ้นและภายใต้สภาวะสุญญากาศ ซึ่งเปลี่ยนพฤติกรรมของเตียงผงเมื่อเปรียบเทียบกับกระบวนการที่ใช้เลเซอร์- - อุณหภูมิที่สูงขึ้นจะช่วยลดความเครียดจากความร้อนในระหว่างการสร้าง แต่ยังอาจทำให้อนุภาคของผงมากขึ้นเผาผนึกกันเล็กน้อยรอบๆ รูปทรงของชิ้นส่วน ซึ่งเป็นเหตุผลหนึ่งที่ทำให้พื้นผิว EBM บางครั้งมีลักษณะความหยาบแตกต่างออกไปเล็กน้อยกว่า L-PBF พื้นผิวแม้ว่าค่าความหยาบที่ระบุจะใกล้เคียงกันก็ตาม
บทบาทของคุณสมบัติของวัสดุ
วัสดุโลหะที่แตกต่างกัน จุดหลอมเหลว ความหนืด และคุณลักษณะทางกายภาพอื่นๆ ของวัสดุที่กำหนดส่งผลโดยตรงต่อความสามารถในการไหลและ-พฤติกรรมการแพร่กระจายของผงในระหว่างกระบวนการพิมพ์ ซึ่งจะส่งผลต่อความขรุขระของพื้นผิวในทางกลับกัน ตัวอย่างเช่น อลูมิเนียมอัลลอยด์ - ซึ่งมีจุดหลอมเหลวค่อนข้างต่ำและมีการไหลที่ดี - มีแนวโน้มที่จะเติมเต็มช่องว่างและสร้างพื้นผิวเรียบได้ง่ายขึ้นในระหว่างการพิมพ์ และความหยาบโดยทั่วไปสามารถไปถึงช่วง Ra 15–25μm ในทางตรงกันข้าม โลหะบางชนิดที่มีจุดหลอมเหลวสูงกว่าและมีความหนืดมากกว่า เช่น ซูเปอร์อัลลอยที่มีอุณหภูมิสูง-บางชนิด อาจไม่แพร่กระจายและหลอมละลายตามอุดมคติในระหว่างกระบวนการพิมพ์ และความหยาบของพวกมันอาจสูงขึ้นบ้าง - โดยทั่วไปในช่วง Ra 20–35μm ความแตกต่างนี้มีความสำคัญในทางปฏิบัติ: ผู้ออกแบบชิ้นส่วนที่เลือกระหว่างอะลูมิเนียมอัลลอยด์กับซูเปอร์อัลลอยที่มีนิกเกิล-สำหรับการใช้งานที่กำหนดนั้น ไม่เพียงแต่ชั่งน้ำหนักคุณสมบัติทางกลและความต้านทานต่ออุณหภูมิเท่านั้น แต่ยังยอมรับโดยปริยายถึงการตกแต่งพื้นผิวเส้นพื้นฐานที่แตกต่างกันก่อนที่จะใช้-การประมวลผลภายหลังใดๆ
องค์ประกอบของโลหะผสม สัดส่วนขององค์ประกอบต่างๆ ภายในโลหะผสมยังส่งผลต่อความหยาบของพื้นผิวด้วย ตัวอย่างเช่น โลหะผสมที่มีสัดส่วนขององค์ประกอบออกซิไดซ์ได้ง่ายในสัดส่วนที่สูงกว่าอาจประสบกับคุณภาพพื้นผิวที่ลดลงเนื่องจากการเกิดออกซิเดชันในระหว่างกระบวนการพิมพ์ ซึ่งจะเพิ่มความหยาบขึ้น เอฟเฟกต์นี้มีความเกี่ยวข้องเป็นพิเศษกับกระบวนการพิมพ์โลหะ 3 มิติที่ไม่ได้ทำงานในสภาพแวดล้อมเฉื่อยหรือสภาวะสุญญากาศ โดยที่การสัมผัสออกซิเจนในระหว่างรอบการหลอมละลายของแต่ละชั้นสามารถสะสมเป็นผลที่วัดได้บนพื้นผิวที่เสร็จแล้วตลอดเส้นทางของการสร้างที่อาจเกี่ยวข้องกับชั้นแต่ละชั้นหลายพันชั้น
บทบาทของวิธีการประมวลผลหลัง-
การรักษาความร้อน การอบชุบด้วยความร้อนที่เหมาะสมสามารถบรรเทาความเครียดภายในและปรับปรุงโครงสร้างทางโลหะวิทยาของชิ้นส่วนได้ ซึ่งช่วยลดความหยาบของพื้นผิวได้ หลังจากการอบชุบด้วยความร้อน พื้นผิวของชิ้นส่วนอาจจะสม่ำเสมอยิ่งขึ้นอย่างเห็นได้ชัด โดยความหยาบลดลงหลายไมโครเมตร ตัวอย่างเช่น การหลอมชิ้นส่วนโลหะที่พิมพ์ออกมาหลังการประกอบจะช่วยปรับแต่งโครงสร้างเกรน ทำให้โครงสร้างจุลภาคของพื้นผิวมีความสม่ำเสมอมากขึ้น ความหยาบสามารถลดลงจากประมาณ Ra 20μm ก่อนการรักษาเหลือประมาณ Ra 15μm ในภายหลัง แม้ว่าการอบชุบด้วยความร้อนมักใช้เพื่อลดความเครียดตกค้างและปรับปรุงคุณสมบัติทางกล เช่น ความเหนียวเป็นหลัก แต่ผลกระทบต่อความหยาบของพื้นผิวถือเป็นประโยชน์รองที่มีประโยชน์ - ประโยชน์ที่นักออกแบบบางครั้งมองข้ามเมื่อวางแผนลำดับการประมวลผลหลังการประมวลผลแบบเต็มของชิ้นส่วน- แม้ว่าจะสามารถลดปริมาณการตกแต่งเชิงกลที่จำเป็นในขั้นตอนท้ายน้ำได้อย่างมีนัยสำคัญก็ตาม
การประมวลผลทางกล การลดความหยาบลงอย่างมากสามารถทำได้ด้วยวิธีการประมวลผลทางกล เช่น การขัดและการขัดเงา การขัดจะขจัดส่วนที่ยื่นออกมาและความไม่สมบูรณ์ของพื้นผิว ปรับปรุงความเรียบของพื้นผิวโดยรวม การขัดจะทำให้พื้นผิวละเอียดยิ่งขึ้น ส่งผลให้ความหยาบลดลงเหลือเพียงไม่กี่ไมโครเมตรหรือต่ำกว่านั้นด้วยซ้ำ ตัวอย่างเช่น หลังจากการขัดเงาอย่างละเอียด ความหยาบของชิ้นส่วนโลหะที่พิมพ์ด้วย 3D อาจต่ำกว่า Ra 5μm ซึ่งตอบสนองความต้องการของการใช้งานที่มีข้อกำหนดด้านการตกแต่งพื้นผิวที่สูงมาก เช่น ส่วนประกอบอุปกรณ์เกี่ยวกับแสง ลำดับการตกแต่งขั้นสุดท้ายประเภทนี้ - การให้ความร้อนเพื่อรักษาเสถียรภาพของวัสดุ ตามด้วยการขัดเพื่อลบลักษณะพื้นผิวโดยรวม ตามด้วยการขัดเพื่อให้ได้คุณภาพพื้นผิวขั้นสุดท้าย - สะท้อนให้เห็นว่าการลดความหยาบในการผลิตสารเติมแต่งโลหะนั้นแทบจะไม่สามารถบรรลุผลสำเร็จในขั้นตอนเดียวได้อย่างไร แต่โดยทั่วไปแล้วจะเกี่ยวข้องกับการผสมผสานระหว่างการบำบัดด้วยความร้อนและเชิงกลแบบหลายชั้น โดยแต่ละการบำบัดจะจัดการกับความผิดปกติของพื้นผิวในระดับที่แตกต่างกัน ตั้งแต่การบรรเทาความเครียดจำนวนมากไปจนถึงความเรียบเนียนระดับไมครอน
รวบรวมมันทั้งหมดเข้าด้วยกัน
โดยรวมแล้ว ปัจจัยทั้งสามประเภทนี้ - ประเภทกระบวนการ คุณสมบัติของวัสดุ และ-วิธีการประมวลผลภายหลัง - มีปฏิสัมพันธ์กันแทนที่จะดำเนินการอย่างเป็นอิสระต่อกัน ชิ้นส่วนที่พิมพ์ผ่าน L-PBF จากโลหะผสมอลูมิเนียมที่มีความหนืดต่ำ-พร้อม-พารามิเตอร์ที่ได้รับการปรับปรุงอย่างดีอาจได้ผลลัพธ์ที่ค่อนข้างดีตาม-ความหยาบที่สร้างขึ้น ในขณะที่การออกแบบเดียวกันที่พิมพ์จากซูเปอร์อัลลอยที่มีความหนืดสูง-ผ่าน EBM อาจเริ่มต้นจากเส้นฐานที่หยาบกว่าก่อนที่จะใช้การประมวลผลภายหลังใดๆ- ซึ่งหมายความว่าการบรรลุพื้นผิวสำเร็จตามเป้าหมายสำหรับการใช้งานที่กำหนดนั้นไม่ได้เป็นเพียงเรื่องของการระบุ-ขั้นตอนหลังการประมวลผลที่ส่วนท้ายของขั้นตอนการทำงาน - เท่านั้น แต่ยังต้องพิจารณาถึงกระบวนการและการเลือกใช้วัสดุตั้งแต่เริ่มแรก เนื่องจากการตัดสินใจขั้นต้นเหล่านี้กำหนดพื้นและเพดานในทางปฏิบัติสำหรับสิ่งที่หลังการประมวลผลสามารถทำได้ตามความเป็นจริง สำหรับการใช้งานที่มีข้อกำหนดด้านการตกแต่งพื้นผิวที่เข้มงวด การทำความเข้าใจว่าตัวแปรเหล่านี้โต้ตอบกันอย่างไรช่วยให้วิศวกรสามารถเลือกการผสมผสานที่เหมาะสมของกระบวนการ วัสดุ และวิธีการตกแต่งตั้งแต่เริ่มต้น แทนที่จะพยายามชดเชยสภาพพื้นผิวเริ่มต้นที่ไม่ดีผ่านการประมวลผลขั้นปลายที่กว้างขวางและมีค่าใช้จ่ายสูง