Površinska hrapavost metalnih 3D tiskanih dijelova značajno varira ovisno o nizu čimbenika, a općenito se kreće između nekoliko mikrometara i nekoliko desetaka mikrometara. Za razliku od tradicionalno obrađenih dijelova, gdje je završna obrada površine u velikoj mjeri funkcija geometrije alata i parametara rezanja, proizvodnja metalnih dodataka uvodi mnogo širi skup varijabli - sam proces tiskanja, fizičke karakteristike materijala koji se tiska i naknadni-koraci obrade koji se primjenjuju nakon toga međusobno djeluju kako bi se odredilo konačno stanje površine. Razumijevanje toga kako svaki od ovih čimbenika doprinosi pomaže objasniti zašto dva dijela ispisana istim dizajnom mogu završiti sa značajno različitom kvalitetom površine.
Utjecaj vrste procesa
Laser Powder Bed Fusion (L-PBF). Ovo je jedan od uobičajenih postupaka metalnog 3D ispisa koji se danas koristi. Djeluje korištenjem visoko{4}}energetskog lasera za topljenje metalnog praha, koji se zatim ugrađuje sloj po sloj u konačni oblik dijela. Pod idealnim uvjetima, hrapavost površine ovim postupkom može se kontrolirati na oko Ra 10–30 μm. Na primjer, pri ispisu metalnih dijelova s relativno jednostavnim strukturama korištenjem ovog postupka, relativno niske razine hrapavosti mogu se postići nakon što su parametri optimizirani. To je zato što je laserska energija prilično koncentrirana, što omogućuje preciznu kontrolu nad oblikom i veličinom bazena taline. Ova preciznost znači da se prah stapa i slaže gušće dok se stvrdnjava, što pomaže smanjiti hrapavost površine do određenog stupnja. Čvrsto fokusirana priroda laserske zrake također znači da se toplinski unos u okolni, neotopljeni prah može svesti na najmanju moguću mjeru, smanjujući količinu djelomično sinteriranog praha koji ima tendenciju da se zalijepi za rubove ispisanog elementa i pridonese grubljoj završnoj obradi.
Taljenje snopom elektrona (EBM). Ovaj proces koristi snop elektrona za skeniranje i taljenje metalnog praha. Dijelovi ispisani ovim postupkom obično spadaju u sličan opći raspon hrapavosti, iako rezultati mogu varirati ovisno o karakteristikama elektronskog snopa i korištenoj strategiji skeniranja. Elektronske zrake nose visoku energiju i nude odličan fokus, omogućujući visoko{3}}precizno taljenje i formiranje dijelova. U primjenama gdje su zahtjevi za kvalitetom površine posebno zahtjevni, fino-podešavanje parametara procesa može smanjiti hrapavost na Ra 10 μm ili čak niže. Vrijedno je napomenuti da se EBM obično izvodi na povišenim temperaturama u-komori za izradu i pod vakuumskim uvjetima, što mijenja način na koji se sloj praha ponaša u usporedbi s procesima-zasnovanim na laseru - povišena temperatura smanjuje toplinski stres tijekom izrade, ali također može uzrokovati da se više čestica praha lagano sinteruje oko kontura dijela, što je jedan od razloga zašto površine EBM-a ponekad imaju malo drugačiji izgled karakter hrapavosti od L-PBF površina čak i kada su nazivne vrijednosti hrapavosti slične.
Uloga svojstava materijala
Različiti metalni materijali. Talište, viskoznost i druge fizičke karakteristike određenog materijala izravno utječu na tečnost i ponašanje-rasprostiranja praha tijekom procesa tiskanja, što zauzvrat utječe na hrapavost površine. Na primjer, aluminijske legure - koje imaju relativno nisko talište i dobru tečljivost - imaju tendenciju popunjavanja praznina i lakšeg oblikovanja glatkih površina tijekom tiskanja, a njihova hrapavost općenito može doseći raspon od Ra 15–25 μm. Nasuprot tome, neki metali s višim talištem i većom viskoznošću, kao što su određene-superlegure na visokim temperaturama, možda se neće širiti i stapati kao idealno tijekom procesa tiskanja, a njihova hrapavost može biti nešto veća - obično u rasponu od Ra 20–35μm. Ova je razlika važna u praksi: dizajner dijela koji bira između legure aluminija i superlegure na bazi nikla-za određenu primjenu ne vaga samo mehanička svojstva i temperaturnu otpornost, već implicitno prihvaća različitu osnovnu završnu obradu površine prije nego što se primijeni bilo kakva naknadna{14}}obrada.
Sastav legure. Udio različitih elemenata unutar legure također utječe na hrapavost površine. Na primjer, legure koje sadrže veći udio lako oksidirajućih elemenata mogu doživjeti degradaciju kvalitete površine zbog oksidacije koja se događa tijekom procesa tiskanja, što zauzvrat povećava hrapavost. Ovaj učinak posebno je relevantan za procese metalnog 3D ispisa koji ne rade u potpuno inertnom ili vakuumskom okruženju, gdje se izloženost kisiku u tragovima tijekom ciklusa taljenja svakog sloja može akumulirati u mjerljivi učinak na gotovu površinu tijekom izrade koja može uključivati tisuće pojedinačnih slojeva.
Uloga post{0}}metoda obrade
Toplinska obrada. Odgovarajuća toplinska obrada može ublažiti unutarnje naprezanje i poboljšati metaluršku strukturu dijela, čime se smanjuje hrapavost površine. Nakon toplinske obrade, površina dijela može postati primjetno ravnomjernija, s hrapavošću smanjenom za nekoliko mikrometara. Na primjer, žarenje tiskanog metalnog dijela nakon izrade pomaže u rafiniranju zrnate strukture, čineći mikrostrukturu površine ujednačenijom. Hrapavost se može smanjiti s oko Ra 20 μm prije tretmana na oko Ra 15 μm poslije. Dok se toplinska obrada često primarno primjenjuje za ublažavanje zaostalog naprezanja i poboljšanje mehaničkih svojstava kao što je duktilnost, njen učinak na hrapavost površine je korisna sekundarna prednost - koju dizajneri ponekad zanemaruju kada planiraju slijed pune -obrade dijela, iako može značajno smanjiti količinu mehaničke završne obrade koja je potrebna nizvodno.
Mehanička obrada. Značajno smanjenje hrapavosti može se postići metodama mehaničke obrade kao što su brušenje i poliranje. Brušenjem se uklanjaju površinske izbočine i nesavršenosti, poboljšavajući ukupnu ravnost površine. Poliranje zatim dodatno pročišćava površinu, smanjujući hrapavost na samo nekoliko mikrometara ili čak niže. Na primjer, nakon finog poliranja, hrapavost metalnog 3D tiskanog dijela može doseći ispod Ra 5μm, ispunjavajući zahtjeve aplikacija s iznimno visokim zahtjevima završne obrade, kao što su komponente optičkih instrumenata. Ovakav slijed završne obrade - toplinska obrada za stabilizaciju materijala, nakon čega slijedi brušenje kako bi se uklonile značajke grube površine, nakon čega slijedi poliranje za postizanje konačne kvalitete površine - odražava kako se smanjenje hrapavosti u proizvodnji metalnih aditiva rijetko postiže kroz jedan korak. Umjesto toga, obično uključuje slojevitu kombinaciju toplinskih i mehaničkih obrada, od kojih se svaka bavi različitom ljestvicom površinskih nepravilnosti, od masovnog smanjenja naprezanja do mikronske -glatkoće.
Sve zajedno
Uzete u cjelini, ove tri kategorije čimbenika - vrsta procesa, svojstva materijala i post{1}}metoda obrade - međusobno djeluju, a ne neovisno. Dio otisnut putem L-PBF-a od legure aluminija niske-viskoznosti s dobro-optimiziranim parametrima može već postići relativno povoljnu -izgrađenu hrapavost, dok bi isti dizajn otisnut iz superlegure visoke-viskoznosti putem EBM-a mogao početi od grublje osnovne linije čak i prije bilo kakve naknadne-obrade primijeniti. To znači da postizanje ciljne završne obrade za određenu primjenu nije jednostavno stvar određivanja koraka naknadne-obrade na kraju tijeka rada - to zahtijeva razmatranje procesa i odabira materijala od samog početka, budući da ove prethodne odluke postavljaju praktične donje i gornje granice za ono što naknadna-obrada može realno postići. Za primjene sa strogim zahtjevima za završnu obradu površine, razumijevanje načina na koji ove varijable međusobno djeluju omogućuje inženjerima odabir prave kombinacije procesa, materijala i metode završne obrade od samog početka, umjesto da pokušavaju kompenzirati loše početno stanje površine opsežnom i skupom daljnjom obradom.