לאיזו רמה ליטוש יכול להעלות את פני השטח של הדפסת תלת מימד מתכת?

1. חספוס פני השטח: קפיצה ממיקרומטרים לננומטרים
חספוס פני השטח הוא מדד מרכזי לאיכות פני השטח של חלק. יש לו השפעה ישירה על מידת ההתנגדות שלו בפני קורוזיה, עד כמה הוא עובד עם חיכוך ועד כמה הוא עובד עם האור. להגדרות התהליך, לסוג החומר ולכיוון ההדפסה יש השפעה רבה על מידת הגסות של חלקי המתכת המודפסים בתלת-ממד בהתחלה. לדוגמה, חספוס פני השטח של חלקי סגסוגת טיטניום המיוצרים בשיטת לייזר התכת אבקת מיטת (LPBF) יכול להגיע עד ל-Ra15-20 מיקרומטר כאשר נמדד לרוחב כיוון ההדפסה. עם זאת, כאשר נמדד לאורך כיוון ההדפסה, החספוס יכול להיות נמוך כמו Ra8-12 מיקרומטר מכיוון שהשכבות חופפות בצורה הדוקה יותר. ליטוש יכול להפוך את פני השטח להרבה יותר חלקים:
ליטוש מכני: באמצעות מכונות ליטוש אוטומטיות וחומרי שיוף יהלומים, ניתן להוריד את חספוס פני השטח של חלקי סגסוגת אלומיניום המיוצרים בשיטת BJ (ריסוס דבק) מ-Ra2.4 מיקרומטר ל-Ra0.8 מיקרומטר או פחות, וזה מספיק טוב עבור רוב עבודות ההרכבה המכנית. לצורכי דיוק- גבוהים, כמו תומכים למראות אופטיות, ליטוש רב-שלבי (ליטוש גס ← ליטוש עדין ← ליטוש דק במיוחד) יכול להוריד את חספוס פני השטח ל-Ra0.05 מיקרומטר, שהוא קרוב לרמת השחזה האופיינית למראה.
ליטוש כימי: שיטה זו משתמשת בתמיסות חומציות או אלקליות כדי להמיס באופן סלקטיבי בליטות פני השטח. זה עובד היטב על מבני חלל פנימיים מורכבים. לדוגמה, חספוס פני השטח של סטנטים קרדיווסקולריים מנירוסטה 316L ירד מ-Ra6 מיקרומטר ל-Ra0.2 מיקרומטר לאחר ליטוש כימי. זה נפטר מהמיקרוספירה-כמו קבצים מצורפים שנוצרו במהלך ההדפסה, מה שהוריד את הסיכון לפקקת.
ליטוש בלייזר: שימוש בקרני לייזר חזקות להמסת חומרי פני שטח באזור קטן ולאחר מכן לתת למתח הפנים של המתכת הנוזלית לעשות את העבודה של החלקה. מחקרים מצביעים על כך שבעקבות חמש סריקות לייזר של רכיבי נירוסטה 316L המיוצרים בשיטת SLM, חספוס פני השטח ירד מ-Sa21 מיקרומטר ל-Sa1 מיקרומטר, והשגת שיעור הפחתה של 96%, ללא היווצרות של שכבת נזק תת-קרקעית המיוחסת לליטוש מכני.
2. מבנה מיקרו: שיפור מפגמים לצפיפות
ליטוש לא רק גורם למשטח להיראות טוב יותר, אלא הוא גם מחזק את החומר על ידי היפטרות מפגמים קטנים:
סגירת סדקים: סדקים מיקרו הנוצרים כאשר הדפסת תלת מימד מתכת מתקררת מהר מדי, ניתן לסגור חלקית על ידי לחץ ליטוש מכני. לדוגמה, בעקבות ליטוש רטט, צפיפות השבר של פני השטח של להב טורבינה מסויים של מנוע תעופה ירדה ב-40%, וחיי העייפות במחזור הגבוה עלו ב-25%.
שחרור מתח שיורי: ליטוש כימי מקל על מתח מתיחה שיורי על ידי פירוק שכבת פני השטח, מה שמונע פיצוח קורוזיה במתח. טיפול הכבישה של חלקי סגסוגת טיטניום TC4 הראה שהמתח השיורי על פני השטח ירד מ-150MPa ל-50MPa, ושיעור הקורוזיה מריסוס מלח ירד ב-60%.
ליטוש בלייזר עלול לגרום להתכה מחדש של פני השטח, מה שיכול להפוך את גודל הגרגיר לאחיד יותר. מחקרים על סגסוגת-הטמפרטורה הגבוהה Inconel 718 מצביעים על כך שליטוש לייזר מעדן את גודל הגרגירים של פני השטח מ-50 מיקרומטר ל-10 מיקרומטר, משפר את הקשיות ב-15% ומפחית את קצב העלייה במשקל החמצון ב-650 מעלות ב-30%.
3. ביצועים פונקציונליים: מעבר משלב בסיסי לרמה גבוהה-
השיפור באיכות השטח לאחר-ליטוש מתאם ישירות לאופטימיזציה של ביצועים פונקציונליים:
עמידות משופרת בפני שחיקה: משטחים חלקים יותר יכולים להפחית את הסיכוי שישויות קמורות זעירות ייגעו זו בזו במשטח המגע. מבחן החיכוך ברכיבי פלדה נושאי GCr15 הצביע על כך שליטוש פני השטח מ-Ra1.6 מיקרומטר ל-Ra0.2 מיקרומטר גרם למקדם החיכוך לרדת מ-0.15 ל-0.08 וכמות הבלאי לרדת ב-70%.
עמידות טובה יותר בפני קורוזיה: משטח חלק מקשה על הידבקות של חומרים קורוזיביים, וסרט הפסיבציה שנוצר במהלך ליטוש כימי מוסיף עוד יותר הגנה. לאחר ליטוש אלקטרוכימי, צפיפות זרם הקורוזיה של 304 חלקי נירוסטה בתמיסת 3.5% NaCl ירדה מ-1.2 × 10 ⁻⁵ A/cm ² ל- 2.5 × 10 ⁻⁶ A/cm ², וההתנגדות בפני קורוזיה בבור עלתה פי 5.
ביצועים אופטיים משופרים: מחקר על ליטוש מראות מסגסוגת אלומיניום AlSi10Mg מוכיח שכאשר מורידים את חספוס פני השטח מ-Ra3.2 מיקרומטר ל-Ra0.05 מיקרומטר, החזר האור הנראה עולה מ-85% ל-92%, וזה מה שמערכות תקשורת לייזר זקוקות לו.
4. יישום בתעשייה: מעבר מהמעבדה למפעל
טכניקת ליטוש נוצלה רבות בתחומים המחייבים תקני איכות מחמירים של פני השטח:
תעופה וחלל: ליטוש לייזר משמש על סוג מסוים של פיית מנוע רקטי כדי להפוך את פני השטח לפחות מחוספס, מ-Ra12 מיקרומטר עד Ra0.8 מיקרומטר. חיי המחזור התרמי בסביבת חלל מדומה (טווח טמפרטורות: -180 מעלות עד 300 מעלות) הועלה מ-50 ל-200 פעמים.
שתלים רפואיים: לאחר ליטוש כימי, חספוס פני השטח של תותבת מפרק מפרק הירך מסגסוגת טיטניום ירד מ-Ra8 מיקרומטר ל-Ra0.5 מיקרומטר. זה גרם לתאים להיצמד לשתלים ב-40% טוב יותר וגרם לעצמות להשתלב איתם ב-30% מהר יותר.
תבנית מדויקת: לאחר ליטוש באמצעות שחיקה אדפטיבית (SAG), חספוס פני השטח של ליבת הזרקת הרכב יורד ל-Ra0.02 מיקרומטר, חיי התבנית עולים מפי 100,000 לפי 500,000, ומבריק פני השטח של המוצר עולה ב-2 רמות.