גורמים המשפיעים על חספוס פני השטח בהדפסת מתכת תלת מימדית

חספוס פני השטח של חלקי מתכת מודפסים בתלת מימד משתנה במידה ניכרת בהתאם למגוון של גורמים, ובדרך כלל נופל איפשהו בין כמה מיקרומטרים לכמה עשרות מיקרומטרים. בניגוד לחלקים בעיבוד מסורתי, שבהם גימור פני השטח הוא במידה רבה פונקציה של גיאומטריית הכלים ופרמטרי חיתוך, ייצור תוספים למתכת מציג קבוצה רחבה הרבה יותר של משתנים - תהליך ההדפסה עצמו, המאפיינים הפיזיים של החומר המודפס ושלבי העיבוד שלאחר-העיבוד המיושמים לאחר מכן, כולם פועלים על מנת לקבוע את מצב פני השטח הסופי. ההבנה כיצד כל אחד מהגורמים הללו תורם עוזרת להסביר מדוע שני חלקים המודפסים מאותו עיצוב יכולים להסתיים באיכות פני שטח שונה באופן משמעותי.

Laser Powder Bed Fusion (L-PBF). זהו אחד מתהליכי ההדפסה התלת מימדית הנפוצים יותר של מתכת הנמצאים בשימוש כיום. זה עובד על ידי שימוש בלייזר באנרגיה גבוהה- כדי להמיס אבקת מתכת, אשר נבנית שכבה אחר שכבה לצורת החלק הסופית. בתנאים אידיאליים, ניתן לשלוט בחספוס פני השטח בתהליך זה לסביבות Ra 10-30μm. לדוגמה, כאשר מדפיסים חלקי מתכת בעלי מבנים פשוטים יחסית בתהליך זה, ניתן להגיע לרמות חספוס נמוכות יחסית לאחר שהפרמטרים עברו אופטימיזציה. הסיבה לכך היא שאנרגיית הלייזר מרוכזת למדי, מה שמאפשר שליטה מדויקת על הצורה והגודל של בריכת ההיתוך. דיוק זה אומר שהאבקה מתמזגת ונערמת בצפיפות רבה יותר כשהיא מתמצקת, מה שעוזר להפחית את חספוס פני השטח במידה מסוימת. האופי הממוקד בחוזקה של קרן הלייזר פירושו גם שניתן למזער את הקלט התרמית לאבקה הסובבת, שלא נמסה, ולהפחית את כמות האבקה הסונטרת חלקית הנוטה להיצמד לקצוות של תכונה מודפסת ולתרום לגימור מחוספס יותר.

התכת קרן אלקטרונים (EBM). תהליך זה משתמש בקרן אלקטרונים כדי לסרוק ולהמיס אבקת מתכת. חלקים המודפסים בתהליך זה נופלים בדרך כלל בטווח חספוס כללי דומה, אם כי התוצאות עשויות להשתנות בהתאם למאפיינים של אלומת האלקטרונים ואסטרטגיית הסריקה שבה נעשה שימוש. אלומות אלקטרונים נושאות אנרגיה גבוהה ומציעות מיקוד מעולה, המאפשרות התכה-בדיוק גבוה ויצירת חלקים. ביישומים שבהם דרישות איכות פני השטח תובעניות במיוחד, כוונון עדין- של פרמטרי תהליך יכול להוריד את החספוס לקרוב ל-Ra 10μm או אפילו נמוך יותר. ראוי לציין ש-EBM מתבצעת בדרך כלל בטמפרטורות בנייה גבוהות-בתא ובתנאי ואקום, מה שמשנה את אופן התנהלות מיטת האבקה בהשוואה לתהליכים מבוססי לייזר - הטמפרטורה הגבוהה מפחיתה את הלחץ התרמי במהלך הבנייה, אבל היא יכולה גם לגרום ליותר חלקיקי אבקה להסתלבט קלות יחדיו, שלעתים יש קונטור אחד של EBM שונה מסביב לחלק. תו מאשר משטחי L-PBF גם כאשר ערכי החספוס הנומינליים דומים.

חומרי מתכת שונים. נקודת ההיתוך, הצמיגות ומאפיינים פיזיקליים אחרים של חומר נתון משפיעים ישירות על יכולת הזרימה והתנהגות -התפשטות האבקה במהלך תהליך ההדפסה, אשר בתורו משפיעה על חספוס פני השטח. לדוגמה, סגסוגות אלומיניום - בעלות נקודת התכה נמוכה יחסית ויכולת זרימה טובה - נוטות למלא פערים וליצור משטחים חלקים ביתר קלות במהלך ההדפסה, והחספוס שלהן יכול להגיע בדרך כלל לטווח של Ra 15-25μm. לעומת זאת, מתכות מסוימות בעלות נקודות התכה גבוהות יותר וצמיגות גבוהה יותר, כגון סגסוגות-על מסוימות בטמפרטורה- גבוהה, עשויות שלא להתפשט ולהתמזג בצורה אידיאלית במהלך תהליך ההדפסה, והחספוס שלהן עשוי להיות מעט גבוה יותר -, בדרך כלל בטווח של Ra 20-35μm. ההבדל הזה חשוב בפועל: מעצב חלק שבוחר בין סגסוגת אלומיניום לבין סגסוגת על מבוססת ניקל- עבור יישום נתון לא רק שוקל תכונות מכניות ועמידות בטמפרטורה, אלא גם מקבל באופן מרומז גימור משטח בסיס שונה לפני יישום שלאחר{14}}עיבוד.

הרכב סגסוגת. הפרופורציה של אלמנטים שונים בתוך סגסוגת משפיעה גם על חספוס פני השטח. לדוגמה, סגסוגות המכילות שיעור גבוה יותר של יסודות שהתחמצנו בקלות עשויות לחוות ירידה באיכות פני השטח עקב חמצון המתרחש במהלך תהליך ההדפסה, אשר בתורו מגביר את החספוס. אפקט זה רלוונטי במיוחד עבור תהליכי הדפסה תלת-ממדית מתכת שאינם פועלים בסביבה אינרטית או ואקום לחלוטין, כאשר עקבות חשיפת חמצן במהלך מחזור ההיתוך של כל שכבה יכולה להצטבר להשפעה ניתנת למדידה על המשטח המוגמר במהלך מבנה שעשוי לכלול אלפי שכבות בודדות.

טיפול בחום. טיפול בחום מתאים יכול להקל על מתח פנימי ולשפר את המבנה המתכתי של חלק, ובכך להפחית את חספוס פני השטח. לאחר טיפול בחום, פני השטח של חלק עשויים להיות אחידים יותר באופן ניכר, כאשר החספוס מופחת בכמה מיקרומטרים. לדוגמה, חישול חלק מתכתי מודפס לאחר הבנייה עוזר לעדן את מבנה הגרגירים, מה שהופך את המיקרו-מבנה של המשטח לאחיד יותר. ניתן להפחית את החספוס מסביבות Ra 20μm לפני הטיפול לסביבות Ra 15μm לאחר מכן. בעוד טיפול בחום מיושם לעתים קרובות בעיקר כדי להקל על המתח שיורי ולשפר תכונות מכניות כגון גמישות, השפעתו על חספוס פני השטח היא יתרון משני שימושי - שלעיתים מתעלמים ממנו מתכננים כאשר מתכננים את רצף העיבוד המלא שלאחר-חלק, למרות שהוא יכול להפחית באופן משמעותי את כמות הגימור המכני הנדרש במורד הזרם.

עיבוד מכני. ניתן להשיג הפחתת החספוס באופן משמעותי באמצעות שיטות עיבוד מכניות כגון שיוף וליטוש. שיוף מסיר בליטות ופגמים של פני השטח, משפר את השטיחות הכוללת של פני השטח. לאחר מכן ליטוש מעדן עוד יותר את פני השטח, ומוריד את החספוס לכמה מיקרומטרים בלבד או אפילו נמוך יותר. לדוגמה, לאחר ליטוש עדין, החספוס של חלק מתכת מודפס בתלת-ממד יכול להגיע מתחת ל-Ra 5μm, ולעמוד בדרישות של יישומים עם דרישות גימור משטח גבוהות במיוחד, כגון רכיבי מכשירים אופטיים. סוג זה של רצף גימור - טיפול בחום לייצוב החומר, ואחריו שיוף להסרת תכונות פני שטח גסות, ואחריו ליטוש להשגת איכות פני השטח הסופית - משקף את האופן שבו הפחתת החספוס בייצור תוספים מתכת מתבצעת רק לעתים רחוקות באמצעות שלב בודד. במקום זאת, זה בדרך כלל כרוך בשילוב שכבות של טיפולים תרמיים ומכאניים, שכל אחד מהם מתייחס לסקאלה שונה של אי סדירות פני השטח, מהפגת מתח בתפזורת ועד להחלקה ברמת המיקרון.{10}

במכלול, שלוש הקטגוריות הללו של גורמים - סוג תהליך, מאפייני החומר ושיטת -אחרי העיבוד - פועלות באינטראקציה במקום לפעול באופן עצמאי. חלק המודפס באמצעות L-PBF מסגסוגת אלומיניום-נמוכה עם פרמטרים-מותאמים היטב עשוי כבר להשיג חספוס טוב יחסית כמו-בנוי, בעוד שאותו עיצוב המודפס מסגסוגת על-בצמיגות גבוהה באמצעות EBM עשוי להתחיל מבסיס גס יותר{9} עוד לפני יישום שלאחר עיבוד. משמעות הדבר היא שהשגת יעד גימור פני השטח עבור יישום נתון אינה רק עניין של ציון שלאחר{11}}שלב העיבוד בסוף זרימת העבודה -, היא דורשת לשקול את התהליך ואת בחירת החומר מלכתחילה, שכן החלטות אלו במעלה הזרם קובעות את הרצפה והתקרה המעשיים למה שהעיבוד לאחר-יכול להשיג באופן ריאלי. עבור יישומים עם דרישות גימור קפדניות של פני השטח, הבנת האופן שבו משתנים אלה מקיימים אינטראקציה מאפשרת למהנדסים לבחור את השילוב הנכון של תהליך, חומר ושיטת גימור מההתחלה, במקום לנסות לפצות על מצב פני השטח הראשוני הירוד באמצעות עיבוד נרחב ויקר במורד הזרם.