Quali sono i metodi comuni di trattamento superficiale per la stampa 3D dei metalli?

1, lavorazione meccanica di precisione: dall'artigianato tradizionale all'aggiornamento intelligente
Le lavorazioni meccaniche di precisione livellano le superfici asportando fisicamente i materiali. Questo è il modo principale per rifinire la stampa 3D in metallo. Le cose principali che fa sono:
lucidatura manuale
L'utilizzo di attrezzature come carta vetrata e pasta lucidante per lucidare passo dopo passo può ridurre notevolmente la ruvidità della superficie (il valore Ra può andare da 10–20 μm a meno di 0,8 μm). Questa procedura, d'altro canto, dipende molto dall'esperienza operativa, non è molto ripetibile o efficiente ed è utile solo per realizzare piccoli lotti di prodotti ad alto-valore-aggiunto come gioielli e opere d'arte.
Rettifica a controllo numerico CNC
L'utilizzo combinato di macchine utensili CNC e utensili da taglio diamantati può rendere possibile la produzione di superfici complesse con una precisione molto elevata (± 0,01 mm). Ma è difficile lavorare con caratteristiche complesse come canali di flusso interni e strutture reticolari poiché gli strumenti sono difficili da ottenere. La tecnica della lavorazione a scarica elettrica (EDM) è necessaria, ad esempio, per realizzare fori di raffreddamento nelle pale delle turbine dei motori degli aerei.
Sistema per la lucidatura automatica
Zhejiang Tuobo e altre società hanno rilasciato un sistema di lucidatura automatico robotizzato in grado di rimuovere le strutture di supporto e lucidare le superfici allo stesso tempo utilizzando il posizionamento visivo 3D e il controllo del feedback di forza. Questo sistema può funzionare con robot di diverse aziende, come ABB e KUKA. È 3-5 volte più veloce rispetto all'esecuzione manuale dello stesso lavoro e mantiene l'imprecisione della superficie inferiore a ± 0,05 mm. È stato utilizzato molto in settori quali apparecchiature mediche e parti di automobili.
2. Trattamento chimico ed elettrochimico: controllo della microstruttura e aggiunta di nuove funzioni
Il trattamento chimico modifica la superficie di un materiale sciogliendolo o depositandolo. Le sue operazioni principali sono:
lucidatura con prodotti chimici
L'utilizzo di soluzioni acide o alcaline per dissolvere selettivamente la superficie può eliminare difetti come la sferoidizzazione e le scorie che si verificano durante la stampa. Ad esempio, la lucidatura chimica può rendere la superficie degli impianti in lega di titanio meno ruvida, passando da 6–12 μm a 0,2–1 μm, e può anche creare uno strato di passivazione per renderli più resistenti alla corrosione. Questo processo ha un effetto significativo sul trattamento delle strutture cave, ma è necessario un controllo rigoroso della concentrazione e della temperatura della soluzione per evitare un'eccessiva corrosione.
Lucidatura elettrochimica (ECP)
Utilizzare la corrente continua nell'elettrolita per sciogliere selettivamente le micro sporgenze sulla superficie metallica. Ciò renderà la superficie liscia come uno specchio (il valore Ra può essere 0,01 μm o inferiore). Molte apparecchiature mediche utilizzano questo metodo. Ad esempio, dopo il trattamento ECP, la ruvidità superficiale delle protesi articolari in lega di cobalto-cromo è ridotta del 90%, la resistenza all'usura è aumentata di tre volte ed è possibile eliminare la struttura degli strati di stampa, soddisfacendo i requisiti di biocompatibilità.
anodizzazione
I processi elettrolitici possono creare rivestimenti di ossido densi (spessore 5–20 μm) su leghe leggere come le leghe di alluminio. Questi film possono aumentare notevolmente la durezza (fino a 500HV) e la resistenza alla corrosione. Ad esempio, dopo il trattamento di anodizzazione dura, i componenti strutturali dell'aviazione possono resistere alla corrosione per più di 5.000 ore in un ambiente con nebbia salina al 3,5% di NaCl. La natura microporosa dello strato di pellicola può anche assorbire lubrificanti e abbassare il coefficiente di attrito.
3. Tecnologia di rivestimento e placcatura: combinazione di protezione funzionale e decorazione
La tecnologia di rivestimento crea un rivestimento protettivo sulla superficie depositando qualcosa fisicamente o chimicamente. I passaggi principali di questo processo sono:
PVD sta per Physical Vapor Deposition.
Utilizzo del bombardamento ionico ad alta-energia per applicare rivestimenti duri come TiN e CrN sulla superficie del substrato. Questo processo può migliorare significativamente la resistenza all'usura dell'acciaio per stampi (prolungandone la durata di 3-5 volte) e lo spessore del rivestimento è di soli 1-5 μm, senza compromettere la precisione dimensionale delle parti. Ad esempio, un’azienda ha utilizzato il PVD per elaborare stampi stampati in 3D e ha aumentato la frequenza di stampaggio da 100.000 a 500.000 volte.
Galvanotecnica e placcatura chimica
La galvanica utilizza reazioni elettrolitiche per depositare strati metallici (come Ni e Cu) su una superficie, rendendola meno probabile che si corroda e più conduttiva. La placcatura chimica, d'altro canto, utilizza reazioni auto-catalitiche per rendere uniforme la superficie (come la placcatura chimica in lega di nichel-fosforo). Ad esempio, un’azienda utilizza la nichelatura chimica per i dissipatori di calore in lega di rame stampati in 3D. Ciò li rende resistenti alla nebbia salina per 1.000 ore invece di 48 ore, pur avendo una conduttività termica di 200 W/(m · K) o più.
Spruzzare e ricoprire con polvere
Il rivestimento a spruzzo utilizza un flusso d'aria ad alta-pressione per far aderire il rivestimento in polvere o liquido alla superficie, creando uno strato protettivo spesso 20-100 μm. La spruzzatura della polvere, invece, utilizza l'adsorbimento elettrostatico per distribuire uniformemente la polvere, che forma uno spesso rivestimento quando si raffredda. Questo metodo funziona per strumenti esterni, macchine industriali e altre situazioni. Ad esempio, un'azienda utilizza la verniciatura a polvere per trattare elementi strutturali in acciaio-stampati in 3D, rendendoli resistenti alla nebbia salina neutra per più di 2000 ore.
4. Nuove tecnologie: i processi laser e compositi guidano l'innovazione: lucidatura laser
Utilizzo di raggi laser ad alta-energia per sciogliere i materiali superficiali in una piccola area e quindi far scorrere la pozza fusa per livellare la superficie. Questo metodo può funzionare su superfici curve difficili da raggiungere e presenta una piccola zona colpita dal calore (inferiore o uguale a 0,1 mm). Ad esempio, una certa azienda utilizza la lucidatura laser per stampare in 3D leghe ad alta temperatura a base di nichel,-riducendo la ruvidità superficiale da Ra 8 μ m a Ra 2 μ m mantenendo invariate le proprietà meccaniche del materiale.
Lavorazione a flusso abrasivo (AFM)
Per lucidare caratteristiche complesse come fori trasversali e canali di flusso interni, il materiale abrasivo viscoelastico viene fatto scorrere attraverso la camera interna del componente. Questa procedura può funzionare in luoghi difficili da raggiungere. Ad esempio, un'azienda utilizza l'AFM per elaborare gli ugelli del carburante per l'aviazione stampati in 3D-, il che rende la superficie interna meno ruvida (da Ra 16 μ m a Ra 1,6 μ m) e migliora l'uniformità del flusso del 20%.
Integrazione di processi compositi
Utilizzo di più metodi di elaborazione per lavorare insieme per migliorare le prestazioni. Ad esempio, una determinata azienda adotta un processo combinato di "lucidatura chimica+anodizzazione+rivestimento PVD" per la stampa 3D di impianti in lega di titanio, che riduce la ruvidità superficiale a Ra 0,05 μ m, migliora la resistenza alla corrosione di 5 volte e la forza di legame tra il rivestimento e il substrato raggiunge 40 MPa, soddisfacendo i requisiti di servizio a lungo termine degli impianti ortopedici.