A quale livello la lucidatura può elevare la superficie della stampa 3D in metallo?

1. Rugosità superficiale: un salto dai micrometri ai nanometri
La rugosità superficiale è una misura chiave della qualità della superficie di una parte. Ha un effetto diretto su quanto bene resiste alla corrosione, quanto bene funziona con l'attrito e quanto bene funziona con la luce. Le impostazioni del processo, il tipo di materiale e la direzione di stampa hanno tutti un grande effetto su quanto ruvide siano inizialmente le parti metalliche stampate in 3D. Ad esempio, la ruvidità superficiale delle parti in lega di titanio realizzate con il metodo di fusione laser a letto di polvere (LPBF) può raggiungere Ra15–20 μm se misurata nella direzione di stampa. Tuttavia, se misurata lungo la direzione di stampa, la ruvidità può arrivare fino a Ra8–12 μm perché gli strati sono più strettamente sovrapposti. La lucidatura può rendere la superficie molto più liscia:
Lucidatura meccanica: utilizzando lucidatrici automatizzate e abrasivi diamantati, la ruvidità superficiale delle parti in lega di alluminio realizzate con il metodo BJ (spruzzatura di adesivo) può essere ridotta da Ra2,4 μm a Ra0,8 μm o meno, il che è sufficiente per la maggior parte dei lavori di assemblaggio meccanico. Per esigenze di alta-precisione, come i supporti per specchi ottici, la lucidatura a più-fasi (lucidatura grossolana → lucidatura fine → lucidatura ultra fine) può ridurre la ruvidità della superficie a Ra0,05 μ m, che è vicino al livello della tipica molatura degli specchi.
Lucidatura chimica: questo metodo utilizza soluzioni acide o alcaline per dissolvere selettivamente le irregolarità superficiali. Funziona bene su complesse strutture di cavità interne. Ad esempio, la rugosità superficiale degli stent cardiovascolari in acciaio inossidabile 316L è passata da Ra6 μm ​​a Ra0,2 μm dopo la lucidatura chimica. Questo ha eliminato gli attaccamenti simili a microsfere-che si formavano durante la stampa, riducendo così il rischio di trombosi.
Lucidatura laser: utilizzo di potenti raggi laser per sciogliere i materiali superficiali in una piccola area e quindi lasciare che la tensione superficiale del metallo liquido faccia il lavoro di levigarlo. Gli studi indicano che dopo cinque scansioni laser di componenti in acciaio inossidabile 316L prodotti utilizzando il metodo SLM, la rugosità superficiale è diminuita da Sa21 μm a Sa1 μm, ottenendo un tasso di riduzione del 96%, senza la formazione di uno strato di danno sottosuperficiale attribuibile alla lucidatura meccanica.
2. Microstruttura: miglioramento dai difetti alla densificazione
La lucidatura non solo migliora l'aspetto della superficie, ma rende anche il materiale più resistente eliminando piccoli difetti:
Chiusura delle crepe: le microfessure che si formano quando la stampa 3D in metallo si raffredda troppo rapidamente possono essere parzialmente chiuse mediante pressione di lucidatura meccanica. Ad esempio, in seguito alla lucidatura a vibrazione, la densità di frattura superficiale di una determinata pala di turbina di un motore aeronautico è diminuita del 40% e la resistenza alla fatica ad alto numero di cicli è aumentata del 25%.
Rilascio dello stress residuo: la lucidatura chimica allevia lo stress da trazione residuo abbattendo lo strato superficiale, prevenendo le fessurazioni da tensocorrosione. Il trattamento di decapaggio delle parti in lega di titanio TC4 ha mostrato che la tensione residua sulla superficie è scesa da -150 MPa a -50 MPa e il tasso di corrosione da nebbia salina è diminuito del 60%.
La lucidatura laser può causare la rifusione della superficie, che può rendere la dimensione del grano più uniforme. Gli studi sulla lega ad alta temperatura- Inconel 718 indicano che la lucidatura laser affina la dimensione dei grani superficiali da 50 μm a 10 μm, aumenta la durezza del 15% e diminuisce il tasso di aumento di peso dell'ossidazione a 650 gradi del 30%.
3. Prestazioni funzionali: passaggio da base a fascia alta-
Il miglioramento della qualità della superficie post-lucidatura è direttamente correlato all'ottimizzazione delle prestazioni funzionali:
Resistenza all'usura migliorata: superfici più lisce possono rendere meno probabile il contatto tra piccole entità convesse sulla superficie di contatto. Il test di attrito sui componenti in acciaio per cuscinetti GCr15 ha indicato che la lucidatura della superficie da Ra1,6 μm a Ra0,2 μm ha fatto sì che il coefficiente di attrito scendesse da 0,15 a 0,08 e che la quantità di usura diminuisse del 70%.
Migliore resistenza alla corrosione: una superficie liscia rende più difficile l'adesione delle sostanze corrosive e la pellicola di passivazione che si forma durante la lucidatura chimica aggiunge una protezione ancora maggiore. Dopo la lucidatura elettrochimica, la densità della corrente di corrosione delle parti in acciaio inossidabile 304 in una soluzione di NaCl al 3,5% è scesa da 1,2 × 10 ⁻⁵ A/cm² a 2,5 × 10 ⁻⁶ A/cm², e la resistenza alla corrosione per vaiolatura è aumentata di 5 volte.
Prestazioni ottiche migliorate: la ricerca sulla lucidatura degli specchi in lega di alluminio AlSi10Mg dimostra che quando la rugosità superficiale viene ridotta da Ra3,2 μm a Ra0,05 μm, la riflettanza della luce visibile aumenta dall'85% al ​​92%, che è ciò di cui hanno bisogno i sistemi di comunicazione laser.
4. Applicazione industriale: passaggio dal laboratorio alla fabbrica
La tecnica di lucidatura è stata ampiamente utilizzata in settori che richiedono rigorosi standard di qualità della superficie:
Aerospaziale: la lucidatura laser viene utilizzata su un certo tipo di ugello del motore a razzo per rendere la superficie meno ruvida, da Ra12 μm a Ra0,8 μm. La durata del ciclo termico in un ambiente spaziale simulato (intervallo di temperatura: da -180 gradi a 300 gradi) è stata aumentata da 50 a 200 volte.
Impianti medici: dopo la lucidatura chimica, la ruvidità superficiale della protesi dell'articolazione dell'anca in lega di titanio è passata da Ra8 μm a Ra0,5 μm. Ciò ha fatto sì che le cellule aderissero agli impianti meglio del 40% e che le ossa si integrassero con essi il 30% più velocemente.
Stampo di precisione: dopo la lucidatura con la rettifica adattiva della forma (SAG), la ruvidità superficiale del nucleo dello stampo a iniezione automobilistico scende a Ra0,02 μm, la durata dello stampo aumenta da 100.000 a 500.000 volte e la lucentezza della superficie del prodotto aumenta di 2 livelli.