العوامل المؤثرة على خشونة السطح في الطباعة المعدنية ثلاثية الأبعاد

تختلف خشونة سطح الأجزاء المعدنية المطبوعة ثلاثية الأبعاد بشكل كبير اعتمادًا على مجموعة من العوامل، وعادةً ما تقع في مكان ما بين بضعة ميكرومترات وعدة عشرات من الميكرومترات. على عكس الأجزاء المصنعة آليًا تقليديًا، حيث يعتمد تشطيب السطح إلى حد كبير على هندسة الأداة ومعلمات القطع، يقدم تصنيع المواد المضافة المعدنية مجموعة أوسع بكثير من المتغيرات -، حيث تتفاعل عملية الطباعة نفسها، والخصائص الفيزيائية للمادة التي تتم طباعتها، وخطوات المعالجة اللاحقة- المطبقة بعد ذلك لتحديد حالة السطح النهائية. إن فهم كيفية مساهمة كل من هذه العوامل يساعد في تفسير السبب الذي يجعل جزأين مطبوعين من نفس التصميم يمكن أن ينتهي بهما الأمر بجودة سطح مختلفة بشكل كبير.

دمج طبقة مسحوق الليزر (L-PBF). هذه إحدى عمليات الطباعة المعدنية ثلاثية الأبعاد الأكثر شيوعًا المستخدمة اليوم. إنه يعمل باستخدام ليزر عالي الطاقة-لإذابة المسحوق المعدني، والذي يتم بعد ذلك تكوينه طبقة بعد طبقة في شكل الجزء النهائي. في ظل الظروف المثالية، يمكن التحكم في خشونة السطح من خلال هذه العملية إلى حوالي Ra 10–30μm. على سبيل المثال، عند طباعة الأجزاء المعدنية بهياكل بسيطة نسبيًا باستخدام هذه العملية، يمكن تحقيق مستويات خشونة منخفضة نسبيًا بمجرد تحسين المعلمات. وذلك لأن طاقة الليزر مركزة إلى حد ما، مما يسمح بالتحكم الدقيق في شكل وحجم حوض الذوبان. تعني هذه الدقة أن المسحوق يندمج ويتكدس بشكل أكثر كثافة عندما يتصلب، مما يساعد على تقليل خشونة السطح إلى حد ما. تعني الطبيعة شديدة التركيز لشعاع الليزر أيضًا أنه يمكن تقليل المدخلات الحرارية إلى المسحوق المحيط غير الذائب، مما يقلل من كمية المسحوق الملبد جزئيًا الذي يميل إلى التشبث بحواف الميزة المطبوعة ويساهم في الحصول على لمسة نهائية أكثر خشونة.

ذوبان شعاع الإلكترون (EBM). تستخدم هذه العملية شعاعًا إلكترونيًا لمسح مسحوق المعدن وصهره. الأجزاء المطبوعة باستخدام هذه العملية تقع عادةً ضمن نطاق خشونة عام مماثل، على الرغم من أن النتائج يمكن أن تختلف اعتمادًا على خصائص شعاع الإلكترون واستراتيجية المسح المستخدمة. تحمل حزم الإلكترونات طاقة عالية وتوفر تركيزًا ممتازًا، مما يتيح ذوبانًا عالي الدقة-وتكوين الأجزاء. في التطبيقات التي تتطلب متطلبات جودة السطح بشكل خاص،-يمكن أن يؤدي الضبط الدقيق لمعلمات العملية إلى خفض الخشونة إلى ما يقرب من Ra 10μm أو حتى أقل. تجدر الإشارة إلى أن EBM يتم تنفيذه عادةً في درجات حرارة مرتفعة لغرفة -البناء وتحت ظروف الفراغ، مما يغير سلوك طبقة المسحوق مقارنة بالعمليات المعتمدة على الليزر -وتعمل درجة الحرارة المرتفعة على تقليل الضغط الحراري أثناء البناء، ولكنها يمكن أن تتسبب أيضًا في تلبد المزيد من جزيئات المسحوق معًا بخفة حول محيط الجزء، وهو أحد الأسباب التي تجعل أسطح EBM تظهر أحيانًا طابع خشونة مختلف قليلاً عن أسطح L-PBF حتى عندما قيم الخشونة الاسمية متشابهة.

مواد معدنية مختلفة. تؤثر نقطة الانصهار واللزوجة والخصائص الفيزيائية الأخرى لمادة معينة بشكل مباشر على قابلية التدفق وسلوك نشر المسحوق- أثناء عملية الطباعة، مما يؤثر بدوره على خشونة السطح. على سبيل المثال، تميل سبائك الألومنيوم - التي تتمتع بنقطة انصهار منخفضة نسبيًا وقابلية سيولة جيدة - إلى ملء الفجوات وتشكيل أسطح ناعمة بسهولة أكبر أثناء الطباعة، ويمكن أن تصل خشونتها بشكل عام إلى نطاق Ra 15–25μm. على النقيض من ذلك، فإن بعض المعادن ذات نقاط انصهار أعلى ولزوجة أكبر، مثل بعض السبائك الفائقة ذات درجة الحرارة المرتفعة، قد لا تنتشر وتندمج بشكل مثالي أثناء عملية الطباعة، وقد تكون خشونتها أعلى إلى حد ما - عادةً في نطاق Ra 20–35μm. هذا الاختلاف مهم من الناحية العملية: إن اختيار مصمم الأجزاء بين سبائك الألومنيوم والسبائك الفائقة القائمة على-النيكل لتطبيق معين لا يقتصر على وزن الخواص الميكانيكية ومقاومة درجات الحرارة فحسب، بل يقبل ضمنيًا أيضًا تشطيبًا أساسيًا مختلفًا للسطح قبل تطبيق أي معالجة لاحقة-.

تكوين سبائك. تؤثر نسبة العناصر المختلفة داخل السبيكة أيضًا على خشونة السطح. على سبيل المثال، قد تتعرض السبائك التي تحتوي على نسبة أعلى من العناصر المؤكسدة بسهولة إلى تدهور جودة السطح بسبب الأكسدة التي تحدث أثناء عملية الطباعة، مما يؤدي بدوره إلى زيادة الخشونة. هذا التأثير مهم بشكل خاص لعمليات الطباعة المعدنية ثلاثية الأبعاد التي لا تعمل في بيئة خاملة أو مفرغة تمامًا، حيث يمكن أن يتراكم التعرض للأكسجين أثناء دورة ذوبان كل طبقة إلى تأثير قابل للقياس على السطح النهائي على مدار البناء الذي قد يتضمن آلاف الطبقات الفردية.

المعالجة الحرارية. يمكن للمعالجة الحرارية المناسبة تخفيف الضغط الداخلي وتحسين البنية المعدنية للجزء، وبالتالي تقليل خشونة السطح. بعد المعالجة الحرارية، قد يصبح سطح الجزء أكثر استواءً بشكل ملحوظ، مع تقليل الخشونة بعدة ميكرومترات. على سبيل المثال، يساعد تليين الجزء المعدني المطبوع بعد البناء على تحسين بنية الحبوب، مما يجعل البنية الدقيقة للسطح أكثر تجانسًا. يمكن تقليل الخشونة من حوالي Ra 20μm قبل العلاج إلى حوالي Ra 15μm بعد ذلك. بينما يتم تطبيق المعالجة الحرارية غالبًا بشكل أساسي لتخفيف الضغط المتبقي وتحسين الخواص الميكانيكية مثل الليونة، فإن تأثيرها على خشونة السطح يمثل فائدة ثانوية مفيدة - والتي يتجاهلها المصممون أحيانًا عند التخطيط لتسلسل المعالجة اللاحقة الكاملة للجزء-، على الرغم من أنه يمكن أن يقلل بشكل كبير من كمية التشطيب الميكانيكي المطلوب في المراحل النهائية.

المعالجة الميكانيكية. يمكن تحقيق تقليل الخشونة بشكل كبير من خلال طرق المعالجة الميكانيكية مثل الصنفرة والتلميع. يزيل الصنفرة نتوءات السطح وعيوبه، مما يحسن التسطيح العام للسطح. ثم يعمل التلميع على تحسين السطح بشكل أكبر، مما يؤدي إلى خفض الخشونة إلى بضعة ميكرومترات فقط أو حتى أقل. على سبيل المثال، بعد التلميع الدقيق، يمكن أن تصل خشونة الجزء المعدني المطبوع ثلاثي الأبعاد إلى أقل من Ra 5μm، مما يلبي متطلبات التطبيقات ذات متطلبات تشطيب السطح العالية للغاية، مثل مكونات الأجهزة البصرية. هذا النوع من تسلسل التشطيب - من المعالجة الحرارية لتثبيت المادة، متبوعًا بالصنفرة لإزالة ميزات السطح الإجمالية، متبوعًا بالتلميع لتحقيق جودة السطح النهائية - يعكس كيف نادرًا ما يتم تقليل الخشونة في تصنيع المواد المضافة المعدنية من خلال خطوة واحدة. وبدلاً من ذلك، فإنه يتضمن عادةً مزيجًا من طبقات من المعالجات الحرارية والميكانيكية، يعالج كل منها نطاقًا مختلفًا من عدم انتظام السطح، بدءًا من تخفيف الضغط بالجملة وصولاً إلى مستوى النعومة{{10}الميكروني.

بشكل عام، تتفاعل هذه الفئات الثلاث من العوامل - نوع العملية وخصائص المواد و-طريقة المعالجة اللاحقة - بدلاً من العمل بشكل مستقل. الجزء المطبوع عبر L-PBF من سبيكة ألومنيوم منخفضة اللزوجة- مع معلمات محسنة جيدًا-قد يحقق بالفعل خشونة مفضلة نسبيًا مثل-الخشونة المبنية، في حين أن نفس التصميم المطبوع من سبيكة فائقة اللزوجة-عالية اللزوجة عبر EBM قد يبدأ من خط أساس أكثر خشونة حتى قبل تطبيق أي معالجة لاحقة-. وهذا يعني أن تحقيق تشطيب السطح المستهدف لتطبيق معين لا يقتصر على مجرد تحديد-خطوة المعالجة في نهاية سير العمل - بل يتطلب النظر في العملية واختيار المادة منذ البداية، نظرًا لأن هذه القرارات الأولية تحدد الأرضية والسقف العملي لما يمكن أن تحققه المعالجة اللاحقة-بشكل واقعي. بالنسبة للتطبيقات ذات المتطلبات الصارمة لإنهاء السطح، فإن فهم كيفية تفاعل هذه المتغيرات يسمح للمهندسين بتحديد المجموعة الصحيحة من العملية والمواد وطريقة التشطيب من البداية، بدلاً من محاولة التعويض عن حالة السطح الأولية السيئة من خلال المعالجة النهائية الشاملة والمكلفة.