Kawalan kekasaran permukaan bahagian bercetak 3D: penyelesaian lengkap daripada pemilihan proses hingga pengoptimuman pasca pemprosesan

Pengenalan: Kualiti permukaan menentukan fungsi dan penampilan bahagian cetakan 3D

Kekasaran permukaan ialah salah satu petunjuk utama untuk menilai kualiti bahagian cetakan 3D, yang secara langsung mempengaruhi prestasi fungsi (seperti geseran dan haus, pengedap, hayat keletihan) dan kualiti penampilan bahagian tersebut. Berbanding dengan permukaan mesin tradisional (Ra 0.4-1.6μm), permukaan asal bahagian cetakan 3D biasanya lebih kasar. Kekasaran permukaan proses FDM boleh mencapai Ra 15-50μm, proses SLS ialah Ra 8-20μm, dan percetakan logam SLM ialah Ra 5-15μm. Jurang dalam kualiti permukaan ini telah menjadi salah satu halangan penting bagi bahagian cetakan 3D untuk beralih daripada prototaip kepada aplikasi terminal.

Walau bagaimanapun, kawalan kualiti permukaan bukanlah jurang yang tidak dapat diatasi. Melalui pemilihan proses yang munasabah, pengoptimuman parameter percetakan dan proses pasca pemprosesan saintifik, kualiti permukaan bahagian cetakan 3D boleh dipertingkatkan dengan ketara untuk memenuhi keperluan kebanyakan aplikasi kejuruteraan. Artikel ini akan memperkenalkan secara sistematik punca, kaedah pengukuran, strategi kawalan dan teknologi pasca pemprosesan kekasaran permukaan percetakan 3D, memberikan rujukan kepada perusahaan untuk mewujudkan sistem kawalan kualiti permukaan yang lengkap.

Punca dan faktor yang mempengaruhi kekasaran permukaan

Kekasaran permukaan bahagian cetakan 3D ditentukan terutamanya oleh ciri proses. Mengambil proses FDM sebagai contoh, ketebalan lapisan adalah faktor utama yang mempengaruhi kekasaran permukaan. Semakin besar ketebalan lapisan, semakin jelas kesan langkah permukaan dan semakin tinggi kekasarannya. Parameter seperti diameter muncung, kadar aliran penyemperitan, kelajuan pencetakan dan suhu penyemperitan juga mempengaruhi kualiti permukaan. Di samping itu, hubungan sudut antara permukaan bahagian dan platform percetakan menentukan tahap kesan langkah: kesan langkah paling jelas pada cerun pada sudut kira-kira 45 darjah ke paksi Z, dan kekasaran permukaan mendatar dan menegak adalah agak rendah.

Kekasaran permukaan proses lapisan serbuk SLS/SLM terutamanya ditentukan oleh saiz zarah serbuk, kuasa laser dan strategi pengimbasan. Semakin besar saiz zarah serbuk, semakin kasar permukaannya; kuasa laser yang berlebihan akan menyebabkan sferoidisasi permukaan dan menghasilkan bonjolan yang tidak teratur. Percetakan logam SLM juga mempunyai masalah seperti pemendapan asap dan lekatan zarah percikan, yang merosot lagi kualiti permukaan. Kualiti permukaan proses pengawetan cahaya SLA biasanya yang terbaik, tetapi ia masih dipengaruhi oleh ketebalan lapisan, masa pendedahan dan kelikatan resin. Permukaan mungkin mempunyai jalur beralun (disebabkan oleh pergerakan squeegee) atau kecacatan buih mikro.

Sifat bahan juga mempengaruhi kualiti permukaan. Permukaan bercetak bagi komposit berisi zarah (seperti nilon bertetulang gentian kaca, bahan bertetulang gentian karbon) biasanya lebih kasar kerana zarah pengisi terdedah pada permukaan. Kebulatan, taburan saiz zarah dan kecairan serbuk logam juga mempengaruhi kualiti permukaan percetakan. Di samping itu, faktor luaran seperti persekitaran percetakan (suhu, kelembapan) dan status mesin (haus muncung, kerataan platform) tidak boleh diabaikan. Pemahaman menyeluruh tentang faktor-faktor yang mempengaruhi ini adalah prasyarat untuk merumuskan strategi kawalan kualiti permukaan yang berkesan.

Kaedah pengukuran dan penilaian kekasaran permukaan

Kaedah pengukuran kekasaran permukaan dibahagikan kepada dua kategori: sentuhan dan bukan sentuhan. Pengukuran sentuhan (meter kekasaran stylus) merekodkan lengkung kontur dengan menggerakkan probe pada permukaan dan mengira Ra dan Rzdan parameter lain, sesuai untuk permukaan bahan keras. Walau bagaimanapun, ukuran stylus mungkin mencalarkan permukaan bahan lembut, dan untuk permukaan cetakan 3D yang berliang atau mempunyai tekstur yang kompleks, stylus mungkin jatuh ke dalam liang, menyebabkan ralat pengukuran. Pengukuran bukan sentuhan termasuk interferometer cahaya putih, mikroskop confocal, confocal laser, dsb., yang boleh mencapai pengukuran tepat bagi topografi permukaan tiga dimensi dan sesuai untuk permukaan kompleks dan struktur berliang.

Untuk bahagian bercetak 3D, disyorkan untuk menggunakan kaedah pengukuran permukaan tiga dimensi, kerana hanya mengukur nilai Ra tidak dapat mencerminkan sepenuhnya ciri permukaan. Parameter permukaan tiga dimensi (seperti Sa, Sz, Sdr) boleh memberikan maklumat topografi permukaan yang lebih komprehensif. Sdr (nisbah kawasan maju permukaan) boleh mencerminkan kawasan sebenar permukaan dan mempunyai nilai rujukan untuk pengiraan dos dalam salutan, ikatan dan proses lain. Selain itu, arah tekstur permukaan juga merupakan ciri penting permukaan bercetak 3D. Arah lapisan menyebabkan permukaan mempamerkan tekstur anisotropik, yang perlu dipertimbangkan dalam pengukuran dan penilaian.

Pemilihan lokasi pengukuran mempunyai kesan yang ketara ke atas keputusan penilaian. Kekasaran permukaan berbeza bahagian bercetak 3D sangat berbeza: permukaan bawah yang bersentuhan dengan platform biasanya paling kasar (jalur kasar 150-250μm untuk FDM), diikuti dengan permukaan atas, dan permukaan sisi agak halus. Adalah disyorkan untuk mengambil ukuran di beberapa lokasi perwakilan pada bahagian tersebut dan merekodkan lokasi pengukuran berhubung dengan arah cetakan. Mewujudkan proses pengukuran piawai (termasuk panjang pensampelan, panjang penilaian dan kaedah penapisan) untuk memastikan kebolehbandingan hasil pengukuran adalah kerja asas kawalan kualiti permukaan perusahaan.

Pengoptimuman parameter proses: meningkatkan kualiti permukaan daripada sumber

Mengoptimumkan parameter proses pencetakan ialah strategi keutamaan untuk meningkatkan kualiti permukaan, kerana pasca pemprosesan akan meningkatkan kos dan masa. Untuk proses FDM, mengurangkan ketebalan lapisan adalah langkah yang paling langsung dan berkesan. Apabila ketebalan lapisan dikurangkan daripada 0.3mm kepada 0.1mm, kekasaran permukaan boleh dikurangkan lebih daripada 50%. Walau bagaimanapun, ketebalan lapisan yang dikurangkan akan meningkatkan masa pencetakan, memerlukan keseimbangan antara kualiti dan kecekapan. Menetapkan ketebalan kulit cetakan (Shell) dengan betul, kadar pengisian dan bilangan lapisan permukaan boleh meningkatkan kualiti permukaan tanpa meningkatkan masa pencetakan dengan ketara. Suhu penyemperitan, kelajuan kipas penyejuk, parameter penarikan balik, dsb. juga perlu ditala dengan teliti untuk mengelakkan kecacatan permukaan seperti lukisan wayar dan limpahan.

Untuk proses SLS/SLM, pengoptimuman parameter laser dan strategi pengimbasan adalah penting. Mengurangkan ketebalan lapisan (dari 0.05mm kepada 0.03mm) meningkatkan kualiti permukaan tetapi meningkatkan masa cetakan dengan ketara. Padanan kuasa laser dan kelajuan pengimbasan mempengaruhi morfologi kolam cair, dan mengoptimumkan ketumpatan tenaga boleh mengurangkan fenomena sferoidisasi. Dari segi strategi pengimbasan, kualiti permukaan boleh dipertingkatkan dengan menggunakan pengimbasan perubahan arah, pengimbasan partition dan pengoptimuman pengimbasan kontur. Dalam percetakan logam SLM, teknologi pencairan semula laser (Pencairan Semula) - imbasan kuasa rendah kedua pada lapisan permukaan - boleh mengurangkan kekasaran permukaan dengan ketara (Ra dikurangkan sebanyak 40% -60%), dan merupakan cara yang berkesan untuk meningkatkan kualiti permukaan percetakan logam.

Pengoptimuman reka bentuk arah pencetakan adalah sama penting. Dengan memutarkan model bahagian supaya permukaan berfungsi utama mengelakkan sudut genting kira-kira 45 darjah, perhubungan boleh dipertingkatkan dengan ketara.Kualiti permukaan kunci. Untuk pencetakan berbilang bahagian, penempatan bahagian yang munasabah boleh mengurangkan bilangan sokongan dan mengurangkan sisa kerosakan permukaan selepas penyingkiran sokongan. Perisian penghirisan moden (seperti Ultimaker Cura, PrusaSlicer, Magics) menyokong fungsi ketinggian lapisan berubah-ubah, yang secara automatik boleh menggunakan ketebalan lapisan kecil di kawasan kritikal dan ketebalan lapisan besar di kawasan tidak kritikal untuk mencapai keseimbangan terbaik antara kualiti dan kecekapan.

Pemprosesan pasca mekanikal: teknologi pengisaran, letupan pasir dan penggilap

Pemprosesan pasca mekanikal ialah kaedah paling langsung untuk meningkatkan kualiti permukaan percetakan 3D. Mengempelas tangan adalah kaedah yang paling asas. Dengan mengampelas secara beransur-ansur daripada kertas pasir kasar ke halus (seperti dari 240 mesh hingga 2000 mesh), kekasaran permukaan boleh dikurangkan dengan ketara. Arah pengisaran hendaklah diselang-seli (seperti menegak dahulu dan kemudian selari) untuk mengelakkan meninggalkan calar dalam satu arah. Untuk bahagian kelompok, pengisar bergetar boleh digunakan untuk mengisar kelompok untuk mengeluarkan burr dan lapisan permukaan melalui pergerakan relatif media dan bahagian pengisaran. Pengisaran getaran mempunyai kecekapan tinggi dan kos rendah, tetapi ia mungkin mengubah tepi dan sudut bahagian, jadi ia sesuai untuk bahagian yang tidak mempunyai keperluan tinggi untuk tepi dan sudut.

Peletupan pasir (letupan tembakan) menggunakan udara termampat untuk menyembur bahan pelelas (seperti manik kaca, alumina, cengkerang walnut) ke permukaan bahagian pada kelajuan tinggi, yang boleh mengeluarkan burr, sisa serbuk dan lapisan oksida pada permukaan. Permukaan selepas letupan pasir mempunyai kesan matte seragam dengan kekasaran sederhana (Ra 3-8μm). Ia adalah salah satu kaedah rawatan permukaan yang paling biasa digunakan untuk bahagian bercetak 3D logam. Mengawal tekanan letupan, saiz zarah kasar dan masa rawatan adalah kunci untuk memastikan hasil yang konsisten. Untuk bahagian berdinding nipis atau berstruktur halus, tekanan letupan pasir perlu dikurangkan untuk mengelakkan kerosakan struktur.

Teknologi penggilap kimia menggunakan penyelesaian kimia untuk melarutkan bahan permukaan dan melicinkan permukaan. Penggilapan kimia bahagian logam (seperti pembersihan alkali dan penggilap aloi aluminium, penjerukan dan penggilap keluli tahan karat) boleh mengurangkan kekasaran permukaan dengan cepat, tetapi kepekatan larutan, suhu dan masa rendaman perlu dikawal dengan ketat untuk mengelakkan kakisan yang berlebihan. Penggilap elektrolitik menggunakan prinsip elektrokimia untuk secara selektif melarutkan tonjolan mikro pada permukaan untuk mendapatkan permukaan licin seperti cermin (Ra boleh mencapai 0.2-0.5μm). Ia adalah kaedah penggilap pilihan untuk bahagian logam mewah, tetapi pelaburan peralatan adalah tinggi. Bahagian polimer boleh dilicinkan permukaan dengan pelicinan wap (seperti rawatan wap aseton ABS), yang mudah dan kos rendah.

Salutan dan rawatan permukaan: memberikan bahagian fungsi tambahan

Teknologi salutan bukan sahaja boleh meningkatkan penampilan permukaan, tetapi juga memberikan bahagian fungsi tambahan. Untuk bahagian plastik bercetak 3D, semburan primer dan lapisan atas adalah kaedah rawatan permukaan yang paling biasa. Primer mengisi jurang antara lapisan dan menyediakan asas yang sama untuk mengecat; topcoat memberikan warna dan kilauan akhir. Untuk bahagian FDM, disyorkan untuk mengampelas dan membersihkan sebelum menyembur. Lapisan primer boleh disembur beberapa lapisan lagi dan digilap lapisan demi lapisan untuk mendapatkan kesan cermin. Penyemburan serbuk (semburan elektrostatik) boleh membentuk salutan tahan haus dan tahan kakisan yang sesuai untuk cetakan logam.

Salutan berfungsi termasuk penyaduran elektro (penyaduran nikel, penyaduran kromium, penyaduran emas), penyaduran anodisasi (aloi aluminium), penyaduran PVD, penyaduran kimia, dsb.Ia boleh meningkatkan rintangan haus, kekonduksian elektrik dan rintangan kakisan bahagian dengan ketara, sambil menambah baik penampilan. Walau bagaimanapun, sebelum penyaduran elektrik, adalah perlu untuk memastikan bahawa kekonduksian permukaan bahagian adalah seragam, dan perhatian khusus mesti diberikan kepada penembusan penyelesaian penyaduran untuk struktur berliang. Anodizing boleh membentuk filem oksida berliang pada permukaan aloi aluminium, dan kemudian permukaan tahan haus dan tahan kakisan boleh diperolehi melalui rawatan pengedap. Penampilan berwarna-warni juga boleh dicapai melalui pewarna. Salutan PVD (pemendapan wap fizikal) boleh membentuk filem nipis (seperti TiN, TiAlN) dengan kekerasan yang tinggi dan lekatan yang baik pada permukaan bahagian, yang sesuai untuk aplikasi tahan haus.

Reka bentuk salutan memerlukan pertimbangan menyeluruh pada padanan antara salutan dan substrat. Keliangan dan serbuk sisa pada permukaan bahagian cetakan 3D boleh menjejaskan lekatan salutan, jadi pembersihan menyeluruh dan prarawatan permukaan yang sesuai (seperti letupan pasir untuk meningkatkan kekasaran permukaan) mesti dilakukan sebelum salutan. Ketebalan salutan perlu ditentukan berdasarkan keperluan fungsian. Jika ia terlalu tebal, ia boleh membawa kepada dimensi di luar toleransi, manakala jika ia terlalu nipis, ia tidak dapat memenuhi keperluan perlindungan. Untuk permukaan mengawan berketepatan tinggi, salutan hendaklah dijadualkan selepas penamat, dan elaun ketebalan salutan hendaklah dikhaskan. Mewujudkan proses pengesahan proses salutan dan mengesahkan kualiti salutan melalui ujian lekatan (kaedah penetasan silang, kaedah tarik keluar), ujian semburan garam dan kaedah lain adalah langkah yang perlu untuk aplikasi salutan.

Kaedah sistematik untuk kawalan kualiti permukaan

Kawalan kualiti permukaan memerlukan penubuhan sistem kaedah yang sistematik. Pertama, keperluan kualiti permukaan hendaklah ditakrifkan mengikut fungsi bahagian: jenis permukaan yang berbeza seperti permukaan mengawan berfungsi, permukaan pengedap, permukaan rupa dan permukaan tidak berfungsi mempunyai keperluan kekasaran yang berbeza dengan ketara. Sebagai contoh, kekasaran permukaan pengedap memerlukan Ra ≤ 1.6 μm, permukaan rupa memerlukan Ra ≤ 3.2 μm, dan permukaan tidak berfungsi Ra ≤ 12.5 μm. Menjelaskan tahap kualiti permukaan adalah asas untuk memilih proses dan penyelesaian pasca pemprosesan.

Kedua, wujudkan pangkalan data kualiti permukaan proses. Rekod data kekasaran permukaan di bawah kombinasi parameter proses yang berbeza untuk membentuk model hubungan kualiti permukaan parameter proses untuk menyediakan sokongan data untuk pemilihan proses. Pangkalan data harus merangkumi maklumat lengkap seperti bahan, proses, parameter, kualiti permukaan, kos dan masa. Apabila data terkumpul, model ramalan boleh diwujudkan secara beransur-ansur untuk meramalkan kualiti permukaan bahagian semasa peringkat reka bentuk untuk mengelakkan kerja semula kemudian.

Akhir sekali, kawalan kualiti permukaan dimasukkan ke dalam sistem pengurusan kualiti. Merumuskan piawaian pemeriksaan kualiti permukaan (termasuk kaedah pemeriksaan, pelan persampelan, dan kriteria kelayakan), dan wujudkan rekod pemeriksaan kualiti permukaan dan sistem kebolehkesanan. Untuk pengeluaran besar-besaran, laksanakan kawalan proses statistik (SPC) untuk memantau turun naik dalam data kualiti permukaan dan mengesan hanyut proses tepat pada masanya. Analisis masalah kualiti permukaan harus menggunakan kaedah analisis punca, dan menyiasat secara sistematik dari dimensi peralatan, bahan, proses, persekitaran, kakitangan, dll., untuk membentuk gelung tertutup penambahbaikan berterusan.

Kesimpulan: Kawalan kualiti permukaan ialah satu-satunya cara untuk pencetakan 3D bergerak ke arah perindustrian

Kualiti permukaan ialah ambang bahagian bercetak 3D mesti menyeberangi dari prototaip ke aplikasi terminal. Melalui aplikasi gabungan cara berbilang peringkat seperti pengoptimuman parameter proses, reka bentuk arah percetakan, pasca pemprosesan mekanikal dan teknologi salutan, kualiti permukaan bahagian cetakan 3D boleh mencapai tahap yang setanding dengan pembuatan tradisional. Kawalan kualiti permukaan bukan masalah satu proses, tetapi projek sistematik yang berjalan melalui keseluruhan proses reka bentuk, teknologi, pasca pemprosesan dan pemeriksaan.

Apabila teknologi pencetakan 3D semakin matang dan kos menurun, bidang aplikasinya terus berkembang dan keperluan untuk kualiti permukaan semakin tinggi. Teknologi baharu seperti percetakan 3D ketepatan ultra, kefungsian struktur mikro permukaan dan barisan pengeluaran pasca pemprosesan automatik sedang dibangunkan. Pada masa hadapan, kualiti permukaan bahagian bercetak 3D tidak lagi menjadi had aplikasi. Perusahaan harus mewujudkan keupayaan kawalan kualiti permukaan seawal mungkin, menggabungkan pengurusan kualiti permukaan ke dalam sistem perkhidmatan percetakan 3D, memenangi kepercayaan pelanggan dengan keupayaan rawatan permukaan berkualiti tinggi, dan memperoleh kelebihan daya saing dalam proses perindustrian percetakan 3D.