I. Additief vervaardigde onderdelen mogen niet bij het as-built oppervlak blijven steken
Het oppervlak van een metalen additief vervaardigd onderdeel dat uit de machine komt, is het resultaat van overlappende smeltbaden, aanhechtende deels gesmolten poederdeeltjes en het trapsteeneffect. Bij laser powder bed fusion (LPBF) ligt de oppervlakteruwheid Ra van zijvlakken bijvoorbeeld vaak tussen 8 en 20 μm; neerwaarts gerichte oppervlakken met sterke poederadhesie kunnen meer dan 25 μm bereiken. Wordt hetzelfde onderdeel machinaal bewerkt, dan kan Ra daarentegen stabiel onder 1,6 μm worden gehouden. Dit verschil is niet alleen cosmetisch: met elke toename van de ruwheidsklasse concentreren plaatsen voor het ontstaan van vermoeiingsscheuren zich sterker in dalen van laagoverlappingen en aan de basis van aangehechte deeltjes.
In een testopstelling met een Ti6Al4V-inzetstuk met conforme koeling bedroeg de roterende buigvermoeiingsgrens van as-built proefstukken ongeveer 45% tot 55% van die van gesmeed basismateriaal. Na zandstralen en elektrolytisch polijsten steeg deze weer tot circa 70%; met aanvullende kogelstraalversteviging, die een laag met restdrukspanning introduceert, kon de waarde tot meer dan 85% worden hersteld. Nabehandeling is dus geen cosmetische eindstap, maar een cruciaal proces dat bepaalt of een onderdeel onder belastende bedrijfsomstandigheden kan worden ingezet.
II. Vier indicatoren voor de beoordeling van oppervlakte-integriteit
Voordat mechanische versterking en afwerking worden besproken, moet eerst een uniforme meetbasis worden vastgelegd. In de praktijk worden vier indicatoren gebruikt om oppervlakte-integriteit te beschrijven: ten eerste profielruwheid Ra en Rz, die de amplitude van micro-ongelijkheden weergeven; ten tweede restspanning in de oppervlaktelaag, waarbij drukspanning de opening van scheuren helpt onderdrukken en trekspanning het tegenovergestelde effect heeft; ten derde microhardheid in de oppervlaktelaag en de diepte van de verstevigingslaag, die de mate van plastische vervorming weergeven; en ten vierde de randtoestand, waaronder braamhoogte, afrondingsstraal en consistentie vallen.
Deze vier factoren beïnvloeden elkaar onderling. Chemisch polijsten met een hoge materiaalafname om uitsluitend een lage Ra te bereiken, kan bijvoorbeeld de door kogelstralen gevormde drukspanningslaag verwijderen. Alleen kogelstralen zonder egaliseren levert wel drukspanning op, maar de dalen blijven scheurbronnen. De procesroute moet daarom op basis van prioriteiten tussen de indicatoren worden bepaald: stel eerst vast welke factor de voornaamste oorzaak van de faalwijze is en bepaal daarna de volgorde van versterking en egalisering.
III. Kogelstralen en gritstralen: een laag met resterende drukspanning aanbrengen
Kogelstralen is de meest volwassen methode voor mechanische versterking. Gegoten stalen of keramische kogels worden met perslucht met 40 tot 80 m/s op het oppervlak geschoten. De oppervlaktelaag ondergaat plastische vervorming en wordt gedwongen zich zijwaarts uit te zetten; doordat de onderliggende elastische ondergrond dit beperkt, ontstaat restdrukspanning. Typische parameters zijn: een diameter van gegoten stalen kogels van 0,2 tot 0,6 mm, een vereiste dekkingsgraad van 100% tot 200% en een Almen-intensiteit van 0,15 tot 0,35 mmA, waarbij titaniumlegeringen aan de bovengrens en aluminiumlegeringen aan de ondergrens liggen. De piek van de restdrukspanning bevindt zich doorgaans 50 tot 150 μm onder het oppervlak en kan 50% tot 60% van de vloeigrens van het materiaal bereiken.
Bij additief vervaardigde onderdelen verdienen twee punten bijzondere aandacht. Ten eerste kunnen deels gesmolten deeltjes op het as-built oppervlak tijdens het kogelstralen loskomen en kleine putjes achterlaten. Daarom wordt aanbevolen om vóór het kogelstralen eerst licht te zandstralen of vibratiefinishing toe te passen om losse aanhechtingen te verwijderen. Ten tweede kan onvoldoende dekking onversterkte zones veroorzaken, wat juist lokale spanningssprongen oplevert. Dit moet dubbel worden gecontroleerd met Almen-strips en een dekkingsinspectievloeistof, niet alleen worden geschat op basis van behandeltijd.
IV. Rollen en laser shock peening: diepere versterkingslagen
Wanneer onderdelen een regelmatige geometrie hebben, zoals rotatiesymmetrische vormen, vlakke oppervlakken of regelmatige gatwanden, biedt rolversteviging meer consistentie dan kogelstralen. Een hydraulische of mechanische rolkop beweegt met een indrukdiepte van 0,1 tot 0,3 mm en een voeding van 0,05 tot 0,15 mm/omw over het oppervlak. Hiermee kan Ra tot onder 0,4 μm dalen, terwijl tegelijkertijd een drukspanningslaag van 200 tot 500 μm diep ontstaat. Omdat ook de oppervlakteruwheid zelf verbetert, combineert dit proces versterking en egalisering.
Laser shock peening (LSP) is daarentegen bedoeld voor dunwandige en complexe oppervlakken. Een kortpulslaser genereert, onder invloed van een absorberende laag en een confinementslaag, een schokgolf op gigapascalniveau. De drukspanningslaag kan meer dan 1 mm diep zijn en de thermische beïnvloeding is minimaal. Daar staan hogere apparatuurkosten en langere cyclustijden tegenover: bij een spotdiameter van 3 tot 5 mm zijn duizenden pulsen nodig om een gevormd oppervlak van 100 cm² te behandelen. De techniek is daarom geschikter voor hoogwaardige onderdelen zoals wortels van vliegtuigbladen en dunwandige dragende frames dan voor kleine serieonderdelen.
V. Vibratiefinishing en magnetisch slijpen: egalisering van interne kanalen
Conforme koelkanalen, roosterstructuren en interne kruisboringen zijn zones die slijpkoppen niet kunnen bereiken en waar de oppervlakken van additief vervaardigde onderdelen doorgaans het slechtst zijn. Bij vibratiefinishing wordt het onderdeel ondergedompeld in slijpmiddelen van keramiek, kunststof of staal. Trillingen van de kuip creëren relatieve beweging, waardoor alle blootliggende oppervlakken gelijkmatig licht worden afgeslepen. Een behandeling van 2 tot 8 uur kan Ra van 15 μm naar 3 tot 5 μm terugbrengen. De korrelgrootte en vorm van het slijpmiddel moeten worden gekozen op basis van de kleinste doorsnede van het kanaal, doorgaans 1/5 tot 1/8 van de kanaaldiameter, om vastlopen te voorkomen.
Magnetisch slijpen is beter geschikt voor precieze interne holtes. Magnetische slijpmiddelen vormen onder aandrijving van een roterend magnetisch veld een flexibele slijpborstel langs complexe gebogen oppervlakken. In interne stromingskanalen van roestvast staal en titaniumlegeringen kan hiermee een spiegelend resultaat met Ra onder 0,8 μm worden bereikt, zonder de gereedschapssporen of doorsnedeveranderingen die een stijve slijpkop kan veroorzaken. De beperking is dat de werking van magnetische slijpmiddelen op niet-ferromagnetische materialen sterk afhankelijk is van het ontwerp van het magnetische veld; de egaliseerefficiëntie bij aluminium- en koperlegeringen is duidelijk lager dan bij stalen onderdelen.
VI. Ontbramen en randbehandeling
De laatste stap naar consistente assemblage loopt vaak vast op de randen. Additief vervaardigde onderdelen kennen doorgaans drie soorten bramen: resterende steunstructuren na supportverwijdering, knobbelachtige uitstulpingen door gesinterde poederadhesie en laaggewijze treden bij schroefdraad of gatmonden. Handmatig vijlen levert de slechtste consistentie op: de afschuiningsmaat kan tussen verschillende operators binnen dezelfde batch meer dan 0,3 mm verschillen, wat direct leidt tot spreiding in het assemblagemoment.
Een beheersbare aanpak is het opstellen van randspecificaties: geef op de tekening de toegestane braamhoogte aan, bijvoorbeeld maximaal 0,1 mm, en het bereik van de afrondingsstraal, bijvoorbeeld R0,2 tot R0,5. Voer de bewerking vervolgens uit met gestandaardiseerde abrasieve stroming, nylonborstels of compacte trommelapparatuur, en keur deze via steekproeven met dezelfde meetmiddelen. Wanneer randkwaliteit van een ervaringsbeoordeling in een meetbaar criterium wordt omgezet, kan het percentage nabewerkingen doorgaans met meer dan de helft dalen.
VII. Procesroutekeuze en validatie
De procesroute kan vanuit de faalwijze worden afgeleid. Voor dragende onderdelen waarbij vermoeiing dominant is, geldt de volgorde eerst egaliseren en vervolgens versterken: zandstralen om de aanhechtingslaag te verwijderen → vibratiefinishing of elektrolytisch egaliseren → kogelstralen of rollen om drukspanning aan te brengen → reinigen en passiveren. Voor onderdelen waarbij afdichting of stroming dominant is, heeft egalisering prioriteit en worden versterkingsstappen beperkt om te voorkomen dat de drukspanningslaag tijdens latere assemblage wordt weggesleten. Bij uiterlijkonderdelen is textuurconsistentie het doel en moeten de batch van het slijpmiddel en de behandeltijd worden beheerst.
Ook validatie vereist een gesloten regelkring. Het wordt aanbevolen om per batch een set meebehandelde proefstukken te bewaren voor steekproeven op oppervlakteruwheid, restspanning via röntgendiffractie en vergelijking van vermoeiing of druksterkte van het eerste product. De gegevens moeten vervolgens in de procesdocumentatie worden teruggekoppeld. Zonder deze metingen is de kwalificatie van een nabehandelingsproces slechts een ervaringsbeschrijving, die bij een andere machine of ploeg kan falen.
Conclusie
Mechanische oppervlakteversterking en afwerking pakken het meest onderschatte probleem van additieve productie aan: dalen in het as-built oppervlak, aangehechte deeltjes en resterende trekspanningen. In de engineeringpraktijk moeten de vier indicatoren voor oppervlakte-integriteit worden geprioriteerd, moet eerst de dominante faaloorzaak worden vastgesteld en moeten vervolgens kogelstralen, rollen, laser shock peening, vibratiefinishing en magnetisch slijpen worden gecombineerd. Randspecificaties en steekproefgegevens moeten daarbij in de procesdocumentatie worden opgenomen. Voor een platform voor end-to-end beheer van ontwerptekening tot fysiek product, zoals lantu3D, zijn nabehandelingsparameters en validatieregistraties eveneens herbruikbare bedrijfsmiddelen: zij bepalen of een as-built print daadwerkelijk een leverbaar en traceerbaar technisch onderdeel wordt.
Dien een model, tekening, afbeelding of schriftelijke notities in. Ingenieurs beoordelen materiaal, proces, afwerking en levering op basis van daadwerkelijk gebruik.