Контроль шероховатости поверхности 3D-печатных деталей: комплексное решение от выбора процесса до оптимизации постобработки

Введение: качество поверхности определяет функциональность и внешний вид 3D-печатных деталей.

Шероховатость поверхности является одним из ключевых показателей для оценки качества 3D-печатных деталей, который напрямую влияет на функциональные характеристики (такие как трение и износ, уплотнение, усталостная долговечность) и качество внешнего вида детали. По сравнению с традиционными обработанными поверхностями (Ra 0,4–1,6 мкм) исходная поверхность 3D-печатных деталей обычно более шероховатая. Шероховатость поверхности в процессе FDM может достигать Ra 15–50 мкм, в процессе SLS — Ra 8–20 мкм, а при печати металлом SLM — Ra 5–15 мкм. Этот разрыв в качестве поверхности стал одним из важных препятствий для перехода 3D-печатных деталей от прототипов к конечному применению.

Однако контроль качества поверхности не является непреодолимой проблемой. Благодаря разумному выбору процесса, оптимизации параметров печати и научному процессу постобработки качество поверхности 3D-печатных деталей может быть значительно улучшено, чтобы удовлетворить потребности большинства инженерных приложений. В этой статье будут систематически представлены причины, методы измерения, стратегии контроля и технологии последующей обработки шероховатости поверхности при 3D-печати, что предоставит предприятиям справочник по созданию полной системы контроля качества поверхности.

Причины и факторы, влияющие на шероховатость поверхности

Шероховатость поверхности деталей, напечатанных на 3D-принтере, в основном определяется характеристиками процесса. Если взять в качестве примера процесс FDM, то толщина слоя является основным фактором, влияющим на шероховатость поверхности. Чем больше толщина слоя, тем более очевиден эффект ступенчатости поверхности и выше шероховатость. Такие параметры, как диаметр сопла, скорость потока экструзии, скорость печати и температура экструзии, также влияют на качество поверхности. Кроме того, угловое соотношение между поверхностью детали и печатной платформой определяет степень ступенчатого эффекта: эффект ступенчатости наиболее заметен на уклоне под углом около 45 градусов к оси Z, а шероховатость горизонтальной и вертикальной поверхностей относительно невелика.

Шероховатость поверхности в процессе нанесения порошкового слоя SLS/SLM в основном определяется размером частиц порошка, мощностью лазера и стратегией сканирования. Чем больше размер частиц порошка, тем шероховатее поверхность; чрезмерная мощность лазера приведет к сфероидизации поверхности и образованию неровных выпуклостей. Печать металлом SLM также имеет такие проблемы, как осаждение дыма и прилипание частиц брызг, что еще больше ухудшает качество поверхности. Качество поверхности в процессе светоотверждения SLA обычно является лучшим, но на него все равно влияют толщина слоя, время выдержки и вязкость смолы. Поверхность может иметь гофрированные полосы (вызванные движением ракеля) или дефекты микропузырьков.

Свойства материала также влияют на качество поверхности. Печатная поверхность композитов, наполненных частицами (таких как нейлон, армированный стекловолокном, материалы, армированные углеродным волокном), обычно более шероховатая, поскольку частицы наполнителя обнажены на поверхности. Сферичность, гранулометрический состав и текучесть металлического порошка также влияют на качество печатной поверхности. Кроме того, нельзя игнорировать внешние факторы, такие как среда печати (температура, влажность) и состояние машины (износ сопла, плоскостность платформы). Всестороннее понимание этих влияющих факторов является предпосылкой для разработки эффективных стратегий контроля качества поверхности.

Методы измерения и оценки шероховатости поверхности

Методы измерения шероховатости поверхности делятся на две категории: контактные и бесконтактные. Контактное измерение (измеритель шероховатости иглы) записывает кривую контура путем перемещения датчика по поверхности и рассчитывает Ra и Rz.и другие параметры, подходящие для поверхностей из твердых материалов. Однако измерение стилусом может поцарапать поверхность мягких материалов, а на поверхностях 3D-печати, которые являются пористыми или имеют сложную текстуру, стилус может провалиться в поры, что приведет к ошибкам измерения. Бесконтактные измерения включают интерферометр белого света, конфокальный микроскоп, лазерный конфокальный микроскоп и т. д., которые позволяют обеспечить точное измерение трехмерной топографии поверхности и подходят для сложных поверхностей и пористых структур.

Для 3D-печатных деталей рекомендуется использовать трехмерный метод измерения поверхности, поскольку только измерение значения Ra не может полностью отразить характеристики поверхности. Трехмерные параметры поверхности (такие как Sa, Sz, Sdr) могут предоставить более полную информацию о топографии поверхности. Sdr (коэффициент развитой площади поверхности) может отражать истинную площадь поверхности и имеет эталонное значение для расчета дозировки при нанесении покрытия, склеивании и других процессах. Кроме того, направленность текстуры поверхности также является важной особенностью поверхностей, напечатанных на 3D-принтере. Направление слоя приводит к тому, что поверхность приобретает анизотропную текстуру, которую необходимо учитывать при измерении и оценке.

Выбор места измерения оказывает существенное влияние на результаты оценки. Шероховатость различных поверхностей 3D-печатных деталей сильно различается: нижняя поверхность, контактирующая с платформой, обычно самая шероховатая (шероховатые полосы 150-250 мкм для FDM), за ней следует верхняя поверхность, а боковая поверхность относительно тонкая. Рекомендуется проводить измерения в нескольких репрезентативных местах детали и записывать места измерений относительно направления печати. Установление стандартизированного процесса измерения (включая длину выборки, длину оценки и метод фильтрации) для обеспечения сопоставимости результатов измерений является основной работой по контролю качества поверхности предприятия.

Оптимизация параметров процесса: улучшение качества поверхности из источника

Оптимизация параметров процесса печати является приоритетной стратегией улучшения качества поверхности, поскольку последующая обработка приведет к увеличению затрат и времени. Для процесса FDM уменьшение толщины слоя является наиболее прямой и эффективной мерой. При уменьшении толщины слоя с 0,3 мм до 0,1 мм шероховатость поверхности может быть уменьшена более чем на 50%. Однако уменьшение толщины слоя приведет к увеличению времени печати, что потребует баланса между качеством и эффективностью. Правильная настройка толщины печатной оболочки (Shell), скорости заполнения и количества поверхностных слоев позволяет улучшить качество поверхности без существенного увеличения времени печати. Температура экструзии, скорость охлаждающего вентилятора, параметры втягивания и т. д. также должны быть точно настроены, чтобы избежать дефектов поверхности, таких как волочение проволоки и перелив.

Для процесса SLS/SLM решающее значение имеет оптимизация параметров лазера и стратегий сканирования. Уменьшение толщины слоя (с 0,05 мм до 0,03 мм) улучшает качество поверхности, но значительно увеличивает время печати. Согласование мощности лазера и скорости сканирования влияет на морфологию ванны расплава, а оптимизация плотности энергии может уменьшить явление сфероидизации. Что касается стратегии сканирования, качество поверхности можно улучшить за счет использования сканирования с изменением направления, сканирования разделов и оптимизации контурного сканирования. При SLM-печати металлом технология лазерного переплава (Re-melting) - второго маломощного сканирования поверхностного слоя - позволяет значительно снизить шероховатость поверхности (Ra снижается на 40-60%) и является эффективным средством улучшения качества поверхности печати металлом.

Не менее важна оптимизация дизайна направления печати. Повернув модель детали так, чтобы ключевые функциональные поверхности не находились под критическим углом около 45 градусов, взаимосвязь можно значительно улучшить.Качество поверхности клавиш. При печати нескольких частей разумное размещение деталей может уменьшить количество опор и уменьшить остаточное повреждение поверхности после удаления опор. Современное программное обеспечение для нарезки (например, Ultimaker Cura, PrusaSlicer, Magics) поддерживает функции переменной высоты слоя, которые могут автоматически использовать небольшую толщину слоя в критических областях и большую толщину слоя в некритических областях для достижения наилучшего баланса между качеством и эффективностью.

Механическая постобработка: технология шлифовки, пескоструйной обработки и полировки

Механическая постобработка — наиболее прямой метод улучшения качества поверхности при 3D-печати. Ручная шлифовка – самый простой метод. Постепенная шлифовка от грубой к мелкой наждачной бумаге (например, от 240 меш до 2000 меш) позволяет значительно уменьшить шероховатость поверхности. Направление шлифования следует менять (например, сначала вертикально, а затем параллельно), чтобы не оставлять царапин в одном направлении. Для серийных деталей можно использовать виброшлифовальную машину для периодического шлифования для удаления поверхностных заусенцев и наслоений за счет относительного перемещения мелющих тел и деталей. Вибрационное шлифование обладает высокой эффективностью и низкой стоимостью, однако при нем возможно изменение кромок и углов деталей, поэтому оно подходит для деталей, не предъявляющих высоких требований к кромкам и углам.

Пескоструйная обработка (дробеструйная обработка) использует сжатый воздух для распыления абразивов (таких как стеклянные шарики, глинозем, скорлупа грецкого ореха) на поверхность детали на высокой скорости, что позволяет удалить заусенцы, остатки порошка и оксидные слои на поверхности. Поверхность после пескоструйной обработки имеет равномерный матовый эффект с умеренной шероховатостью (Ra 3-8 мкм). Это один из наиболее часто используемых методов обработки поверхности металлических 3D-печатных деталей. Контроль давления струйной обработки, размера абразивных частиц и времени обработки является ключом к обеспечению стабильных результатов. Для тонкостенных или мелкоструктурных деталей давление пескоструйной обработки необходимо уменьшить, чтобы избежать структурных повреждений.

Технология химической полировки использует химические растворы для растворения поверхностных материалов и выравнивания поверхности. Химическая полировка металлических деталей (например, щелочная очистка и полировка алюминиевых сплавов, травление и полировка нержавеющей стали) может быстро уменьшить шероховатость поверхности, но концентрацию раствора, температуру и время выдержки необходимо строго контролировать, чтобы избежать чрезмерной коррозии. Электролитическая полировка использует электрохимические принципы для избирательного растворения микровыступов на поверхности для получения зеркально гладкой поверхности (Ra может достигать 0,2-0,5 мкм). Это предпочтительный метод полировки высококачественных металлических деталей, но инвестиции в оборудование высоки. Поверхность полимерных деталей можно выровнять с помощью паровой обработки (например, обработки ABS паром ацетона), что является простым и недорогим решением.

Покрытие и обработка поверхности: придание деталям дополнительных функций

Технология нанесения покрытий позволяет не только улучшить внешний вид поверхности, но и придать деталям дополнительные функции. Для пластиковых деталей, напечатанных на 3D-принтере, наиболее распространенным методом обработки поверхности является напыление грунтовки и верхнего покрытия. Грунтовка заполняет зазоры между слоями и обеспечивает ровную основу под покраску; Верхнее покрытие обеспечивает окончательный цвет и блеск. Детали FDM рекомендуется отшлифовать и очистить перед распылением. Слой грунтовки можно нанести еще несколько слоев и полировать слой за слоем до получения зеркального эффекта. Порошковое напыление (электростатическое напыление) позволяет сформировать износостойкое и коррозионностойкое покрытие, подходящее для металлических отпечатков.

К функциональным покрытиям относятся гальваническое (никелирование, хромирование, золочение), анодирование (алюминиевый сплав), PVD-покрытие, химическое покрытие и т. д.Он позволяет значительно улучшить износостойкость, электропроводность и коррозионную стойкость деталей, одновременно улучшая внешний вид. Однако перед гальванопокрытием необходимо убедиться в однородности поверхностной проводимости детали, а также особое внимание следует уделить проникновению гальванического раствора в пористые структуры. Анодирование может образовать пористую оксидную пленку на поверхности алюминиевого сплава, а затем путем герметизации можно получить износостойкую и коррозионностойкую поверхность. Красочного внешнего вида можно добиться и с помощью красителей. Покрытие PVD (физическое осаждение из паровой фазы) может образовывать на поверхности детали тонкую пленку (например, TiN, TiAlN) с высокой твердостью и хорошей адгезией, которая подходит для износостойких применений.

При проектировании покрытия необходимо всесторонне учитывать соответствие покрытия и подложки. Пористость и остатки порошка на поверхности 3D-печатных деталей могут повлиять на адгезию покрытия, поэтому перед нанесением покрытия необходимо выполнить тщательную очистку и соответствующую предварительную обработку поверхности (например, пескоструйную обработку для увеличения шероховатости поверхности). Толщину покрытия необходимо определять исходя из функциональных требований. Если он слишком толстый, это может привести к выходу за пределы допусков размеров, а если он слишком тонкий, он не сможет соответствовать требованиям защиты. Для сопрягаемых поверхностей высокой точности нанесение покрытия следует планировать после чистовой обработки и оставлять припуск на толщину покрытия. Установление процесса проверки процесса нанесения покрытия и проверка качества покрытия посредством испытания на адгезию (метод штриховки, метод выдергивания), испытания в солевом тумане и других методов являются необходимыми шагами для нанесения покрытия.

Систематический метод контроля качества поверхности

Контроль качества поверхности требует создания системы систематического метода. Во-первых, требования к качеству поверхности должны быть определены в соответствии с функцией детали: разные типы поверхностей, такие как функциональные сопрягаемые поверхности, уплотнительные поверхности, внешние поверхности и нефункциональные поверхности, имеют существенно разные требования к шероховатости. Например, шероховатость уплотняющей поверхности требует Ra ≤ 1,6 мкм, внешний вид поверхности требует Ra ≤ 3,2 мкм, а нефункциональная поверхность Ra ≤ 12,5 мкм. Уточнение уровня качества поверхности является основой для выбора процессов и решений постобработки.

Во-вторых, создайте базу данных о качестве поверхности процесса. Записывайте данные о шероховатости поверхности при различных комбинациях параметров процесса, чтобы сформировать модель взаимосвязи параметров процесса и качества поверхности, чтобы обеспечить поддержку данных для выбора процесса. База данных должна включать полную информацию, такую ​​как материалы, процессы, параметры, качество поверхности, затраты и время. По мере накопления данных можно постепенно создавать прогнозирующую модель для прогнозирования качества поверхности деталей на этапе проектирования, чтобы избежать последующих доработок.

Наконец, контроль качества поверхности включен в систему управления качеством. Сформулируйте стандарты контроля качества поверхности (включая методы контроля, планы отбора проб и критерии квалификации), а также создайте систему регистрации и отслеживания контроля качества поверхности. Для массового производства внедрите статистический контроль процесса (SPC), чтобы отслеживать колебания данных о качестве поверхности и своевременно обнаруживать отклонения процесса. При анализе проблем с качеством поверхности следует использовать метод анализа первопричин и систематически исследовать размеры оборудования, материалов, процессов, окружающей среды, персонала и т. д., чтобы сформировать замкнутый цикл постоянного улучшения.

Вывод: контроль качества поверхности — единственный путь 3D-печати к индустриализации

Качество поверхности — это порог, который должны преодолеть 3D-печатные детали от прототипа до конечного применения. Благодаря комбинированному применению многоуровневых средств, таких как оптимизация параметров процесса, проектирование направления печати, механическая постобработка и технология нанесения покрытия, качество поверхности 3D-печатных деталей может достичь уровня, сравнимого с традиционным производством. Контроль качества поверхности — это не проблема отдельного процесса, а систематический проект, охватывающий весь процесс проектирования, технологии, постобработки и контроля.

По мере развития технологии 3D-печати и снижения ее стоимости области ее применения продолжают расширяться, а требования к качеству поверхности становятся все выше и выше. Развиваются новые технологии, такие как сверхточная 3D-печать, функционализация микроструктуры поверхности и автоматизированные производственные линии постобработки. В будущем качество поверхности деталей, напечатанных на 3D-принтере, больше не будет ограничивать возможности применения. Предприятия должны как можно раньше создать возможности контроля качества поверхности, включить управление качеством поверхности в систему обслуживания 3D-печати, завоевать доверие клиентов благодаря возможностям высококачественной обработки поверхности и получить конкурентное преимущество в процессе индустриализации 3D-печати.