Gia cường và hoàn thiện bề mặt cơ học cho chi tiết in 3D: từ phun bi, lăn ép đến làm phẳng kênh dòng chảy bên trong

I. Chi tiết sản xuất đắp dần không thể dừng ở bề mặt trạng thái in

Bề mặt của chi tiết kim loại sản xuất đắp dần khi lấy ra khỏi máy là kết quả tổng hợp của các vệt bể nóng chảy chồng lấp, hạt bán nóng chảy bám dính và hiệu ứng bậc thang. Lấy ví dụ công nghệ nóng chảy bột kim loại bằng laser (LPBF), độ nhám Ra của bề mặt bên thường nằm trong khoảng 8—20 μm, trong khi bề mặt hướng xuống có mức bám bột nghiêm trọng có thể vượt 25 μm; nếu cùng chi tiết đó được gia công cắt gọt, Ra có thể được kiểm soát ổn định dưới 1,6 μm. Chênh lệch này không chỉ là vấn đề ngoại quan: cứ tăng một cấp độ nhám, vị trí khởi phát vết nứt mỏi càng tập trung tại đáy các rãnh chồng lấp giữa lớp và chân các hạt bám dính.

Trong thử nghiệm uốn quay trên bệ thử của một chi tiết chèn làm mát tuân theo biên dạng bằng Ti6Al4V, giới hạn mỏi của mẫu ở trạng thái in chỉ đạt khoảng 45%—55% so với phôi rèn vật liệu nền; sau phun cát và đánh bóng điện hóa, giá trị này tăng trở lại khoảng 70%; khi kết hợp thêm phun bi để tạo lớp ứng suất dư nén, mức phục hồi có thể vượt 85%. Rõ ràng, hậu xử lý không phải là công đoạn làm đẹp cuối cùng mà là công đoạn then chốt quyết định chi tiết có thể làm việc trong điều kiện chịu tải hay không.

II. Bốn chỉ tiêu đánh giá độ toàn vẹn bề mặt

Trước khi bàn về gia cường cơ học và hoàn thiện bề mặt, cần thống nhất tiêu chí đo lường. Trong kỹ thuật, bốn chỉ tiêu thường được dùng để mô tả độ toàn vẹn bề mặt: thứ nhất là độ nhám biên dạng Ra và Rz, thể hiện biên độ gồ ghề vi mô; thứ hai là ứng suất dư lớp bề mặt, trong đó ứng suất nén có lợi cho việc ngăn vết nứt mở rộng, còn ứng suất kéo thì ngược lại; thứ ba là độ cứng vi mô bề mặt và chiều sâu lớp biến cứng, phản ánh mức độ biến dạng dẻo; thứ tư là trạng thái cạnh, bao gồm chiều cao ba via, bán kính bo tròn và tính nhất quán.

Bốn yếu tố này ràng buộc lẫn nhau. Nếu chỉ theo đuổi Ra thấp bằng đánh bóng hóa học có lượng bóc tách lớn, lớp ứng suất nén do phun bi tạo ra có thể bị loại bỏ; nếu chỉ phun bi mà không làm phẳng, dù đã có ứng suất nén thì đáy rãnh vẫn là nguồn khởi phát nứt. Vì vậy, lộ trình công nghệ phải được xây dựng theo thứ tự ưu tiên chỉ tiêu: trước hết xác định yếu tố nào là nguyên nhân chính của dạng hư hỏng, sau đó mới quyết định trình tự gia cường và làm phẳng.

III. Phun bi và phun hạt: tạo lớp ứng suất dư nén

Phun bi là phương pháp gia cường cơ học trưởng thành nhất. Bi thép đúc hoặc bi gốm được khí nén gia tốc đến 40—80 m/s để va đập lên bề mặt; lớp bề mặt biến dạng dẻo và bị ép giãn theo phương ngang, sau đó bị nền đàn hồi bên dưới kìm hãm để hình thành ứng suất dư nén. Thông số điển hình gồm: đường kính bi thép đúc 0,2—0,6 mm, yêu cầu độ phủ 100%—200%, cường độ Almen được kiểm soát ở 0,15—0,35 mmA (hợp kim titan chọn cận trên, hợp kim nhôm chọn cận dưới). Đỉnh ứng suất dư nén thường xuất hiện ở độ sâu 50—150 μm dưới bề mặt và có thể đạt 50%—60% giới hạn chảy của vật liệu.

Với chi tiết sản xuất đắp dần, cần đặc biệt lưu ý hai điểm. Thứ nhất, các hạt bán nóng chảy trên bề mặt trạng thái in có thể bong ra khi phun bi và để lại các hố nhỏ; do đó, nên phun cát nhẹ hoặc hoàn thiện rung trước để loại bỏ lớp bám dính lỏng lẻo. Thứ hai, độ phủ không đủ có thể tạo ra các vùng mù gia cường, gây biến thiên ứng suất cục bộ; cần xác nhận kép bằng tấm thử Almen và dung dịch kiểm tra độ phủ, thay vì chỉ ước tính theo thời gian xử lý.

IV. Lăn ép và gia cường xung laser: lớp gia cường sâu hơn

Khi hình dạng chi tiết đều đặn, chẳng hạn chi tiết tròn xoay, mặt phẳng hoặc thành lỗ có quy luật, gia cường lăn ép có tính nhất quán cao hơn phun bi. Đầu lăn ép thủy lực hoặc cơ khí lăn trên bề mặt với độ ép sâu 0,1—0,3 mm và lượng chạy dao 0,05—0,15 mm/vòng, có thể đạt Ra thấp hơn 0,4 μm, đồng thời tạo lớp ứng suất nén sâu 200—500 μm. Bản thân độ nhám bề mặt cũng được cải thiện, do đó đây là quy trình kết hợp gia cường và làm phẳng.

Gia cường xung laser (LSP) phù hợp hơn với thành mỏng và bề mặt có hình dạng phức tạp. Xung laser ngắn tạo sóng xung kích cỡ gigapascal dưới tác dụng của lớp hấp thụ và lớp kìm hãm; chiều sâu lớp ứng suất nén có thể vượt 1 mm, trong khi ảnh hưởng nhiệt là rất nhỏ. Đổi lại là chi phí thiết bị và thời gian chu kỳ: một điểm laser có đường kính 3—5 mm, và để phủ một bề mặt 100 cm² cần hàng nghìn xung. Công nghệ này phù hợp hơn với các chi tiết giá trị cao như chân cánh máy bay hoặc khung chịu lực thành mỏng, thay vì chi tiết nhỏ sản xuất hàng loạt.

V. Hoàn thiện rung và mài từ tính: làm phẳng kênh dòng chảy bên trong

Kênh làm mát tuân theo biên dạng, cấu trúc lattice và các lỗ giao cắt bên trong là những khu vực đầu mài không thể tiếp cận, đồng thời cũng là nơi có chất lượng bề mặt kém nhất ở chi tiết sản xuất đắp dần. Hoàn thiện rung đặt chi tiết trong vật liệu mài gồm môi trường gốm, nhựa hoặc thép; rung động của thùng tạo chuyển động trượt tương đối để mài vi lượng đồng đều trên toàn bộ bề mặt lộ ra. Một lần xử lý kéo dài 2—8 giờ có thể giảm Ra từ 15 μm xuống còn 3—5 μm. Kích thước và hình dạng hạt mài cần được chọn theo tiết diện nhỏ nhất của kênh, thông thường bằng 1/5—1/8 đường kính kênh để tránh kẹt vật liệu.

Mài từ tính phù hợp hơn với khoang trong có độ chính xác cao. Hạt mài từ tính, dưới tác động của từ trường quay, tạo thành chổi mài linh hoạt dọc theo các bề mặt cong phức tạp; đối với kênh dòng chảy bên trong bằng thép không gỉ và hợp kim titan, có thể đạt hiệu ứng bề mặt gương với Ra dưới 0,8 μm mà không để lại vết dao hay làm thay đổi kích thước tiết diện như đầu mài cứng. Hạn chế là lực tác dụng của hạt mài từ tính lên vật liệu không sắt từ phụ thuộc vào thiết kế từ trường; hiệu suất làm phẳng đối với hợp kim nhôm và hợp kim đồng thấp hơn rõ rệt so với thép.

VI. Tẩy ba via và xử lý cạnh

Chặng cuối để đạt tính nhất quán trong lắp ráp thường vướng ở các cạnh. Ba via trên chi tiết sản xuất đắp dần thường có ba nguồn chính: chân dư sau khi loại bỏ kết cấu đỡ, các u lồi hình thành do bột bám dính bị thiêu kết, và bậc giữa các lớp ở ren hoặc miệng lỗ. Độ nhất quán của việc giũa thủ công là kém nhất; kích thước vát cạnh do các công nhân khác nhau thực hiện trên cùng một lô có thể chênh lệch hơn 0,3 mm, trực tiếp gây phân tán mô-men lắp ráp.

Phương pháp có thể kiểm soát là thiết lập tiêu chuẩn cạnh: ghi rõ trên bản vẽ chiều cao ba via cho phép, chẳng hạn không vượt quá 0,1 mm, và phạm vi bán kính bo tròn, chẳng hạn R0,2—R0,5; sau đó sử dụng dòng hạt mài tiêu chuẩn hóa, bàn chải nylon hoặc thiết bị lăn mài cỡ nhỏ để thực hiện, đồng thời kiểm tra lấy mẫu bằng cùng một bộ dụng cụ đo. Khi chuyển việc đánh giá cạnh từ kinh nghiệm sang hạng mục có thể đo lường, tỷ lệ làm lại thường có thể giảm hơn một nửa.

VII. Lựa chọn và xác minh lộ trình công nghệ

Có thể suy ngược lộ trình từ dạng hư hỏng: đối với chi tiết chịu tải mà mỏi là yếu tố chi phối, áp dụng trình tự làm phẳng trước rồi gia cường, tức phun cát để loại bỏ lớp bám dính → hoàn thiện rung hoặc làm phẳng điện hóa → phun bi hoặc lăn ép để tạo ứng suất nén → làm sạch và thụ động hóa; đối với chi tiết mà độ kín hoặc dòng chảy là yếu tố chi phối, ưu tiên làm phẳng và giảm nhẹ bước gia cường để tránh lớp ứng suất nén bị mài mất trong quá trình lắp ráp tiếp theo; với chi tiết ngoại quan, mục tiêu là độ đồng nhất của kết cấu bề mặt, cần kiểm soát lô vật liệu mài và thời gian xử lý.

Việc xác minh cũng cần được khép kín thành vòng lặp. Khuyến nghị giữ lại một nhóm mẫu thử cùng lò cho mỗi lô để kiểm tra lấy mẫu độ nhám bề mặt, kiểm tra lấy mẫu ứng suất dư bằng phương pháp nhiễu xạ tia X và so sánh độ bền mỏi hoặc độ bền nén của sản phẩm đầu tiên, sau đó ghi dữ liệu trở lại tài liệu quy trình. Không có các phép đo này, việc gọi một quy trình hậu xử lý là đã ổn định chỉ là mô tả dựa trên kinh nghiệm; chỉ cần thay máy hoặc thay ca làm việc, quy trình có thể không còn hiệu lực.

Kết luận

Gia cường cơ học và hoàn thiện bề mặt giải quyết vấn đề dễ bị đánh giá thấp nhất trong sản xuất đắp dần: đáy rãnh, hạt bám dính và ứng suất dư kéo trên bề mặt trạng thái in. Về mặt kỹ thuật, cần sắp xếp ưu tiên theo bốn chỉ tiêu độ toàn vẹn bề mặt, trước hết xác định nguyên nhân hư hỏng chính, sau đó kết hợp phun bi, lăn ép, gia cường xung laser, hoàn thiện rung và mài từ tính, đồng thời đưa tiêu chuẩn cạnh và dữ liệu kiểm tra lấy mẫu vào tài liệu quy trình. Đối với một nền tảng quản lý quy trình toàn diện từ bản vẽ đến sản phẩm thực như Blueprint3D, các thông số hậu xử lý và hồ sơ xác minh cũng là tài sản có thể tái sử dụng — chúng quyết định liệu một phôi ở trạng thái in có thực sự trở thành chi tiết kỹ thuật có thể giao hàng và truy xuất hay không.