금속 3D 프린팅 부품의 표면이 상대적으로 거친 이유는 무엇입니까?

一, 분말의 특성: 작은 흠집의 원인
1.분말 입도 분포의 이중 효과
스페인 바스크 지방 대학에서 실시한 연구에서는 분말 입자 크기 분포에서 표면 거칠기와 가장 작은 입자 크기(D10) 사이의 선형 상관 관계가 입증되었습니다. D10 값이 감소하면 거칠기가 감소하는 것입니다. 예를 들어, 분말 배치의 D10이 25μm에서 11μm로 낮아지면 부품의 표면 거칠기도 60μm에서 40μm 미만으로 낮아질 수 있습니다. 그러나 이것은 미세한 분말에만 적용됩니다. 분말 입자의 크기가 D50보다 크면 아무리 거칠어도 상관 없습니다.
2. 가루가 물건에 달라붙는 '눈덩이 효과'
3D 프린팅 과정에서 일부 녹은 ​​미세한 가루가 제품 표면에 달라붙어 '눈덩이'처럼 보이는 돌기를 만듭니다. 금속학 연구에 따르면 이러한 접착 분말의 미세 구조는 부품 본체와 정렬되어 있어 원래 분말 배치에서 직접 공급된 것임을 시사합니다. 예를 들어 D50=45μm의 분말을 사용하면 표면 접착 분말의 직경이 33~47μm에 도달하여 거칠기가 크게 증가합니다.
3. 분말 구형도에서 가장 중요한 것은
분말이 매우 구형이 아닌 경우 불균일하게 퍼지고 최대 10%의 다공성을 지닌 느슨한 층을 형성할 수 있습니다. 이 기공은 아직 녹지 않은 분말을 잡아서 레이저 녹는 과정 전반에 걸쳐 표면 결함을 만듭니다. 연구에 따르면 구형도가 95%를 초과하는 분말을 사용하면 표면 거칠기가 30% 이상 감소할 수 있는 것으로 나타났습니다.
2, 인쇄 매개변수: 공정 제어의 균형이 잘 잡혀 있음
1. 에너지 밀도와 튀는 것의 충돌
High energy density (>100J/mm3)은 용융 풀의 흐름을 더 좋게 만들 수 있지만 금속 증기가 반동하여 용융 금속이 튀는 원인이 될 수도 있습니다. 이 물방울은 냉각되어 부품 표면에 달라붙는 구형 입자로 변하여 부품을 50%~80% 더 거칠게 만듭니다. 예를 들어, Inconel 718로 인쇄하는 동안 에너지 밀도가 80J/mm 3에서 120J/mm 3로 증가하면 표면 튀김 수가 3배 증가합니다.
2. 층의 두께와 층층이 쌓이는 응고 질감의 영향
거칠기에 영향을 미치는 주요 요소 중 하나는 레이어의 두께입니다. 층 두께가 20μm에서 50μm로 변할 때 계단 효과로 인한 표면 거칠기의 높이는 10μm에서 25μm로 변할 수 있습니다. 또한 레이저가 표면에 닿는 각도가 응고 질감에 큰 영향을 미칩니다. 예를 들어, 인쇄 중심에서 가장 먼 영역에서는 각도 편차가 15도 이상일 경우 용융 풀이 균일하게 응고되지 않기 때문에 표면 거칠기가 40% 증가합니다.
3. 스캐닝 접근 방식을 개선하기 위한 여지
표준 단방향{0}}스캐닝 방법은 부품 표면에 일정한 간격으로 줄무늬를 남깁니다. 그러나 체커보드나 나선형 스캐닝을 사용하면 이 패턴을 깨뜨려 거칠기 분포를 더욱 균일하게 만들 수 있습니다. 예를 들어, 티타늄 합금으로 인쇄하는 경우 나선형 스캐닝 방식을 사용하면 표면 거칠기의 표준 편차가 8μm에서 3μm로 낮아집니다.
3, 후{1}}처리 기술: 표면을 마무리하는 새로운 방법
1. 기계적 가공의 한계
CNC 밀링과 같은 전통적인 기계 가공은 복잡한 내부 캐비티 구조에 잘 작동하지 않으며 3D 프린팅의 경량 설계에도 잘 작동하지 않을 수 있습니다. 예를 들어, 격자 시스템을 사용하여 고관절 임플란트를 밀링하는 경우 최소 0.5mm의 가공 여유를 유지해야 하며 이로 인해 무게가 15~20% 추가됩니다.
2. 화학적 연마의 미세한 제어
화학적 연마를 통해 표면의 미세 피크를 선택적으로 용해함으로써 나노 수준의 정밀한 제어가 가능합니다. 코발트 크롬 합금으로 인쇄할 때 질산과 염산의 혼합 용액을 사용한 화학적 연마는 격자 구조를 손상시키지 않고 표면 거칠기를 12μm에서 0.8μm로 낮출 수 있습니다. 하지만 이 접근 방식에서는 온도(± 2도)와 용액의 농도(± 0.5%)를 주의 깊게 관찰해야 합니다. 그렇지 않으면 너무 많이 부식될 수 있습니다.
3. 레이저 연마를 사용하는 새로운 방법
듀얼 레이저 동기식 연마 기술은 부품을 제작하는 주 레이저와 표면에 남은 분말을 실시간으로 제거하는 보조 레이저(나노초 펄스)를 결합합니다. 이렇게 하면 표면을 70% 더 매끄럽게 만들 수 있습니다. 예를 들어 이 방법은 추가 작업 없이 스테인리스 스틸 인쇄의 거칠기를 7μm에서 2μm로 낮춥니다. 하지만 장비 가격이 일반 3D 프린터에 비해 3~5배 비싸기 때문에 대규모로 사용하기는 어렵다.
4. 연마 흐름 가공에서 내부 공동을 뚫는 현상
연마 흐름 가공(AFM)은 복잡한 내부 공동 구조에 특별한 이점을 제공합니다. 탄화규소 연마 입자가 포함된 반고체 매질을 고압에서 내부 공동으로 밀어넣으면 버를 제거하고 표면을 더 매끄럽게 만들 수 있습니다. AFM은 항공 엔진 연료 노즐을 프린팅하는 동안 내부 공동의 표면 거칠기를 50μm에서 5μm로 낮춥니다. 또한 연료 흐름 채널을 원활하게 유지합니다.
4, 산업 관행: 실험실에서 공장으로의 이동
1. 항공우주 분야의 새로운 발견
GE Aviation은 SLM 기술과 HIP(열간 등압 성형) 처리를 사용하여 LEAP 엔진용 연료 노즐을 만듭니다. 이는 다공성을 0.8%에서 0.02%로 낮추고 피로 수명을 3배 증가시킵니다. -스캐닝 방식과 레이어 두께(30μm)를 미세 조정하여 표면 거칠기가 Ra12μm 이내로 유지됩니다. 이는 항공 산업에서 정한 표준을 충족합니다.
2. 의료기기 맞춤형 수요
Johnson&Johnson Medical은 진공 어닐링과 화학적 연마를 결합한 3D-프린팅 고관절 임플란트용 복합 공정을 개발했습니다. 진공 어닐링으로 잔류 응력을 제거한 다음 구연산- 기반 연마 용액을 사용하여 표면을 생체 적합성을 유지하면서 Ra50 μm에서 Ra0.8 μm까지 매끄럽게 만듭니다. 이 방법은 임플란트에 20년 이상의 피로 수명을 제공하며 이는 임상 환경에서 필요한 것보다 더 긴 것입니다.
3. 매우 가혹한 환경에서도 작동할 수 있는 에너지 장치
지멘스는 방향성 재결정 기술과 고용체 처리를 이용해 가스 터빈 블레이드를 만듭니다. 이는 니켈-기반 고온-합금의 크리프율을 80%까지 줄입니다. 온도 구배(1235도에서 2.5mm/h의 연신 속도)를 조절함으로써 응력 축과 일치하는 기둥형 결정 구조가 생성되었습니다. 이는 650도에서 피로 수명을 증가시켰습니다.