금속 3D 프린팅의 표면 거칠기에 영향을 미치는 요인

금속 3D 프린팅 부품의 표면 거칠기는 다양한 요인에 따라 크게 달라지며 일반적으로 수 마이크로미터에서 수십 마이크로미터 사이입니다. 표면 마감이 주로 공구 형상 및 절삭 매개변수의 함수인 기존 가공 부품과 달리, 금속 적층 제조에서는 훨씬 더 광범위한 변수 집합을 도입합니다. - 인쇄 공정 자체, 인쇄되는 재료의 물리적 특성, 이후에 적용되는- 후처리 단계 모두 상호 작용하여 최종 표면 상태를 결정합니다. 이러한 각 요소가 어떻게 영향을 미치는지 이해하면 동일한 디자인으로 인쇄된 두 부품이 의미 있게 다른 표면 품질을 얻을 수 있는 이유를 설명하는 데 도움이 됩니다.

레이저 분말층 융합(L-PBF). 이는 오늘날 사용되는 가장 일반적인 금속 3D 프린팅 프로세스 중 하나입니다. 이는 고에너지-에너지 레이저를 사용하여 금속 분말을 녹인 다음 층층이 쌓아 최종 부품 모양을 만드는 방식으로 작동합니다. 이상적인 조건에서 이 공정을 통해 표면 거칠기를 Ra 10~30μm 정도로 제어할 수 있습니다. 예를 들어, 이 공정을 사용하여 상대적으로 단순한 구조의 금속 부품을 프린팅할 때 매개변수가 최적화되면 상대적으로 낮은 거칠기 수준을 얻을 수 있습니다. 이는 레이저 에너지가 상당히 집중되어 용융 풀의 모양과 크기를 정밀하게 제어할 수 있기 때문입니다. 이 정밀도는 분말이 응고됨에 따라 더 조밀하게 융합되고 쌓이는 것을 의미하며, 이는 표면 거칠기를 어느 정도 줄이는 데 도움이 됩니다. 레이저 빔의 조밀하게 집중된 특성은 주변의 녹지 않은 분말로의 열 입력을 최소화하여 인쇄된 형상의 가장자리에 달라붙어 마감을 거칠게 만드는 경향이 있는 부분적으로 소결된 분말의 양을 줄일 수 있음을 의미합니다.

전자빔 용해(EBM). 이 공정에서는 전자빔을 사용하여 금속 분말을 스캔하고 녹입니다. 이 프로세스를 사용하여 인쇄된 부품은 일반적으로 유사한 일반적인 거칠기 범위에 속하지만 전자 빔의 특성과 사용된 스캐닝 전략에 따라 결과가 달라질 수 있습니다. 전자빔은 높은 에너지를 전달하고 탁월한 초점을 제공하여-고정밀 용융 및 부품 형성을 가능하게 합니다. 표면 품질 요구사항이 특히 까다로운 응용 분야에서는{5}}공정 매개변수를 미세 조정하면 거칠기를 Ra 10μm 또는 그보다 더 낮은 수준으로 낮출 수 있습니다. EBM은 일반적으로 높은 빌드-챔버 온도와 진공 조건에서 수행됩니다. 이로 인해 레이저-기반 프로세스와 비교하여 파우더 베드의 작동 방식이 변경됩니다. - 온도가 상승하면 빌드 중 열 응력이 줄어들지만 더 많은 파우더 입자가 부품 윤곽 주위에 가볍게 소결될 수 있습니다. 이는 EBM 표면이 공칭일 때도 L-PBF 표면과 약간 다른 거칠기 특성을 나타내는 이유 중 하나입니다. 거칠기 값은 비슷합니다.

다양한 금속 재료. 해당 재료의 녹는점, 점도 및 기타 물리적 특성은 인쇄 공정 중 유동성과 분말{1}}확산 동작에 직접적인 영향을 미치며, 이는 다시 표면 거칠기에 영향을 줍니다. 예를 들어, 상대적으로 녹는점이 낮고 유동성이 좋은 알루미늄 합금- -은 인쇄 중에 틈을 채우고 매끄러운 표면을 더 쉽게 형성하는 경향이 있으며 거칠기는 일반적으로 Ra 15~25μm 범위에 도달할 수 있습니다. 대조적으로, 특정 고온-초합금과 같이 융점이 더 높고 점도가 더 높은 일부 금속은 인쇄 공정 중에 이상적으로 퍼지거나 융합되지 않을 수 있으며, 거칠기는 일반적으로 Ra 20-35μm 범위에서 다소 더 높아질 수 있습니다-. 실제로 이러한 차이는 중요합니다. 특정 응용 분야에 대해 알루미늄 합금과 니켈{13}}계 초합금 중에서 선택하는 부품 설계자는 기계적 특성과 온도 저항을 평가할 뿐만 아니라 후가공을 적용하기 전에 다른 기본 표면 마감을 암묵적으로 수용하는 것입니다.-

합금 구성. 합금 내 다양한 ​​원소의 비율도 표면 거칠기에 영향을 미칩니다. 예를 들어, 쉽게 산화되는 원소의 비율이 높은 합금은 인쇄 과정에서 발생하는 산화로 인해 표면 품질이 저하되어 거칠기가 증가할 수 있습니다. 이 효과는 완전 불활성 또는 진공 환경에서 작동하지 않는 금속 3D 프린팅 공정과 특히 관련이 있습니다. 각 레이어의 용융 주기 중 미량 산소 노출이 수천 개의 개별 레이어가 포함될 수 있는 빌드 과정에서 완성된 표면에 측정 가능한 효과로 축적될 수 있습니다.

열처리. 적절한 열처리는 내부 응력을 완화하고 부품의 금속 구조를 개선하여 표면 거칠기를 줄일 수 있습니다. 열처리 후에는 부품의 표면이 눈에 띄게 균일해지며 거칠기가 수 마이크로미터만큼 감소합니다. 예를 들어, 제작 후 인쇄된 금속 부품을 어닐링하면 입자 구조를 개선하여 표면의 미세 구조를 더욱 균일하게 만드는 데 도움이 됩니다. 처리 전 Ra 20μm 정도에서 처리 후 Ra 15μm 정도까지 거칠기를 줄일 수 있습니다. 열처리는 주로 잔류 응력을 완화하고 연성과 같은 기계적 특성을 개선하기 위해 적용되는 경우가 많지만, 표면 거칠기에 대한 효과는 유용한 이차적 이점입니다. - 이는 설계자가 부품의 전체 후처리 순서를 계획할 때 때때로 간과하는 것입니다.- 하류에 필요한 기계적 마무리 양을 의미 있게 줄일 수 있음에도 불구하고 말입니다.

기계적 처리. 거칠기를 크게 줄이는 것은 샌딩 및 연마와 같은 기계적 처리 방법을 통해 달성할 수 있습니다. 샌딩은 표면 돌출부와 결함을 제거하여 전반적인 표면 평탄도를 향상시킵니다. 그런 다음 연마를 통해 표면을 더욱 다듬어 거칠기를 몇 마이크로미터 또는 그 이하로 낮춥니다. 예를 들어 정밀 연마 후 금속 3D 프린팅 부품의 거칠기는 Ra 5μm 미만에 도달할 수 있어 광학 기기 부품과 같이 표면 마감 요구 사항이 매우 높은 응용 분야의 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 재료를 안정화하기 위한 이러한 종류의 마무리 순서 - 열처리, 거친 표면 특성을 제거하기 위한 샌딩, 최종 표면 품질을 달성하기 위한 연마 -는 금속 적층 가공에서 거칠기 감소가 단일 단계를 통해 거의 달성되지 않는 방식을 반영합니다. 대신 일반적으로 열 처리와 기계적 처리의 계층화된 조합이 필요하며, 각 처리는 벌크 응력 완화부터 미크론{10}}수준의 매끄러움에 이르기까지 다양한 규모의 표면 불규칙성을 처리합니다.

전체적으로 볼 때, 이 세 가지 범주의 요소 - 공정 유형, 재료 특성 및 후-후처리 방법-은 독립적으로 작용하기보다는 상호 작용합니다. 매개변수가 잘 최적화된-저-점도 알루미늄 합금에서 L-PBF를 통해 프린팅된 부품은 이미-상대적으로 유리한 제작 거칠기를 얻을 수 있는 반면, EBM을 통해 고점도 초합금으로 프린팅한 동일한 디자인은 후처리가 적용되기 전에도 더 거친 기준선에서 시작할 수 있습니다-. 즉, 주어진 응용 분야에 대한 목표 표면 마감을 달성하는 것은 단순히 작업 흐름 마지막에 후처리 단계를 지정하는 문제가 아니라 - 처음부터 공정과 재료 선택을 고려해야 합니다. 왜냐하면 이러한 업스트림 결정은 후처리가 현실적으로 달성할 수 있는 실질적인 최저점과 상한선을 설정하기 때문입니다.{13}} 표면 마감 요구 사항이 엄격한 응용 분야의 경우 이러한 변수가 어떻게 상호 작용하는지 이해하면 엔지니어는 광범위하고 비용이 많이 드는 다운스트림 처리를 통해 열악한 초기 표면 상태를 보상하려고 하는 대신 처음부터 공정, 재료 및 마감 방법의 올바른 조합을 선택할 수 있습니다.