Jusqu'à quel niveau le polissage peut-il élever la surface de l'impression 3D métallique ?

1. Rugosité de surface : un saut du micromètre au nanomètre
La rugosité de surface est une mesure clé de la qualité de la surface d'une pièce. Cela a un effet direct sur sa résistance à la corrosion, sa résistance à la friction et sa résistance à la lumière. Les paramètres du processus, le type de matériau et la direction d’impression ont tous un effet important sur la rugosité initiale des pièces métalliques imprimées en 3D. Par exemple, la rugosité de surface des pièces en alliage de titane fabriquées avec la méthode de fusion sur lit de poudre au laser (LPBF) peut atteindre Ra15-20 μm lorsqu'elle est mesurée dans le sens d'impression. Cependant, lorsqu'elle est mesurée dans le sens de l'impression, la rugosité peut être aussi faible que Ra8–12 μm car les couches se chevauchent plus étroitement. Le polissage peut rendre la surface beaucoup plus lisse :
Polissage mécanique : à l'aide de machines de polissage automatisées et d'abrasifs diamantés, la rugosité de surface des pièces en alliage d'aluminium fabriquées par la méthode BJ (pulvérisation d'adhésif) peut être réduite de Ra2,4 μm à Ra0,8 μm ou moins, ce qui est suffisant pour la plupart des travaux d'assemblage mécanique. Pour les besoins de haute-précision, comme les supports pour miroirs optiques, le polissage en plusieurs-étapes (polissage grossier → polissage fin → polissage ultra fin) peut abaisser la rugosité de la surface à Ra0,05 μm, ce qui est proche du niveau de meulage de miroir typique.
Polissage chimique : Cette méthode utilise des solutions acides ou alcalines pour dissoudre sélectivement les bosses de la surface. Cela fonctionne bien sur les structures complexes de la cavité interne. Par exemple, la rugosité de surface des stents cardiovasculaires en acier inoxydable 316L est passée de Ra6 μm ​​à Ra0,2 μm après polissage chimique. Cela a permis d'éliminer les attaches de type microsphère-qui se formaient lors de l'impression, ce qui réduisait le risque de thrombose.
Polissage au laser : utilisation de puissants faisceaux laser pour faire fondre les matériaux de surface dans une petite zone, puis laisser la tension superficielle du métal liquide faire le travail de lissage. Des études indiquent qu'après cinq balayages laser de composants en acier inoxydable 316L produits à l'aide de la méthode SLM, la rugosité de la surface est passée de Sa21 μm à Sa1 μm, atteignant un taux de réduction de 96 %, sans formation de couche de dommages souterrains attribuable au polissage mécanique.
2. Microstructure : passer des défauts à la densification
Le polissage améliore non seulement l'apparence de la surface, mais il rend également le matériau plus résistant en éliminant les petits défauts :
Fermeture des fissures : les microfissures qui se forment lorsque l'impression 3D métallique refroidit trop rapidement peuvent être partiellement fermées par une pression de polissage mécanique. Par exemple, suite au polissage par vibration, la densité de fracture de surface d'une certaine aube de turbine de moteur d'aviation a chuté de 40 % et la durée de vie en fatigue à cycle élevé a augmenté de 25 %.
Libération des contraintes résiduelles : le polissage chimique soulage les contraintes de traction résiduelles en décomposant la couche superficielle, ce qui empêche la fissuration par corrosion sous contrainte. Le traitement de décapage des pièces en alliage de titane TC4 a montré que la tension résiduelle sur la surface est passée de -150 MPa à -50 MPa et que le taux de corrosion dû au brouillard salin a diminué de 60 %.
Le polissage au laser peut provoquer une refusion de la surface, ce qui peut rendre la granulométrie plus uniforme. Des études sur l'alliage Inconel 718 à haute température indiquent que le polissage au laser affine la taille des grains de surface de 50 μm à 10 μm, améliore la dureté de 15 % et diminue de 30 % le taux de gain de poids par oxydation à 650 degrés.
3. Performance fonctionnelle : passer du basique au haut de gamme-
L'amélioration de la qualité de surface après-polissage est directement corrélée à l'optimisation des performances fonctionnelles :
Résistance à l’usure améliorée : des surfaces plus lisses peuvent rendre moins probable le contact de minuscules entités convexes sur la surface de contact. Le test de frottement sur les composants en acier des roulements GCr15 a indiqué que le polissage de la surface de Ra1,6 μm à Ra0,2 μm faisait baisser le coefficient de frottement de 0,15 à 0,08 et la quantité d'usure de 70 %.
Meilleure résistance à la corrosion : Une surface lisse rend plus difficile l’adhérence des substances corrosives, et le film de passivation qui se forme lors du polissage chimique ajoute encore plus de protection. Après polissage électrochimique, la densité de courant de corrosion de 304 pièces en acier inoxydable dans une solution de NaCl à 3,5 % est passée de 1,2 × 10 ⁻⁵ A/cm² à 2,5 × 10 ⁻⁶ A/cm², et la résistance à la corrosion par piqûre a augmenté de 5 fois.
Performances optiques améliorées : les recherches sur le polissage des miroirs en alliage d'aluminium AlSi10Mg démontrent que lorsque la rugosité de la surface est abaissée de Ra3,2 μm à Ra0,05 μm, la réflectance de la lumière visible passe de 85 % à 92 %, ce dont ont besoin les systèmes de communication laser.
4. Application industrielle : passer du laboratoire à l’usine
La technique de polissage a été largement utilisée dans des domaines nécessitant des normes strictes de qualité de surface :
Aéronautique : Le polissage laser est utilisé sur un certain type de tuyère de moteur-fusée pour rendre la surface moins rugueuse, de Ra12 μm à Ra0,8 μm. La durée de vie du cycle thermique dans un environnement spatial simulé (plage de température : -180 degrés à 300 degrés) a été augmentée de 50 à 200 fois.
Implants médicaux : après polissage chimique, la rugosité de la surface de la prothèse d'articulation de la hanche en alliage de titane est passée de Ra8 μm à Ra0,5 μm. Cela a permis aux cellules d’adhérer 40 % mieux aux implants et aux os de s’y intégrer 30 % plus rapidement.
Moule de précision : après polissage avec meulage adaptatif de forme (SAG), la rugosité de surface du noyau du moule d'injection automobile descend à Ra0,02 μm, la durée de vie du moule passe de 100 000 fois à 500 000 fois et la brillance de surface du produit augmente de 2 niveaux.