Facteurs affectant la rugosité de surface dans l’impression 3D métallique

La rugosité de surface des pièces métalliques imprimées en 3D varie considérablement en fonction de nombreux facteurs et se situe généralement entre quelques micromètres et plusieurs dizaines de micromètres. Contrairement aux pièces usinées traditionnellement, où la finition de surface dépend en grande partie de la géométrie de l'outil et des paramètres de coupe, la fabrication additive métallique introduit un ensemble beaucoup plus large de variables - le processus d'impression lui-même, les caractéristiques physiques du matériau imprimé et les étapes de post-traitement appliquées par la suite interagissent toutes pour déterminer l'état de surface final. Comprendre comment chacun de ces facteurs contribue à expliquer pourquoi deux pièces imprimées à partir du même dessin peuvent aboutir à une qualité de surface très différente.

Fusion sur lit de poudre laser (L-PBF). Il s’agit de l’un des procédés d’impression 3D métal les plus couramment utilisés aujourd’hui. Il fonctionne en utilisant un laser à haute énergie-pour faire fondre de la poudre métallique, qui est ensuite accumulée couche par couche pour donner la forme finale de la pièce. Dans des conditions idéales, la rugosité de surface grâce à ce processus peut être contrôlée à environ Ra 10–30 μm. Par exemple, lors de l’impression de pièces métalliques présentant des structures relativement simples à l’aide de ce procédé, des niveaux de rugosité relativement faibles peuvent être obtenus une fois les paramètres optimisés. En effet, l'énergie laser est assez concentrée, ce qui permet un contrôle précis de la forme et de la taille du bain de fusion. Cette précision signifie que la poudre fusionne et s’empile de manière plus dense à mesure qu’elle se solidifie, ce qui contribue à réduire dans une certaine mesure la rugosité de la surface. La nature étroitement focalisée du faisceau laser signifie également que l'apport thermique dans la poudre environnante non fondue peut être minimisé, réduisant ainsi la quantité de poudre partiellement frittée qui a tendance à adhérer aux bords d'un élément imprimé et à contribuer à une finition plus rugueuse.

Fusion par faisceau d'électrons (EBM). Ce processus utilise un faisceau d’électrons pour scanner et faire fondre la poudre métallique. Les pièces imprimées à l'aide de ce procédé se situent généralement dans une plage de rugosité générale similaire, bien que les résultats puissent varier en fonction des caractéristiques du faisceau d'électrons et de la stratégie de balayage utilisée. Les faisceaux d'électrons transportent une énergie élevée et offrent une excellente focalisation, permettant une fusion et une formation de pièces de haute -précision. Dans les applications où les exigences en matière de qualité de surface sont particulièrement exigeantes, le réglage fin-des paramètres du processus peut ramener la rugosité à un niveau proche de Ra 10 μm, voire moins. Il convient de noter que l'EBM est généralement réalisé à des températures élevées dans la chambre de construction-et dans des conditions de vide, ce qui modifie le comportement du lit de poudre par rapport aux processus laser-. - la température élevée réduit les contraintes thermiques pendant la construction, mais elle peut également provoquer un frittage léger de davantage de particules de poudre autour des contours d'une pièce, ce qui est l'une des raisons pour lesquelles les surfaces EBM présentent parfois un caractère de rugosité légèrement différent de celui des surfaces L-PBF, même avec une rugosité nominale. les valeurs sont similaires.

Différents matériaux métalliques. Le point de fusion, la viscosité et d'autres caractéristiques physiques d'un matériau donné affectent directement la fluidité et le comportement de propagation de la poudre pendant le processus d'impression, ce qui à son tour influence la rugosité de la surface. Par exemple, les alliages d'aluminium - qui ont un point de fusion relativement bas et une bonne fluidité - ont tendance à combler les lacunes et à former des surfaces lisses plus facilement lors de l'impression, et leur rugosité peut généralement atteindre la plage de Ra 15 à 25 μm. En revanche, certains métaux avec des points de fusion plus élevés et une plus grande viscosité, tels que certains superalliages à haute température -, peuvent ne pas se propager et fusionner de manière idéale pendant le processus d'impression, et leur rugosité peut être un peu plus élevée -, généralement dans la plage de Ra 20 à 35 μm. Cette différence est importante dans la pratique : un concepteur de pièces choisissant entre un alliage d'aluminium et un superalliage à base de nickel-pour une application donnée ne se contente pas de peser les propriétés mécaniques et la résistance à la température, mais accepte également implicitement une finition de surface de base différente avant tout post-traitement.

Composition de l'alliage. La proportion de différents éléments au sein d’un alliage affecte également la rugosité de la surface. Par exemple, les alliages contenant une proportion plus élevée d’éléments facilement oxydables peuvent subir une dégradation de la qualité de surface en raison de l’oxydation se produisant pendant le processus d’impression, ce qui à son tour augmente la rugosité. Cet effet est particulièrement pertinent pour les processus d'impression 3D métal qui ne fonctionnent pas dans un environnement totalement inerte ou sous vide, où des traces d'oxygène pendant le cycle de fusion de chaque couche peuvent s'accumuler pour former un effet mesurable sur la surface finie au cours d'une construction pouvant impliquer des milliers de couches individuelles.

Traitement thermique. Un traitement thermique approprié peut soulager les contraintes internes et améliorer la structure métallurgique d'une pièce, réduisant ainsi la rugosité de la surface. Après traitement thermique, la surface d'une pièce peut devenir sensiblement plus uniforme, avec une rugosité réduite de plusieurs micromètres. Par exemple, le recuit d'une pièce métallique imprimée après la fabrication permet d'affiner la structure du grain, rendant ainsi la microstructure de la surface plus uniforme. La rugosité peut être réduite d'environ Ra 20 μm avant le traitement à environ Ra 15 μm après. Bien que le traitement thermique soit souvent appliqué principalement pour soulager les contraintes résiduelles et améliorer les propriétés mécaniques telles que la ductilité, son effet sur la rugosité de la surface est un avantage secondaire utile - que les concepteurs négligent parfois lors de la planification de la séquence complète de post-traitement-d'une pièce, même s'il peut réduire considérablement la quantité de finition mécanique nécessaire en aval.

Traitement mécanique. Une réduction significative de la rugosité peut être obtenue grâce à des méthodes de traitement mécanique telles que le ponçage et le polissage. Le ponçage élimine les saillies et les imperfections de la surface, améliorant ainsi la planéité globale de la surface. Le polissage affine ensuite davantage la surface, ramenant la rugosité à seulement quelques micromètres, voire moins. Par exemple, après un polissage fin, la rugosité d'une pièce métallique imprimée en 3D peut atteindre moins de Ra 5 μm, répondant ainsi aux exigences des applications exigeant des finitions de surface extrêmement élevées, telles que les composants d'instruments optiques. Ce type de séquence de finition - traitement thermique pour stabiliser le matériau, suivi d'un ponçage pour éliminer les caractéristiques de surface brutes, suivi d'un polissage pour obtenir la qualité de surface finale - reflète la façon dont la réduction de la rugosité dans la fabrication additive métallique est rarement réalisée en une seule étape. Au lieu de cela, cela implique généralement une combinaison de couches de traitements thermiques et mécaniques, chacun s'attaquant à une échelle différente d'irrégularité de surface, depuis le soulagement des contraintes globales jusqu'à la douceur au niveau du micron-.

Prises dans leur ensemble, ces trois catégories de facteurs - type de processus, propriétés des matériaux et méthode de post-traitement - interagissent plutôt qu'agissant indépendamment. Une pièce imprimée via L-PBF à partir d'un alliage d'aluminium à faible-viscosité avec des paramètres bien-optimisés peut déjà atteindre une rugosité telle que-relativement favorable, tandis que la même conception imprimée à partir d'un superalliage à haute-viscosité via EBM peut partir d'une ligne de base plus rugueuse avant même qu'un post-traitement ne soit appliqué. Cela signifie que l'obtention d'un état de surface cible pour une application donnée ne consiste pas simplement à spécifier une étape de post-traitement à la fin du flux de travail -, cela nécessite de considérer le choix du processus et du matériau dès le départ, puisque ces décisions en amont fixent le plancher et le plafond pratiques de ce que le post-traitement peut réalistement atteindre. Pour les applications avec des exigences strictes en matière de finition de surface, comprendre comment ces variables interagissent permet aux ingénieurs de sélectionner dès le départ la bonne combinaison de processus, de matériau et de méthode de finition, plutôt que d'essayer de compenser un mauvais état de surface initial par un traitement en aval approfondi et coûteux.