Pourquoi la surface des pièces métalliques imprimées en 3D est-elle relativement rugueuse ?

一, Caractéristiques de la poudre : la cause de minuscules défauts
1.Le double effet de la distribution des tailles de particules de poudre
Une étude menée par l'Université du Pays Basque en Espagne a démontré une corrélation linéaire entre la rugosité de surface et la plus petite taille de particule (D10) dans la distribution granulométrique de la poudre : une diminution de la valeur D10 correspond à une réduction de la rugosité. Lorsque le D10 dans le lot de poudre descend par exemple de 25 μm à 11 μm, la rugosité de surface des pièces peut descendre de 60 μm à moins de 40 μm. Mais cela ne fonctionne que pour les poudres fines. Lorsque la taille des particules de poudre est supérieure à D50, peu importe leur rugosité.
2. L'effet boule de neige de la poudre qui colle aux objets
Pendant le processus d'impression 3D, une fine poudre partiellement fondue collera à la surface de l'article, créant des bosses qui ressemblent à des « boules de neige ». La recherche métallographique révèle que la microstructure de ces poudres adhésives s'aligne avec le corps des composants, ce qui suggère qu'elles proviennent directement du lot de poudre d'origine. Par exemple, l'utilisation d'une poudre avec D50=45 μm peut faire en sorte que le diamètre de la poudre adhésive de surface atteigne 33 à 47 μm, ce qui augmente considérablement la rugosité.
3. La chose la plus importante concernant la sphéricité de la poudre
Si la poudre n'est pas très sphérique, elle peut s'étaler de manière inégale et former une couche lâche avec une porosité allant jusqu'à 10 %. Ces pores capteront la poudre qui n’a pas encore fondu et créeront des défauts de surface tout au long du processus de fusion laser. Des études ont démontré que l'utilisation de poudres ayant une sphéricité supérieure à 95 % peut réduire la rugosité de la surface de plus de 30 %.
2, paramètres d'impression : un bon équilibre de contrôle des processus
1. Le conflit entre densité énergétique et éclaboussures
High energy density (>100J/mm³) peut améliorer l'écoulement du bain de fusion, mais il peut également faire rebondir la vapeur de métal, ce qui provoque des éclaboussures de métal en fusion. Ces gouttelettes refroidissent et se transforment en particules sphériques qui collent à la surface des pièces, les rendant 50 à 80 % plus rugueuses. Par exemple, lors d'une impression avec de l'Inconel 718, le nombre d'éclaboussures en surface est multiplié par trois lorsque la densité d'énergie passe de 80J/mm³ à 120J/mm³.
2. L'influence de l'épaisseur des couches et de la texture de la solidification les unes sur les autres
L’épaisseur des couches est l’un des principaux facteurs qui affectent la rugosité. La hauteur de la rugosité de surface due à l'effet de marche peut aller de 10 µm à 25 µm lorsque l'épaisseur de couche passe de 20 µm à 50 µm. De plus, l’angle selon lequel le laser frappe la surface a un effet important sur la texture de solidification. Par exemple, dans la zone la plus éloignée du centre d'impression, lorsque l'écart d'angle est supérieur à 15 degrés, la rugosité de la surface augmente de 40 % car le bain de fusion ne se solidifie pas uniformément.
3. Espace pour améliorer l’approche de numérisation
La méthode de numérisation standard-unidirectionnelle laissera des rayures sur la surface de la pièce à intervalles réguliers. Cependant, l'utilisation d'un balayage en damier ou en spirale peut briser ce motif et rendre la répartition de la rugosité plus uniforme. Par exemple, lors de l'impression avec un alliage de titane, la méthode de balayage en spirale réduit l'écart type de rugosité de surface de 8 μm à 3 μm.
3, Technologie de post-traitement : une nouvelle façon de finir les surfaces
1. Les limites du traitement mécanique
Le traitement mécanique traditionnel, tel que le fraisage CNC, ne fonctionne pas bien avec les structures de cavités intérieures complexes et pourrait ne pas fonctionner correctement avec la conception légère de l'impression 3D. Lors du fraisage d'implants de hanche avec des systèmes en treillis, par exemple, une surépaisseur d'usinage d'au moins 0,5 mm doit être respectée, ce qui ajoute 15 à 20 % au poids.
2. Contrôle microscopique du polissage chimique
En dissolvant sélectivement les micro-pics de surface, le polissage chimique peut permettre un contrôle de précision à l'échelle nanométrique. Lors de l'impression avec un alliage cobalt-chrome, le polissage chimique avec une solution combinée d'acide nitrique et d'acide chlorhydrique peut réduire la rugosité de la surface de 12 μm à 0,8 μm sans endommager la structure du réseau. Mais cette approche nécessite de surveiller de près la température (± 2 degrés) et la concentration de la solution (± 0,5 %). Sinon, il peut se corroder trop.
3. Nouvelles façons d’utiliser le polissage laser
La technologie de polissage synchrone à double laser combine le laser principal pour construire les pièces et le laser secondaire (impulsion nanoseconde) pour éliminer les restes de poudre de surface en temps réel. Cela peut rendre la surface 70 % plus lisse. Cette méthode permet par exemple de réduire la rugosité de l'impression sur acier inoxydable de 7 μm à 2 μm sans aucun travail supplémentaire. Mais l’équipement coûte 3 à 5 fois plus cher que les imprimantes 3D classiques, ce qui rend difficile son utilisation à grande échelle.
4. Percer la cavité interne lors de l'usinage par flux abrasif
L'usinage par flux abrasif (AFM) présente des avantages particuliers pour les structures de cavités internes complexes. Lorsque vous enfoncez un milieu semi-solide avec des particules abrasives de carbure de silicium dans la cavité intérieure à haute pression, vous pouvez éliminer les bavures et rendre la surface plus lisse. L'AFM réduit la rugosité de la surface de la cavité intérieure de 50 μm à 5 μm lors de l'impression des injecteurs de carburant des moteurs d'aviation. Il maintient également le canal d'écoulement du carburant en douceur.
4, Pratique industrielle : le passage du laboratoire à l’usine
1. Nouvelles découvertes dans le domaine de l'aérospatiale
GE Aviation fabrique des injecteurs de carburant pour les moteurs LEAP en utilisant la technologie SLM et le traitement HIP (pressage isostatique à chaud). Cela réduit la porosité de 0,8 % à 0,02 % et multiplie par trois la durée de vie en fatigue. En ajustant finement-l'approche de numérisation et l'épaisseur de la couche (30 μm), la rugosité de la surface est maintenue dans les limites de Ra12 μm, ce qui répond aux normes fixées par l'industrie aéronautique.
2. Demande personnalisée de dispositifs médicaux
Johnson&Johnson Medical a créé un procédé composite pour les implants d'articulation de la hanche imprimés en 3D-qui combine le recuit sous vide et le polissage chimique. Le recuit sous vide élimine les contraintes résiduelles, puis une solution de polissage à base d'acide citrique-est utilisée pour lisser la surface de Ra50 μm à Ra0,8 μm tout en la gardant biocompatible. Cette méthode confère à l’implant une durée de vie en fatigue de plus de 20 ans, ce qui est supérieur à ce qui est nécessaire en milieu clinique.
3. Appareils énergétiques capables de fonctionner dans des environnements très difficiles
Siemens fabrique des aubes de turbine à gaz en utilisant une technologie de recristallisation directionnelle et un traitement en solution solide. Cela réduit de 80 % le taux de fluage des alliages à haute température-à base de nickel-. En régulant le gradient de température (à une vitesse d'étirage de 2,5 mm/h à 1 235 degrés), une structure cristalline en forme de colonne a été créée, alignée sur l'axe de contrainte. Cela a augmenté la durée de vie en fatigue à 650 degrés.