Fatores que afetam a rugosidade da superfície na impressão 3D de metal

A rugosidade da superfície das peças metálicas impressas em 3D varia consideravelmente dependendo de uma série de fatores e geralmente fica entre alguns micrômetros e várias dezenas de micrômetros. Ao contrário das peças usinadas tradicionalmente, onde o acabamento superficial é em grande parte uma função da geometria da ferramenta e dos parâmetros de corte, a fabricação aditiva de metal introduz um conjunto muito mais amplo de variáveis ​​- o próprio processo de impressão, as características físicas do material que está sendo impresso e as etapas de pós-processamento aplicadas posteriormente, todas interagem para determinar a condição final da superfície. Compreender como cada um desses fatores contribui ajuda a explicar por que duas peças impressas a partir do mesmo design podem acabar com qualidades de superfície significativamente diferentes.

Fusão em leito de pó a laser (L{0}}PBF). Este é um dos processos de impressão 3D de metal mais comuns em uso atualmente. Ele funciona usando um laser de alta-energia para derreter o pó metálico, que é então acumulado camada por camada até o formato final da peça. Sob condições ideais, a rugosidade da superfície com este processo pode ser controlada em torno de Ra 10–30μm. Por exemplo, ao imprimir peças metálicas com estruturas relativamente simples usando este processo, níveis de rugosidade relativamente baixos podem ser alcançados uma vez que os parâmetros tenham sido otimizados. Isso ocorre porque a energia do laser é bastante concentrada, permitindo um controle preciso sobre a forma e o tamanho da poça de fusão. Essa precisão significa que o pó se funde e se acumula mais densamente à medida que solidifica, o que ajuda a reduzir até certo ponto a rugosidade da superfície. A natureza estreitamente focada do feixe de laser também significa que a entrada térmica no pó não derretido circundante pode ser minimizada, reduzindo a quantidade de pó parcialmente sinterizado que tende a aderir às bordas de uma peça impressa e contribuir para um acabamento mais áspero.

Fusão por feixe de elétrons (EBM). Este processo usa um feixe de elétrons para escanear e derreter o pó metálico. As peças impressas usando esse processo normalmente ficam dentro de uma faixa de rugosidade geral semelhante, embora os resultados possam variar dependendo das características do feixe de elétrons e da estratégia de varredura usada. Os feixes de elétrons transportam alta energia e oferecem excelente foco, permitindo fusão e formação de peças de alta{3}}precisão. Em aplicações onde os requisitos de qualidade de superfície são especialmente exigentes, o-ajuste fino dos parâmetros do processo pode reduzir a rugosidade para perto de Ra 10μm ou até menos. Vale a pena notar que o EBM normalmente é realizado em temperaturas elevadas da câmara-de construção e sob condições de vácuo, o que muda o comportamento do leito de pó em comparação com processos baseados-a laser - a temperatura elevada reduz o estresse térmico durante a construção, mas também pode fazer com que mais partículas de pó se sinterizem levemente em torno dos contornos de uma peça, o que é um dos motivos pelos quais as superfícies EBM às vezes apresentam um caráter de rugosidade ligeiramente diferente das superfícies L-PBF, mesmo quando os valores de rugosidade nominais são semelhantes.

Diferentes materiais metálicos. O ponto de fusão, a viscosidade e outras características físicas de um determinado material afetam diretamente a fluidez e o comportamento de espalhamento-do pó durante o processo de impressão, o que, por sua vez, influencia a rugosidade da superfície. Por exemplo, ligas de alumínio - que têm um ponto de fusão relativamente baixo e boa fluidez - tendem a preencher lacunas e formar superfícies lisas mais facilmente durante a impressão, e sua rugosidade pode geralmente atingir a faixa de Ra 15–25μm. Por outro lado, alguns metais com pontos de fusão mais elevados e maior viscosidade, como certas superligas de alta-temperatura, podem não se espalhar e fundir como idealmente durante o processo de impressão, e sua rugosidade pode ser um pouco mais alta - normalmente na faixa de Ra 20–35μm. Essa diferença é importante na prática: um projetista de peças que escolhe entre uma liga de alumínio e uma superliga à base de níquel-para uma determinada aplicação não está apenas avaliando as propriedades mecânicas e a resistência à temperatura, mas também aceitando implicitamente um acabamento superficial de base diferente antes de qualquer pós{14}}processamento ser aplicado.

Composição da liga. A proporção de diferentes elementos dentro de uma liga também afeta a rugosidade superficial. Por exemplo, ligas contendo uma maior proporção de elementos facilmente oxidáveis ​​podem sofrer degradação da qualidade da superfície devido à oxidação que ocorre durante o processo de impressão, o que por sua vez aumenta a rugosidade. Este efeito é particularmente relevante para processos de impressão 3D de metal que não operam em um ambiente totalmente inerte ou a vácuo, onde vestígios de exposição ao oxigênio durante o ciclo de fusão de cada camada podem se acumular em um efeito mensurável na superfície acabada ao longo de uma construção que pode envolver milhares de camadas individuais.

Tratamento térmico. O tratamento térmico adequado pode aliviar o estresse interno e melhorar a estrutura metalúrgica de uma peça, reduzindo assim a rugosidade superficial. Após o tratamento térmico, a superfície de uma peça pode tornar-se visivelmente mais uniforme, com a rugosidade reduzida em vários micrômetros. Por exemplo, o recozimento de uma peça metálica impressa após a construção ajuda a refinar a estrutura dos grãos, tornando a microestrutura da superfície mais uniforme. A rugosidade pode ser reduzida de cerca de Ra 20μm antes do tratamento para cerca de Ra 15μm depois. Embora o tratamento térmico seja frequentemente aplicado principalmente para aliviar a tensão residual e melhorar as propriedades mecânicas, como a ductilidade, seu efeito na rugosidade da superfície é um benefício secundário útil - que os projetistas às vezes ignoram ao planejar a sequência completa de pós{8}}processamento de uma peça, embora possa reduzir significativamente a quantidade de acabamento mecânico necessário posteriormente.

Processamento mecânico. A redução significativa da rugosidade pode ser alcançada através de métodos de processamento mecânico, como lixamento e polimento. O lixamento remove saliências e imperfeições da superfície, melhorando o nivelamento geral da superfície. O polimento refina ainda mais a superfície, reduzindo a rugosidade para apenas alguns micrômetros ou até menos. Por exemplo, após o polimento fino, a rugosidade de uma peça metálica impressa em 3D pode atingir menos de Ra 5μm, atendendo às demandas de aplicações com requisitos de acabamento superficial extremamente elevados, como componentes de instrumentos ópticos. Este tipo de sequência de acabamento - tratamento térmico para estabilizar o material, seguido de lixamento para remover características grosseiras da superfície, seguido de polimento para atingir a qualidade final da superfície - reflete como a redução da rugosidade na fabricação aditiva de metal raramente é realizada em uma única etapa. Em vez disso, normalmente envolve uma combinação em camadas de tratamentos térmicos e mecânicos, cada um abordando uma escala diferente de irregularidade da superfície, desde o alívio de tensão em massa até a suavidade em nível de mícron.

Tomadas como um todo, essas três categorias de fatores - tipo de processo, propriedades do material e método de pós{1}}processamento - interagem em vez de agir de forma independente. Uma peça impressa via L-PBF a partir de uma liga de alumínio de baixa-viscosidade com parâmetros bem-otimizados já pode atingir uma rugosidade as{7}}construída relativamente favorável, enquanto o mesmo projeto impresso a partir de uma superliga de alta-viscosidade via EBM pode começar a partir de uma linha de base mais áspera, mesmo antes de qualquer pós-{9}}processamento ser aplicado. Isso significa que alcançar um acabamento superficial desejado para uma determinada aplicação não é simplesmente uma questão de especificar uma etapa de pós-{11}}processamento no final do fluxo de trabalho -; é necessário considerar o processo e a escolha do material desde o início, uma vez que essas decisões iniciais definem o piso e o teto práticos para o que o pós-{13}}processamento pode alcançar de forma realista. Para aplicações com requisitos rígidos de acabamento superficial, a compreensão de como essas variáveis ​​interagem permite que os engenheiros selecionem a combinação certa de processo, material e método de acabamento desde o início, em vez de tentar compensar uma má condição superficial inicial por meio de processamento posterior extenso e caro.