Идеальное решение проблемы шероховатости поверхности традиционного порошка PA12: инженерная реализация технологии сфероидизации 01
На производственных линиях промышленного селективного лазерного спекания (SLS) и порошок В аддитивном производстве методом послойного спекания (PBF) качество поверхности высокоточных конструкционных компонентов долгое время ограничивалось фундаментальным дефектом материала. Многие предприятия обнаруживают повторяющуюся шероховатость «лунной поверхности» на готовых изделиях при печати деталей из нейлона PA12 (полиамида 12). Эта шероховатость не только напрямую ухудшает внешний вид компонентов, делая их непригодными для непосредственного использования в качестве конечных изделий, но, что более важно, микроскопические неровности указывают на легкое возникновение концентрации напряжений в структуре материала, что приводит к преждевременному усталостному разрушению при воздействии на компоненты переменных нагрузок. Этот присущий качеству поверхности недостаток обусловлен не мощностью лазера или скоростью сканирования 3D-принтера, но из традиционного порошка PA12, используемого на самом высоком промышленном уровне.
Чтобы досконально понять эту инженерную проблему, мы должны расширить наше видение до микроскопического уровня частиц материала. В настоящее время наиболее экономически эффективными являются традиционные методы. Порошки PA12 Представленные на рынке материалы производятся преимущественно методами механического измельчения, такими как низкотемпературное криогенное измельчение. Этот метод предполагает насильственное разрывание, затупление и дробление объемного нейлонового сырья на порошки микронного размера с помощью интенсивных механических ударных воздействий. При наблюдении под сканирующим электронным микроскопом (СЭМ) геометрическая морфология этих традиционных частиц оказывается крайне нерегулярной, демонстрируя огромное количество разорванных, чешуйчатых, вытянутых и острых многоугольных структур, напоминающих зазубренные лезвия. Именно эта крайне нерегулярная микроскопическая морфология является основной причиной ряда последующих катастроф в процессе 3D-печати.
Когда такой грубый порошок различной формы загружается в камеру подачи 3D-принтера и перемещается по рабочей платформе с помощью лезвия или валика для нанесения покрытия, сразу же возникают возникающие инженерные проблемы. С точки зрения гидродинамики, когда частицы неправильной формы соприкасаются друг с другом, геометрические силы сцепления и сопротивление трения поверхности между ними экспоненциально возрастают. Это очень похоже на высыпание мешка с острыми, угловатыми битыми кирпичами на землю; они не могут плавно течь и легко сцепляться друг с другом. В процессе повторного нанесения покрытия эта плохая текучесть напрямую вызывает заметное «микроскопическое трение», когда лезвие тянет порошок, что приводит к растрескиванию поверхности, образованию борозд или даже локальному расслоению порошкового слоя.
Кроме того, эти частицы с разными углами не могут плотно упаковаться при нагромождении, оставляя между ними огромные микроскопические пустоты, что приводит к исключительно низкой насыпной и уплотненной плотности порошкового слоя. Когда высокоэнергетический лазерный луч сканирует такой порошковый слой, заполненный микроскопическими пустотами и имеющий неоднородную плотность, теплопроводность внутри порошка становится крайне неоднородной. В начальный момент времени лазерная энергия не может равномерно распределиться, вызывая переплавление в определенных зонах, в то время как порошок остается запертым в межзерновых пустотах, недостаточно расплавленным. Геометрия расплавленной ванны резко колеблется под воздействием этой сильной термической нестабильности. По мере конденсации и затвердевания жидкого нейлона под действием поверхностного натяжения неравномерное распределение термических напряжений, вызванное неравномерным осаждением порошка и анизотропией частиц, навсегда «унаследуется» и затвердевает в микроскопических порах и включениях внутри компонента. На макроповерхности это в конечном итоге проявляется в виде постоянно высокого значения Ra на шероховатой промышленной поверхности.
