Дълго време в адитивното производство се приемаше за даденост, че финишната обработка на един детайл се определя изцяло от технологията, с която той е отпечатан. Анализът на повърхностните характеристики обаче показва, че крайната гладкост всъщност зависи от комплексен набор от фактори. За да се внесе яснота по темата, наскоро бе проведено мащабно лабораторно изследване, което подлага на директно сравнение четири от най-разпространените индустриални технологии, измервайки детайли, произведени с машини на Formlabs и други две водещи компании. Данните от това проучване коментираме с експертите от 8 CELL – доказана българска технологична компания, специализирана в интеграцията на индустриални решения за 3D печат и развитието на адитивното производство у нас. „Когато избира технология, бизнесът често сравнява само параметрите на самия принтер. Това изследване обаче доказва, че перфектният финиш е резултат от целия процес, включително и от последващата обработка на детайла“, споделиха от 8 CELL.

Анализът на повърхностите: Количествени измервания срещу маркетингови обещания

За да бъдат крайните изводи максимално приложими за нуждите на реалното серийно производство, проучването изолира субективните фактори и залага на строга метрологична методология. Обект на изследването са четири от най-утвърдените индустриални платформи в световен мащаб, които се конкурират директно на пазара. От една страна, това са праховите технологии – селективното лазерно синтезиране (SLS), представено от компактната индустриална серия Formlabs Fuse 1+ 30W и традиционна широкоформатна машина, както и технологията Multi-Jet Fusion (MJF) чрез системата Jet Fusion 5600. От друга страна, като абсолютен еталон за гладкост е включена стереолитографията (SLA), внедрена в най-новото поколение високоскоростна платформа Formlabs Form 4.

Изборът на материали също е прецизиран. За трите прахови системи е използван полиамид 12 (Nylon 12/PA12) – стандартът в индустрията за функционални компоненти, докато при SLA машината е заложена инженерната смола Tough 2000 V2, проектирана да симулира физическото поведение на ABS пластмасата.

„За разлика от масовите рекламни брошури, в които гладкостта често се описва с неясни епитети, тук оценката е извършена чрез сертифициран контактен профилометър“, обясняват от компанията. Уредът улавя микроскопичните несъвършенства по повърхността, докато диамантената му сонда се движи по права линия върху детайла. Измерват се двата основни показателя, по които инженерите по света оценяват качеството: R_a (средното аритметично отклонение на профила) и R_z (максималната височина между най-високия връх и най-дълбоката падина).

„В съвременното машиностроене никой не работи „на око“. Когато един детайл е част от по-голям механичен възел или следва да премине последващо боядисване, галванизация или лепене, стойностите на R_a са първото нещо, което се измерва“, коментират от 8-CELL. По думите им, за праховите технологии доскоро се приемаше, че те просто оставят по-грубо, зърнесто усещане поради естеството на разтапяне на микрочастиците и това е технологичният таван. Данните от проучването обаче показват, че индустрията е пропускала важно звено от веригата.

Къде преминава границата между печата и финишната обработка?

Първоначалните измервания, направени веднага след т.нар. „стандартно почистване“, което включва отстраняване на „неопечения“ прах чрез базово абразивно бластиране (или измиване със солвент при смолите), потвърждават пазарните очаквания само отчасти. Стереолитографията на Form 4 очаквано регистрира минимална грапавост от едва 0.5 µm R_a, което прави повърхността напълно гладка за човешкото око и допир.

При праховите технологии обаче разликите се оказват сериозни. Докато детайлите от серията Fuse показват първоначална грапавост от 4.3 µm в най-добрите си хоризонтални зони, при индустриалните машини на друга утвърдена компания, работещи с прах PA2200, стойностите на грапавост започват от 4.8 µm и достигат средно до 12.1 µm R_a при по-неблагоприятна вертикална ориентация на детайла в камерата. При друга водеща технология първоначалните нива варират около средна стойност от 6.0 µm до 8.9 µm.

Истинският обрат в изследването обаче настъпва, когато детайлите се подлагат на втория етап – напреднала автоматизирана последваща обработка (post-processing). Тук са сравнени традиционното виброполиране (tumbling) с керамични или пластмасови тела и иновативната система за сухо медийно полиране. „Интересният извод за пазара е, че след преминаване през системи за автоматизирано полиране, повърхностните характеристики на детайлите от различните прахови технологии започват да се изравняват и дори да си разменят местата“, поясниха от 8 CELL за нашата медия. Експертите обръщат внимание на факта, че крайната гладкост, която достига до клиента, се решава в много по-голяма степен в станцията за последваща обработка, отколкото в самата камера на 3D принтера. „За инженерите това е ясен сигнал, че трябва да проектират и бюджетират целия производствен цикъл“, допълват от компанията.

Факторът „ориентация“: Скритата уловка при праховия печат

Един от най-важните аспекти в проучването, който често остава скрит зад средните статистически стойности, е как ориентацията на детайла в камерата за печат влияе върху неговата грапавост. При технологиите, използващи прах (SLS и MJF), повърхностите, ориентирани по осите X и Y (хоризонталните повърхности), винаги са по-гладки. Проблемът възниква при повърхностите по оста Z (вертикалните и наклонените стени), където се проявява т.нар. „ефект на стълбището“ (stair-stepping) и частичното разтапяне на околния прах.

Изследването показва, че при едната от изследваните индустриални системи разликата е най-драстична. Хоризонталните повърхности постигат първоначална грапавост от 4.8 µm R_a, но вертикалните стени скачат до 12.1 µm R_a. При другата първоначалните стойности варират от 6.0 µm до 8.9 µm R_a. „Точно тази зависимост от посоката е голямото предизвикателство пред производствените инженери“, коментираха от 8 CELL. От компанията посочват, че ако един детайл има сложна геометрия с кривини, неговите различни зони ще имат напълно различно усещане за гладкост и външен вид след печат. „Голямото предимство на серията Formlabs Fuse 1+ е, че благодарение на прецизния контрол на лазера и консистентния размер на частиците на Nylon 12, разликата между най-добрата и най-лошата повърхност в сурово състояние е силно ограничена – средно между 4.3 µm и 11.5 µm R_a. Това улеснява значително последващото полиране“, добавиха от дружеството.

Сблъсъкът на технологиите за полиране: Виброротация срещу Fuse Polish

Когато става въпрос за постигане на краен финиш, проучването анализира два коренно различни подхода за последваща обработка:

• Масовото виброполиране (Tumbling): Детайлите се поставят в барабан с абразивни елементи (керамични или пластмасови тела) и вода, в който се въртят в продължение на часове;
• Специализираното сухо полиране (Fuse Polish): Автоматизиран процес, интегриран в системата Fuse Blast, който използва специфични полиращи елементи под налягане за бързо уплътняване и заглаждане на повърхностния слой.

Резултатите от измерванията след тези процеси пренареждат силите на пазара по неочакван начин. Детайлите, обработени с традиционно виброполиране, са с понижена грапавост до средно 6.0 µm R_a (и 2.7 µm за най-добрата зона). В същото време обаче детайлите от серията Formlabs Fuse, преминали през сухия цикъл на Fuse Polish, постигат средна грапавост от 5.8 µm R_a, а в оптималните си зони се постигат впечатляващите 4.3 µm R_a.

„Това е много важна точка в доклада, която променя коренно едно производство“, подчертават от българската компания. По думите им традиционното виброполиране изисква часове работа, допълнителни консумативи, мокри процеси и крие риск от заобляне на острите ръбове или счупване на фини детайли. „От друга страна, системата Fuse Polish постига по-добър среден финиш за малка част от това време и без мокри процеси, запазвайки изцяло геометричната точност на компонентите. За инженерите това означава, че по-компактна и достъпна система, като Fuse 1+ 30W, правилно комбинирана с нейната последваща обработка, може да достави по-гладки крайни детайли от голяма индустриална машина“, допълват от 8 CELL.

Геометрична точност срещу загуба на материал

Когато инженерите проектират детайли с тесни допуски и сглобки, последващата обработка може да поднесе неприятни изненади. Традиционното виброполиране е субтрактивен (отнемащ) процес – за да намали грапавостта, абразивната медия физически премахва част от повърхностния слой на полимера. Това неизбежно води до промяна в крайните размери на компонентите и често заобля острите ръбове.

„Това е сериозен скрит разход и технологичен риск при серийно производство“, отбелязват от 8 CELL. Според експертите, ако един детайл изисква дълго полиране, за да се понижи грапавостта до по-приемливи стойности, инженерът е принуден предварително да предвижда по-големи допуски в 3D модела. „При системата Fuse Polish процесът работи на принципа на повърхностното уплътняване, подобно на микрообработка с топчета (сачми) или дробоструйна обработка (Shot Peening). Микросферите уплътняват падините по повърхността, без да отнемат от материала, което гарантира, че детайлът запазва 100% от оригиналната си геометрия“, обясниха от компанията.

Проблемът с „недостъпните“ зони: Сложни геометрии и вътрешни канали

Друг важен аспект от лабораторния доклад е поведението на детайли със сложна вътрешна архитектура, решетъчни структури (lattices) или дълбоки вдлъбнатини. При виброполирането керамичните или полимерните тела имат определен размер (често над 5–10 mm). Те просто не могат да проникнат в тесни пространства, оставяйки вътрешните зони груби и необработени.

„В крайна сметка се получава продукт с хибридно качество – гладък отвън и зърнест отвътре. За разлика от този подход, Fuse Polish използва изключително фини, флуидизирани елементи, които се задвижват под прецизно налягане. Те преминават през сложни канали и вътрешни кухини със същата ефективност, с която обработват и външните стени“, поясняват от 8 CELL.

Докладът завършва с анализ на това как микроструктурата на повърхността влияе върху последващото козметично обработване, като химическо боядисване (dyeing). Праховите детайли, които остават с висока първоначална грапавост, абсорбират багрилата неравномерно, тъй като порестата повърхност задържа повече пигмент в падините и по-малко по върховете. Резултатът често е продукт с петна или сивеещ оттенък.

Благодарение на равномерното заглаждане, постигнато при Formlabs Fuse 1+ в комбинация с Fuse Polish, повърхността губи своята микропорьозност. „Когато такъв детайл се потопи в багрилна баня, пигментът се отлага напълно хомогенно. Крайният резултат е наситено, дълбоко черно с лек блясък, което по нищо не отстъпва на детайл, произведен чрез конвенционално шприцоване под налягане“, обясняват от 8 CELL.

Заключение: Новата матрица за избор на технология

Резултатите от мащабното проучване дават ясен и прагматичен навигационен ориентир за българските производствени предприятия:

• За абсолютен визуален перфекционизъм: Стереолитографията с Formlabs Form 4 е силно конкурентна със своите стабилни 0.5 µm R_a, елиминирайки напълно нуждата от каквато и да е финишна дообработка.
• За функционални серии с високи изисквания: Комбинацията от Fuse 1+ 30W и Fuse Polish се доказва като едно от най-ефективните решения на пазара. Тя осигурява висока здравина, при това с финиш, който изпреварва по-скъпи и обемни индустриални системи, при това без риск от промяна на геометрията.

„В съвременното адитивно производство изборът на принтер вече е само първата стъпка. Истинската оптимизация на себестойността и качеството се крие в затварянето на цикъла – от файла до полирания продукт“, допълват още от българското дружество.

За повече информация и контакт с екипа на 8 CELL, посетете техния официален уебсайт.

Тази статия на ДигиталнаИндустрия.bg е по материали на Инженер.bg.

Източник на снимковия материал: 8-CELL, ©Engineer BG via Canva.com