Efektywna i automatyczna obróbka powierzchni wewnętrznych wydruków 3D od AM Solutions

Baner: Efektywna i automatyczna obróbka powierzchni wewnętrznych wydruków 3D od AM Solutions

Badania grupy Rösler nad efektywnością automatycznej obróbki powierzchni nawet najbardziej skomplikowanych detali 3D (postprocessing)

Wytwarzanie przyrostowe (ang. Additive Manufacturing) pozwala na zintegrowanie wewnętrznych kanałów chłodzących, precyzyjnie rozmieszczonych w komponentach. Skupiając się na automatycznej obróbce końcowej – usuwaniu resztek proszku i wygładzaniu powierzchni tych kanałów – Wydziały Inżynierii Mechanicznej i Chemicznej Politechniki w Mediolanie (Włochy) wraz z Rösler Italiana S. r. l. przeprowadził badania nad metodami obróbki powierzchniowej masowej, śrutowania i chemicznie wspomaganej obróbki masowej. Wyniki wyraźnie pokazały, że przy zastosowaniu wszystkich trzech metod można osiągnąć znaczną poprawę ogólnej jakości powierzchni.

 

Dzięki drukowi 3D wytwarzać można niezwykle precyzyjne elementów o skomplikowanej geometrii, które są nie możliwe do osiągnięcia przy zastosowaniu konwencjonalnych technologii wytwarzania. Pozwala to między innymi na tworzenie bardzo złożonych komponentów o zintegrowanych cechach funkcjonalnych, takich jak precyzyjnie rozmieszczone kanały chłodzące. Te unikalne cechy AM są bardzo interesujące dla produkcji narzędzi i matryc dla form wtryskowych, komponentów hydraulicznych i przemysłu lotniczego. Szczególnie dla przemysłu narzędziowego i produkcji matryc integracja kanałów chłodzących oferuje znaczące korzyści techniczne, ponieważ wahania temperatury podczas fazy schładzania zwiększają ryzyko deformacji obrabianych elementów. Co więcej, dzięki systemowi chłodzenia, który dokładnie dopasowuje się do konturów danego elementu, można znacznie skrócić ogólny czas chłodzenia. Wreszcie, ponieważ można zapobiec takim wadom przedmiotu jak wypaczenia i pęknięcia cieplne,  funkcja chłodzenia elementów formowanych wtryskowo staje się bardziej skuteczna, powodując wyższą ogólną jakością elementów.

Selektywne stapianie laserowe (SLM) – doskonała dokładność kształtu i wysoka chropowatość powierzchni

Dla wytwarzania precyzyjnych elementów narzędzi, Selektywne Stapianie Laserowe jest idealną metodą produkcji. Tworzenie komponentu poprzez selektywne topienie proszku metalowego nanoszonego warstwowo przez wiązkę laserową powoduje powstanie wyrobu o niezwykle wysokiej gęstości. Wadą tej metody wytwarzania jest fakt, że pozostałości proszku muszą być usunięte z kanałów chłodzących oraz powierzchnia zewnętrzna detali charakteryzuje się wysoką chropowatością o wartościach Ra między 10 a 20 µm. Duża chropowatość powierzchni oraz osady proszku w kanałach mają negatywny wpływ na funkcjonalność obrabianych przedmiotów, powodując zmniejszenie natężenia przepływu cieczy chłodzącej z powodu dużego tarcia, turbulencji, strat ciśnienia w układzie oraz luźnych cząstek proszku, które mogą uszkodzić inne urządzenia. Ze względu na fakt, że powierzchnie wewnętrzne skomplikowanych komponentów z wbudowanymi kanałami nie mogą być obrabiane przy użyciu konwencjonalnych technologii wykończeniowych, wymagane są nowe, innowacyjne metody obróbki wykończeniowej.

Rysunek 1 Metoda druku SLM 3D jest idealna do produkcji precyzyjnych narzędzi. Jednak ich powierzchnia zewnętrzna i wewnętrzna zawiera resztki proszku, pozostałości z procesu wydruku. Dlatego też komponenty AM muszą zostać poddane odpowiedniemu etapowi przetwarzania końcowego.

Wybór najbardziej odpowiedniego systemu do wykończenia powierzchni ma zatem decydujące znaczenie dla żywotności elementu i jego ogólnej wydajności. Jedną z opcji wygładzania powierzchni zewnętrznych i wewnętrznych komponentów 3D jest wykańczanie masowe. Podczas procesu obróbki wykończeniowej elementy są umieszczane w okrągłej misie roboczej wypełnionej specjalnymi mediami do obróbki. Dodatkowo, w trakcie procesu dodawane są dedykowane związki chemiczne. Wibracje bębna roboczego powodują, że media i elementy robocze poruszają się ruchem spiralnym wewnątrz bębna. Ciągłe “ocieranie się” mediów obróbczych o obrabiane elementy daje efekt szlifowania/wygładzania, co prowadzi do uzyskania pożądanej jakości powierzchni.

Wykańczanie masowe pozwala na efektywne wygładzanie powierzchni wewnętrznych kanałów

W celu oceny różnych metod obróbki, w tym masowego wykańczania, wygładzania zewnętrznych i wewnętrznych powierzchni komponentów wykonanych drukiem 3D, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Chemicznej Politechniki w Mediolanie wraz z Rösler Italiana S. r. l. przeprowadził kompleksowe badanie. Badanie polegało na obróbce części o różnych kształtach i wewnętrznych kanałach o różnych średnicach (3; 5; 7,5 i 10 mm) przy użyciu obróbki masowej, śrutowania i chemicznie wspomaganej obróbki masowej. Wszystkie trzy systemy obróbki powierzchniowej dały zaskakująco podobne wyniki. Konwencjonalne masowe wykańczanie i śrutowanie konsekwentnie usuwało szczyty chropowatości i wytwarzało podobne profile chropowatości powierzchni. Najlepsze rezultaty osiągnięto jednak przy chemicznie wspomaganym masowym wykańczaniu: obrabiane elementy miały najgładszą powierzchnię, co wykazano przy stosunkowo niższych odczytach chropowatości powierzchni, oraz wykazywały typowe chemicznie przyspieszone wykończenie. Metoda masowej obróbki wykańczającej wspieranej chemiczne osiągnęła nie tylko najniższe wartości chropowatości powierzchni (Ra = 0,7 µm) ale również wymagała najkrótszego czasu cyklu. Wyniki wykazały również, że końcowe wartości chropowatości były mniej więcej identyczne zarówno w  pionowych jak i poziomych kanałach wewnętrznych.

Rysunek 2 Badanie polegało na obróbce części o różnych kształtach i wewnętrznych kanałach o różnych średnicach (3; 5; 7,5 i 10 mm)

Badania wykazały również, że masowe wykańczanie pozwala stworzyć wymagany efekt wygładzenia powierzchni wewnętrznych kanałów bez wpływu na ich geometrię. Obrabiane powierzchnie były wolne od luźnych pozostałości proszku oraz od “odprysków”.  Wszystkie trzy metody obróbki poprawiły odczyty chropowatości powierzchni na wewnętrznych obszarach kanału. Jednakże, jak już zaznaczono, chemicznie wspomagane masowe wykańczanie daje najlepsze rezultaty w najkrótszym czasie cyklu.

Rysunek 3 Porównanie charakterystyk chropowatości dla różnych stadiów obróbki wykończeniowej
Rysunek 4 Wszystkie trzy metody obróbki poprawiły odczyty chropowatości powierzchni na wewnętrznych obszarach kanału ale to chemicznie wspomagane masowe wykańczanie daje najlepsze rezultaty w najkrótszym czasie cyklu.

W pełni automatyczny proces obróbki wykończeniowej w jednej maszynie

Testy zostały przeprowadzone maszynie M3 firmy AM Solutions w jej dalszym etapie rozwoju. AM Solutions to marka grupy Rösler, specjalizuje się w postprocessingu komponentów drukowanych 3D i oferuje szereg odpowiednich rozwiązań sprzętowych. Obejmują one pełne spektrum obróbki końcowej wydruków 3D, od rozpakowywania wydruków, usuwanie struktur podporowych, usuwanie resztek proszku, aż po czyszczenie i wygładzanie powierzchni, zaokrąglanie krawędzi, polerowanie na wysoki połysk i przygotowania powierzchni do późniejszego barwienia.

Rysunek 5 AM-Solutions M3 – Automatyczny wibrator kołowy dla skomplikowanych detali

Dalszy rozwój istniejącego już systemu M3 pozwoli w przyszłości nie tylko na skuteczną i ukierunkowaną obróbkę struktur wewnętrznych  ale będzie to również w pełni zautomatyzowany system do konsekwentnego wykańczania elementów drukowanych 3D bez konieczności ręcznej pracy. Oczywiście załadunek i rozładunek elementów obrabianych również może być zautomatyzowany za pomocą robota, manipulatora. Precyzyjne dozowanie mediów obróbczych i związków chemicznych ze specjalnym uzupełnieniem i funkcja “Start” są również w pełni zautomatyzowane. W zależności od wymagań w zakresie wykończenia powierzchni można zaprogramować kilka procesów szlifowania i polerowania w odpowiedniej kolejności. Po automatycznym odprowadzeniu mediów z misy roboczej obrabiane elementy są zabierane z uchwytu mocującego. W razie potrzeby można oczywiście dodać oddzielny etap czyszczenia i suszenia, również w pełni zautomatyzowany.

Trudno dostępne, wewnętrzne kanały robocze do tej pory nie mogły być obrabiane w ogóle lub tylko przy wysokim stopniu pracy fizycznej. Zautomatyzowana obróbka końcowa komponentów AM pozwala teraz na wykonanie tej pracy w krótkim czasie przy ułamku kosztów, a przede wszystkim przy stałych, doskonałych i powtarzalnych rezultatach obróbki końcowej.

 

Tytuł oryginału: Efficient and fully automatic finishing of internal passages,
Źródło: AM-Solutions, https://www.solutions-for-am.com/de-en/news/detail/efficient-and-fully-automatic-finishing-of-internal-passages