Du meulage à la finition: des solutions de post-traitement pour la fabrication de compléments

Les pièces métalliques imprimées en 3D ont une faible charge de travail après la finition et le meulage a le potentiel d'être une solution efficace pour les tolérances finales.

L'utilisation répandue de la fabrication complémentaire sur les marchés aérospatial et médical a conduit à une demande croissante sur les surfaces des composants finis de surpresseur pour répondre aux demandes des applications finales. Le processus de fabrication par addition produit des composants proches de la forme finale, ce qui réduit considérablement le besoin de finition finale. Grâce à la fabrication par ajout de matériaux, les taux de déchets de matériaux peuvent être réduits pour faciliter le processus de fabrication global, mais cela signifie également que les processus de finition ultérieurs nécessitent des techniques de retraitement et une cohérence plus strictes. Par conséquent, il est important d'assurer la cohérence du post-traitement pour répondre aux tolérances des composants et aux exigences de qualité de surface. Le meulage peut être une autre option efficace pour la fabrication d'additionneurs dans les applications où les tolérances et les surfaces sont plus exigeantes. Le meulage se traduit par une meilleure qualité de surface et une meilleure intégrité que les autres procédés conventionnels d'enlèvement de matière. Pour en savoir plus sur la finition de la fabrication par addition, en particulier lorsqu'elle est appliquée à des composants en alliage haute température à base de nickel dans l'industrie aérospatiale, Norton. Les ingénieurs de Saint-Gobain ont affiné l'échantillon d'Inconel 718 composé d'add-ons. L'étude s'est concentrée sur trois questions: Quelle est la quantité / volume minimum de matériau qui doit être porté à partir des composants de l'additionneur? Quelle finition de surface peut-on obtenir en rectifiant les composants du servomoteur à l'aide de la dernière génération de meules? Troisièmement, quel est l'effet du meulage fin sur la contrainte résiduelle de surface (le cas échéant) des composants de fabrication des armatures?

Des échantillons de l'AM IN718 fabriqués à l'aide du procédé de frittage laser direct des métaux (DMLS) sont fournis par Stratasys Direct Manufacturing. La figure 1 montre un échantillon de test pour la fabrication de l'add-on. Après la fabrication de l'addition, l'échantillon est sablé avec du milieu et le stress est éliminé. Ceci est suivi par une isostation thermique, un traitement soluble dans le solide / un allumage et un durcissement par précipitation. La dureté de l'échantillon est de 40 HRC. Ensuite, utilisez Norton. La Magele MFP-125.50.65 du Saint-Gobain Higgins Grinding Technology Center broie par intermittence les échantillons de la meule Norton NQX60E24VTX2 sur la rectifieuse.

Tout d'abord, augmentez progressivement la profondeur de coupe, en broyant plusieurs zones, déterminez la quantité minimale de matière à éliminer, la surface du traitement de fabrication d'addition. Le meulage est ensuite effectué à la profondeur de coupe spécifiée, puis la surface est vérifiée pour des défauts évidents. La figure 4 montre une image de l'échantillon après que les composants ont été nettoyés pendant l'expérience. Selon les résultats expérimentaux, afin d'éliminer toute insistance géométrique et les défauts de surface résultant du processus de fabrication par addition, les matériaux de l'assemblage doivent être retirés d'environ 0,30 à 0,45 mm.

Ce test utilise une longueur de meulage de 50,8 mm, un diamètre de meule de 462 mm et une vitesse de travail de 23 m / s. Un total de cinq taux d'enlèvement de matière (MRR) ont été testés dans la plage de 0,1 mm3 / s / mm à 3,9 mm3 / s / mm. Ajustez le taux d'enlèvement de matière en modifiant la vitesse de rendement (mm / min) ou la profondeur de coupe (mm). Plusieurs taux d'enlèvement de matière ont été testés pour évaluer l'effet des taux d'enlèvement de matière faibles et moyens sur la finition de surface et la capacité de meulage. Bien que les alliages à base de nickel (par exemple l'Inconel 718) puissent être fraisés avec des abrasifs d'ingénierie modernes à un taux d'enlèvement élevé, l'étude a sélectionné un taux d'enlèvement de matière inférieur basé sur le taux de finition standard actuel pour la finition des pièces de travail Inconel standard dans l'industrie. Dans le cas du meulage de pièces usinées standard (sans addition d'addition), le résultat attendu est que lorsque le taux d'enlèvement de matière augmente et que la puissance de meulage augmente, l'état de surface (Ra) de la pièce à usiner augmente ou la surface devient plus rugueux.

Avant et après le meulage, l'état de surface de la pièce à usiner est mesuré à l'aide du système Federal Contact Profiler System 5000, qui comprend plusieurs positions et deux directions sur la pièce à usiner. De plus, des mesures de surface de jauge de profil sans contact sont effectuées à plusieurs endroits.

Avant le meulage, l'état de surface du matériau constitué de l'additionneur a été évalué et il a été constaté qu'il y avait de grandes différences de finition dans différentes directions de mesure. La finition moyenne était de 3,3 microns Ra lorsqu'elle est mesurée verticalement et de 2,1 µmRa lorsqu'elle est mesurée horizontalement. Cette différence significative ne se produit pas lors de la mesure de matériaux standard en Inconel 718 à l'état moulé. Cette différence semble être liée aux méthodes de fabrication 3D, mais la cause exacte n'est pas encore connue.

La méthode conventionnelle de mesure de l'état de surface après meulage à l'aide d'un profileur de contact consiste à être perpendiculaire à la ligne de meulage plutôt que parallèle à la ligne de meulage. Dans cette étude, l'état de surface a été mesuré dans deux directions parallèles à la ligne de meulage et perpendiculaires à la ligne de meulage. Les résultats mesurés après broyage sont ensuite comparés aux mesures longitudinales et latérales avant broyage.

Le fait est que lors de la mesure de la surface après le meulage dans une direction perpendiculaire à la ligne de meulage, l'aiguille traverse les pics et les creux de la ligne de meulage. Lors de la mesure dans une direction parallèle, l'aiguille se déplace parallèlement à la ligne de broyage et ne traverse jamais le sommet et la vallée. Par conséquent, sans surprise, dans cette étude, l'état de surface (rugueux) mesuré verticalement était significativement plus élevé que celui mesuré en parallèle.

Après avoir évalué l'état de surface du matériau fabriqué par le matériau avant et après le meulage, il a été constaté qu'il y avait des différences significatives de finition dans différentes directions de mesure. Dans cette étude, la mesure de l'état de surface a été réalisée parallèlement à la ligne de meulage et perpendiculairement à la ligne de meulage, et les résultats étaient en effet significativement différents. Lorsqu'elle est mesurée dans une direction parallèle, l'état de surface moyen avant le meulage est de 3,3 µmRa et de 0,21 µm après le meulage. Lors de la mesure verticale, l'état de surface moyen est de 2,1 µmRa avant le meulage et de 0,5 µmRa après le broyage.

De plus, les échantillons supplémentaires ont été analysés à l'aide du profileur de surface Theanovea 3D et de la technologie de chromatographie en lumière blanche pour visualiser les caractéristiques de la surface. Dans ce test, après réception de l'échantillon de fabrication ajouté, le grenaillage du milieu est réalisé avec du milieu en verre, en enlevant la partie surélevée de la surface. Les lignes visibles sur la surface après le meulage sont celles laissées par l'opération de meulage. Des meules ou d'autres produits polis, tels que du ruban abrasif technique, peuvent être utilisés pour réduire davantage les lignes de surface et créer des surfaces ultra-fines, à condition que cela soit essentiel pour les performances et la qualité des composants.

Pour mieux comprendre les effets du broyage sur l'intégrité de surface globale des échantillons am IN718, des mesures de contraintes résiduelles de surface ont été effectuées après réception et broyage des échantillons à l'aide du dispositif de micro-diffraction Bruker-AXS D8 Discover. En comparant les mesures de 6 positions différentes du même échantillon dans les deux états, on constate que la contrainte résiduelle de la surface proche est négative / il y a compression dans les deux conditions. Cette situation se produit principalement sur le composant après un meulage fin, et sa contrainte résiduelle près de la surface est compressible, ce qui peut retarder la propagation des fissures de surface et améliorer la résistance à la fatigue.

Au cours de la période d'étude, la puissance de broyage a été mesurée en fonction du taux d'enlèvement de 5 matériaux. Au fur et à mesure que le taux d'enlèvement de matière augmente, la puissance de meulage augmente également. Ce comportement existe dans la plupart des opérations de meulage. À une vitesse minimale de 0,1 mm3 / sec. / Mm, la puissance de crête pendant le meulage est de 1,4 kW. Au taux d'enlèvement de matière maximal de 3,9 mm3 / s / mm, la puissance de broyage est de 10,8 kW.

Les résultats de cette étude montrent que le broyage fin d'alliages à base de nickel à base d'addition (ex Inconel 718) peut réduire la rugosité de surface de près de 94% (parallèle aux lignes de broyage) ou 34% (perpendiculaire aux lignes de broyage). Sur demande, des surfaces ultrafines peuvent être obtenues à l'aide de meules ou d'autres produits de polissage avec une granularité abrasive plus fine, tels que des bandes abrasives techniques. De plus, les résultats montrent que pour améliorer la finesse de la surface, 0,30 à 0,45 mm de matériau doivent être retirés des composants et toutes les contraintes géométriques associées au processus de fabrication 3D doivent être supprimées. Les taux d'enlèvement minimum sont des informations clés pour les fabricants de matériaux, car ils s'efforcent de maximiser la forme presque nette des composants de fabrication de matériaux de la manière la plus rentable possible. De plus, les données de contrainte résiduelle montrent que la contrainte de surface après le meulage est compressible et peut retarder l'expansion des fissures de surface, prolongeant ainsi la durée de vie en fatigue des composants fabriqués.