Zakaj 3D natisnjeni deli medicinske kovine zahtevajo toplotno obdelavo?

Po čem je kovinsko 3D tiskanje drugačno

Laserski tisk na kovinogradi dele plast za plastjo. Visok{1}}laser z visoko močjo selektivno tali kovinski prah in ustvari ekstremne toplotne gradiente, ko se vsaka plast hitro tali in strdi. Ti ponavljajoči se cikli ustvarjajo znatno preostalo napetost in ne-enotne mikrostrukture.

Kot-izdelani kovinski 3D-natisnjeni deli se izrazito razlikujejo od tradicionalno kovanih ali ulitih ekvivalentov. Pogosto imajo višjo natezno trdnost, vendar manjšo duktilnost, anizotropne lastnosti in notranje napetosti, ki lahko dosežejo mejo tečenja materiala. To ustvarja vrzel v zmogljivosti, ki je medicinske aplikacije -, ki zahtevajo visoko odpornost na utrujenost in dolgo{5}}stabilnost pri cikličnih obremenitvah -, ne prenesejo.

Proizvajalec ortopedskih izdelkov je ugotovil, da ima-izdelani SLM Ti-6Al-4V 15–20 % nižjo življenjsko dobo zaradi utrujenosti kot toplotno-ekvivalenti. Pri nosilnih vsadkih lahko ta razlika določa dolgoročni uspeh ali neuspeh.

Trije ključni problemi, ki jih rešuje toplotna obdelava

Težava 1 - Preostala napetost: Hitro segrevanje in ohlajanje povzročata natezne napetosti na površini in tlačne napetosti v notranjosti. To lahko povzroči deformacijo, razpoke ali prezgodnjo odpoved pod obremenitvijo.

Težava 2 - Mikrostrukturna nestabilnost: stebrasta zrna, martenzitne faze (v titanu) in pomanjkanje homogenizacije povzročajo anizotropno obnašanje in zmanjšano žilavost.

Težava 3 - Pomanjkanje mehanskih lastnosti: Kot-zgrajeni deli pogosto nimajo optimalnega ravnovesja trdnosti, duktilnosti in odpornosti proti utrujenosti, ki se zahteva za vsadke.

Podatkovna tabela: Kako-izdelano v primerjavi s toplotno{1}}obdelano Ti-6Al-4V SLM

Kovinski 3D tiskzmanjšanje preostale napetosti in optimizirana mikrostruktura sta bistvena za delovanje.

Vrste toplotne obdelave, ki se uporabljajo za 3D-natisnjene dele medicinske kovine

Žarjenje za razbremenitev napetosti: korak najnižje temperature za zmanjšanje preostalih napetosti brez večjih mikrostrukturnih sprememb.

Obdelava raztopine in staranje (STA): Optimizira trdnost in duktilnost titanovih zlitin.

Vroče izostatično stiskanje (HIP): uporablja toploto in visok pritisk za zapiranje poroznosti in izboljšanje življenjske dobe.

Žarjenje za 316L in CoCr: Stabilizira mikrostrukturo in razbremeni stres.

Tiskani deli EBM- imajo na splošno manjšo preostalo napetost kot deli SLM zaradi višjih temperatur izdelave, kar zahteva različne protokole.

Podatkovna tabela: običajne toplotne obdelave

Material-za-Zahteve glede toplotne obdelave materiala

Ti-6Al-4V: Najpogostejši in niansiran. Zahteva skrben nadzor za doseganje lamelne ali enakoosne mikrostrukture ob ohranjanju biokompatibilnosti.

Nerjaveče jeklo 316L: Osredotočite se na lajšanje napetosti in izogibanje preobčutljivosti (obarjanje kromovega karbida).

CoCr zlitine: nadzor tvorbe karbida za odpornost proti obrabi pri zobozdravstveni/ortopedski uporabi.

Inconel: precipitacijsko utrjevanje za aplikacije z visoko{0}}trdnostjo.

Uporaba nepravilnih parametrov lahko povzroči rast zrn, popačenje ali zmanjšano odpornost proti koroziji.

HIP - Toplotna obdelava, ki je dvojna

Vroče izostatično stiskanje (HIP) hkrati uporablja visoko temperaturo in izostatični tlak plina. Zapre notranjo poroznost (običajno pri SLM), ki je drugi tretmaji ne morejo v celoti obravnavati, in znatno poveča učinkovitost proti utrujenosti.

HIP pogosto izboljša življenjsko dobo proti utrujenosti za 30–100 %+ v SLM Ti-6Al-4V z odpravo mest nastanka razpok. Pogosto je potreben za kritične vsadke, čeprav lahko za aplikacije z manjšim-tveganjem zadostuje že sama razbremenitev. Vodilni proizvajalci integrirajo HIP zaradi njegove odlične stroškovne učinkovitosti v visoko zmogljive dele.

Kako toplotna obdelava vpliva na druge korake po-obdelave

Zaporedje je pomembno. Toplotna obdelava se običajno izvede pred končno obdelavo, da se zmanjša napetost in zmanjša popačenje med obdelavo. Lahko povzroči manjše spremembe dimenzij (0,1–0,5 %), ki jih je treba upoštevati pri načrtovanju. Površinska obdelava in elektropoliranje običajno sledita toplotni obdelavi.

Podatkovna tabela: Možnosti zaporedja-obdelave

Scenariji iz-resničnega sveta

Primer 1: hrbtenična kletka z visoko preostalo napetostjo, zlomljena pod ciklično obremenitvijo pri testiranju.

Primer 2: CoCr zobni okvir je med sterilizacijo pokazal dimenzijski zamik zaradi mikrostrukturne nestabilnosti.

Primer 3: Ortopedska plošča Ti-6Al-4V je uspešno opravila statične preskuse, vendar ni prestala utrujenosti; Zdravljenje HIP je izboljšalo življenjsko dobo utrujenosti za ~40 %.

Ti primeri poudarjajo tveganja preskoka vsadkov za lajšanje napetosti pri aditivni proizvodnji.

Pogosto zastavljena vprašanja

Zakaj kovinski 3D natisnjeni deli potrebujejo toplotno obdelavo?

Za razbremenitev preostalih napetosti, homogenizacijo mikrostrukture, zapiranje poroznosti in doseganje mehanskih lastnosti, potrebnih za varno medicinsko uporabo.

Katera je najboljša toplotna obdelava za medicinske vsadke SLM Ti-6Al-4V?

Pogosto kombinacija razbremenitve stresa ali HIP, ki ji sledi obdelava z raztopino in staranje, odvisno od posebnih zahtev.

Ali HIP nadomešča žarjenje za razbremenitev napetosti za 3D-tiskanje kovin?

HIP lahko služi obema namenoma, vendar je dražji; veliko delovnih tokov najprej uporablja razbremenitev stresa in HIP za kritične dele.

Kako toplotna obdelava izboljša življenjsko dobo lasersko natisnjenih kovinskih delov?

Z zmanjšanjem preostale napetosti in odpravo poroznosti, ki deluje kot mesto začetka razpok.

Kaj se zgodi, če preskočite toplotno obdelavo kovinskega 3D natisnjenega vsadka?

Povečano tveganje za popačenje, razpoke, prezgodnjo utrujenost in ne-skladnost s predpisi.

Kako naj vem, ali moj dobavitelj kovinskega 3D-tiskanja pravilno toplotno obdeluje svoje dele?

Zahtevajte podrobne parametre cikla, validacijske podatke, zapise o peči in rezultate mehanskih preskusov na obdelanih kuponih.