Zakaj je po kovinskem 3D tiskanju potrebna toplotna obdelava?

1. Odprava preostale napetosti je ključ do zaustavitve deformacij in razpok.
Med postopkom 3D-tiskanja kovine gre material skozi hitre cikle segrevanja in ohlajanja, kar pušča preostale napetosti v izdelkih. Na primer, pri postopku laserskega taljenja prahu (LPBF) se talilni bazen hitro ohladi, kar lahko povzroči obremenitev okoliške kovine, ki se še ni stopila. Del se lahko upogne, poči ali preseže omejitev velikosti, če je obremenitev materiala prevelika. Na primer, lopatice letalskih motorjev iz titanove zlitine imajo tanke stene. Če po tiskanju niso toplotno-obdelani, lahko zaradi preostale napetosti med obdelavo ali uporabo nepričakovano počijo, kar bi bilo zelo nevarno.
Žarjenje za zmanjšanje napetosti in druge metode toplotne obdelave se lahko zelo dobro znebijo preostale napetosti. Med postopkom žarjenja se kosi segrejejo na temperaturo pod rekristalizacijsko točko (običajno 50 % do 70 % tališča materiala), tam ostanejo določen čas in se nato postopno ohladijo. V tem času se notranje dislokacije materiala prerazporedijo, zrna si opomorejo in rekristalizirajo, napetost pa se sprosti. Na primer, posebna vrsta turbinskega diska je bila žarjena pri 650 stopinjah 4 ure, kar je znižalo preostalo napetost s 320 MPa na 80 MPa in deformacijo za 90 %. To je zagotovilo, da bo obdelava natančna.
2. Izboljšanje mikrostrukture: izboljšanje splošnega delovanja materialov
Hitro strjevanje kovinskega 3D-tiska lahko povzroči grobo mikrostrukturo in segregacijo kompozicije, kar lahko poškoduje delovanje delov. Na primer, nerjaveče jeklo 316L, natisnjeno z LPBF-, ima lahko grobe stebričaste kristale, njegova odpornost proti utrujenosti pa je za 40 % manjša kot pri kovanem jeklu. Toplotna obdelava lahko izboljša delovanje stvari z nadzorom mikrostrukture:
Rafiniranje zrn: med žarjenjem lahko proces rekristalizacije zmanjša zrna. Na primer, žarjenje natisnjenih delov iz aluminijeve zlitine pri 350 stopinjah za 2 uri zmanjša velikost zrn s 100 μm na 20 μm in poveča mejo tečenja za 15 %.
Nadzor nad fazno spremembo: Ko jeklo kalite in popuščate, lahko ustvarite dvo{0}}fazno strukturo, ki jo sestavljata martenzit in preostali avstenit. Trdota natisnjenih komponent iz kalupnega jekla na primer doseže 58 HRC, potem ko so bili kaljeni pri 1050 stopinjah in kaljeni pri 200 stopinjah. Odpornost proti obrabi je trikrat večja kot pri delih, ki niso bili obdelani.
Odprava napak: sinergijsko delovanje visoke temperature (običajno 0,7–0,9-kratnik tališča materiala) in visokega tlaka (100–200 MPa) pri obdelavi z vročim izostatičnim stiskanjem (HIP) lahko zapre notranje luknje in mikrorazpoke v delih. Po obdelavi HIP se je gostota delov iz visoko-temperaturne zlitine za določen letalski motor povečala z 99,2 % na 99,99 %, deli pa so zdržali 5-krat dlje.
3. Izpolnjujte visoke-standarde trdnosti za izboljšanje mehanske učinkovitosti.
Mehanske lastnosti kovinskih 3D-natisnjenih predmetov pogosto niso tako dobre kot tisti, izdelani s tradicionalnimi metodami. Vendar jih lahko toplotna obdelava naredi veliko močnejše, trše in žilave.
Obdelava s kaljenjem naredi martenzitno strukturo s hitrim ohlajanjem, kar jo naredi veliko tršo. Na primer, natezna trdnost tiskanih delov iz visokotemperaturne zlitine na osnovi-niklja-je šla z 850 MPa na 1200 MPa po kaljenju pri 1120 stopinjah.
Boljša žilavost: s kaljenjem se lahko znebite stresa zaradi gašenja in naredite stvari trše. Na primer, po kaljenju in popuščanju pri 550 stopinjah se je udarna žilavost tiskanega odseka gredi menjalnika avtomobila povečala s 15J/cm² na 35J/cm², kar je izpolnjevalo varnostne standarde za trke.
Povečanje zmogljivosti ob utrujenosti: Toplotna obdelava lahko močno podaljša življenjsko dobo materiala z nadzorom njegove mikrostrukture in preostale napetosti. Na primer, dvakratno žarjenje (700 stopinj za 2 uri in 500 stopinj za 4 ure) je zvišalo mejo utrujenosti ortopedskih vsadkov iz titanove zlitine s 450 MPa na 600 MPa, kar je dovolj, da vzdrži dolgoročno-težo telesa.
4. Poskrbite, da bodo dimenzije ostale stabilne: ujemajte se s standardi za natančno montažo.
Po tiskanju lahko kovinski 3D-natisnjeni kosi spremenijo velikost zaradi sprostitve preostale napetosti ali sprememb v mikrostrukturi. Zaradi tega jih je težje pravilno sestaviti. Toplotna obdelava lahko bistveno izboljša dimenzijsko stabilnost s stabilizacijo mikrostrukture in odpravo napetosti.
Nižja deformacija: obdelava z žarjenjem lahko zmanjša razliko v koeficientu toplotnega raztezanja med deli in manjšo obdelovalno deformacijo. Na primer, po žarjenju se je odstopanje premera tiskanega dela za prenosnik toplote s kompleksnim pretočnim kanalom zmanjšalo z ± 0,15 mm na ± 0,05 mm, kar je ustrezalo standardom za tesnilne tekočine.
Stabilnost skozi čas: Umetno staranje in drugi postopki staranja se lahko znebijo prenasičenih trdnih raztopin v materialih in preprečijo, da bi sčasoma preveč spremenili velikost. Na primer, stopnja spremembe velikosti tiskanih delov iz aluminijeve zlitine je po 8-urnem staranju pri 170 stopinjah padla z 0,3 % na leto na 0,05 % na leto. To je zadovoljilo dolgoročne-potrebe po storitvah letalstva.
5. Zadovoljevanje edinstvenih potreb po zmogljivosti: razširitev obsega uporabe
Toplotna obdelava lahko kovinskim 3D-natisnjenim predmetom zagotovi tudi posebne lastnosti, zaradi česar so uporabni na več mestih:
Izboljšana odpornost proti koroziji: obdelava s trdno raztopino lahko raztopi drugo fazo v materialu, zaradi česar je manj verjetno, da bo korodiral z elektrokemičnimi sredstvi. Na primer, po obdelavi z raztopino pri 1050 stopinjah se je potencial luknjanja tiskanih komponent iz nerjavečega jekla 316L povečal s 320 mV na 450 mV, kar je dobro za uporabo v pomorskih razmerah.
Nadzor magnetnih lastnosti: Toplotna obdelava lahko spremeni orientacijo zrn in preostalo napetost mehkih magnetnih materialov, da izboljša njihove magnetne lastnosti. Na primer, po segrevanju na 750 stopinj se magnetna prepustnost danega dela elektromagnetnega ventila poveča za 20 %, količina energije, ki jo porabi, pa se zmanjša za 15 %.
Izboljšanje biokompatibilnosti: medicinske vsadke je treba segreti, da se znebite površinskih kontaminantov in ustvarite pasivni film. Po kislem pranju in žarjenju pri 500 stopinjah je na primer površinska hrapavost Ra ortopedskih vsadkov iz titanove zlitine šla s 3,2 μm na 0,8 μm, stopnja celične adhezije pa se je povečala za 40 %.