Ali bo toplotna obdelava kovinskega 3D tiskanja povzročila deformacijo?

一, Tehnično bistvo toplotne obdelave: organizacijska regulacija in optimizacija delovanja
Segrevanje, izolacija in hlajenje kovinskih materialov med toplotno obdelavo spremeni njihovo mikrostrukturo, kar izboljša njihove mehanske lastnosti. Pri 3D tiskanju kovin so glavni cilji toplotne obdelave:
Znebite se preostale napetosti: Ko je material natisnjen, gre skozi hitre cikle segrevanja in ohlajanja, kar povzroči, da se notranja mreža upogne in ustvari preostalo napetost. Za razbremenitev napetosti se del segreje pod temperaturo rekristalizacije materiala (na primer držanje titanove zlitine pri 800 stopinjah 2 uri). To sprosti mrežo in zmanjša nevarnost deformacije med kasnejšo obdelavo ali uporabo.
Izboljšanje strukture zrna: obdelava s trdno raztopino (kot je aluminijeva zlitina 7075 pri 470 stopinjah) lahko razgradi faze utrjevanja, medtem ko lahko obdelava s staranjem (kot je 120 stopinj za 24 ur) povzroči nastanek precipitacijskih faz v nanometru, kar ima za posledico skupno povečanje trdnosti in žilavosti. Zaradi tega postopka so zrna manjša in je manj verjetno, da bodo spremenila prostornino, ko se spremeni faza, zaradi česar je nagnjenost k deformaciji manjša.
Odpravljanje notranjih težav: Tehnologija vročega izostatičnega stiskanja (HIP) sinergistično poveča gostoto materialov na več kot 99,9 % s kombinacijo visokega tlaka 100–150 MPa in visoke temperature 1000–1200 stopinj, zapira mikrorazpoke in pore ter odpravlja lokalno koncentracijo napetosti, ki jo povzroča neenakomerno krčenje.
2, Mehanizem deformacije, ki jo povzroča toplotna obdelava, je kombiniran učinek toplotne obremenitve in sprememb v mikrostrukturi.
Cilj toplotne obdelave je, da se znebimo nevarnosti deformacije, vendar pa lahko, če je izvedena napačno, pride do novih deformacij. Glavni načini, kako se to zgodi, so:
Kopičenje toplotne obremenitve: ko se del segreva in ohlaja, temperaturna razlika med zunanjostjo in notranjostjo dela povzroči različno širjenje in krčenje dela, kar ustvarja toplotno obremenitev. Ko se tankostenski deli na primer hitro ohladijo, se zunanjost skrči hitreje kot notranjost. To lahko povzroči, da se predmet popači ali zvije.
Sprememba obsega organizacijske transformacije: Spremembe v gostoti materiala med procesom faznega prehoda povzročijo, da se obseg zmanjša ali poveča. Na primer, ko pride do martenzitne transformacije, je prostornina večja in če sprostitev napetosti ni gladka, lahko povzroči razpoke.
Kako podporna struktura vpliva: Območje, kjer se tiskovni nosilec in substrat združita, bo med toplotno obdelavo verjetno postalo točka koncentracije napetosti. Če zasnova nosilca ni pravilna, se lahko upogne, ko se nosilec odstrani po toplotni obdelavi zaradi sprostitve napetosti na enem območju.
3, Strategija za nadzor deformacije: izboljšanje procesov in priprava novih tehnologij
Da bi uravnotežili učinke toplotne obdelave in tveganje deformacije, je industrija oblikovala sistematičen načrt upravljanja, ki obravnava tri področja: materiale, procese in opremo:
1. Izbira materialov in njihova priprava
Zlitine na osnovi niklja, kot je Inconel 718, imajo nižji koeficient toplotnega raztezanja (12,5 × 10 ⁻⁶/ stopinjo) kot titanove zlitine (8,6 × 10 ⁻⁶/ stopinjo). To pomeni, da lahko pomagajo preprečiti kopičenje toplotne obremenitve.
Oblikovanje pred deformacijo: uporabite simulacijsko programsko opremo, kot je VoxelDance Engineering, da predvidite, kako bi toplotna obdelava spremenila obliko materiala. Nato uporabite povratno pred-deformacijo na izvirnem modelu, da bo kompenzirani model po toplotni obdelavi prave velikosti. Na primer, po pred-prilagoditvi popačenja se je natančnost tiskanja tanko{4}}stenskega dela s posebno ukrivljeno površino izboljšala za 66,2 % in 98,6 % pomembnega deformacijskega območja je bilo odstranjenega.
2. Izboljšanje parametrov procesa
Ogrevanje in hlajenje po delih: Uporaba strategije postopnega ogrevanja (na primer držanje pri 50 stopinjah 30 minut) in zakasnjeno hlajenje (na primer hlajenje z zrakom po ohlajanju peči na 200 stopinj), da se zmanjša toplotna obremenitev, ki jo povzročajo temperaturne spremembe. Na primer, po obdelavi HIP turbinske lopatice letalskih motorjev GE zdržijo trikrat dlje in ne spremenijo oblike več kot 0,05 % časa.
Tehnologija za usmerjeno kristalizacijo: postopek usmerjene kristalizacije MIT prilagodi hitrost segrevanja (na primer 2,5 cm/h) in temperaturo (1235 stopinj), da zrna rastejo v določeni smeri v stebraste formacije. Zaradi tega je material bolj odporen proti lezenju in manjša verjetnost, da se bo pri visokih temperaturah deformiral.
3. Nova orodja in napeljave
Prilagodljiv sistem pritrditve: Laboratorij Fraunhofer ILPT v Nemčiji je ustvaril prilagodljivo napravo, ki uporablja dušikove plinske vzmeti za zagotavljanje dinamične vpenjalne sile, kompenzira razlike v toplotnem raztezanju med tiskanjem in preprečuje, da bi se strukture s tankimi{2}}stenami 3 m × 2 m deformirale za več kot ± 0,3 mm.
Tehnologija lokalne toplotne obdelave: indukcijsko segrevanje ali laserska lokalna toplotna obdelava se uporablja na velikih kosih, da se prepreči deformacija, ko se segrejejo po celem telesu. Določen letalski nosilec je na primer dosegel natezno trdnost 520 MPa in dimenzijsko stabilnost večjo od ± 0,1 mm zaradi obdelave z lokalno raztopino.
4, Mejni primer: Nova uporaba deformacije pri toplotni obdelavi
Boeing uporablja trdno raztopino in tehniko obdelave s staranjem v vesoljski industriji, da naredi 3D-natisnjene nosilce letal močnejše z natezno trdnostjo 520 MPa. Hkrati zasnova pred-deformacije ohranja deformacijo znotraj ± 0,05 mm, da izpolnjuje stroge aerodinamične standarde.
Medicinski vsadki: Določeno podjetje se je domislilo novega načina izdelave acetabularnih skodelic iz titanove zlitine s kombiniranjem "žarjenja za lajšanje stresa" s "kislinskim jedkanjem". Ta postopek odstrani notranjo napetost z žarjenjem in nato s kislinskim jedkanjem ustvari mikroporozno strukturo velikosti od 5 do 10 μm. To pomaga pri rasti kostnih celic brez spreminjanja velikosti čaš.
Energetska oprema: Siemens Energy izdeluje lopatice plinskih turbin s tehnologijo HIP+usmerjene kristalizacije. Zaradi tega je material 99,95 % gost in je za 40 % bolj odporen proti lezenju. Deluje lahko 100.000 ur, ne da bi spremenil obliko pri temperaturi 1200 stopinj.