Czy wszystkie metalowe części drukowane w 3D wymagają obróbki cieplnej?

1. Głównym zadaniem obróbki cieplnej jest pozbycie się wad i usprawnienie działania.
Procesy ogrzewania, izolowania i chłodzenia mogą znacznie poprawić mikrostrukturę metalowych części drukowanych w 3D poprzez obróbkę cieplną. Dzięki temu części działają ogólnie lepiej.
Pozbycie się naprężeń szczątkowych: Nierównomierne chłodzenie i krzepnięcie podczas drukowania może łatwo spowodować naprężenia szczątkowe wewnątrz elementów, co może spowodować ich wygięcie lub pęknięcie. Powolne chłodzenie w całym procesie wyżarzania może pomóc złagodzić stres. Na przykład po wyżarzaniu stopień redukcji naprężeń w częściach konstrukcyjnych przemysłu lotniczego może wynosić ponad 80%.
Poprawa właściwości mechanicznych: Hartowanie i odpuszczanie razem mogą sprawić, że rzeczy będą znacznie twardsze i mocniejsze. Na przykład po hartowaniu stal nierdzewna 316L jest o 30% twardsza i bardziej odporna na zużycie, dzięki czemu nadaje się do części mechanicznych, które muszą przenosić duży ciężar.
Rozdrobnienie ziarna: Proces rekrystalizacji kierunkowej zarządza gradientem termicznym w celu stopienia drobnych ziaren w kryształy kolumnowe. Dzięki temu materiał jest bardziej odporny na pełzanie w wysokich temperaturach. Badania MIT wskazują, że po obróbce metodą rekrystalizacji kierunkowej wielkość ziaren wysokotemperaturowych stopów-na bazie niklu- wzrasta o kilka rzędów wielkości, a czas pełzania trwa znacznie dłużej.
Obróbka zagęszczająca: Prasowanie izostatyczne na gorąco (HIP) pozwala pozbyć się porów wewnętrznych za pomocą wysokiej temperatury i wysokiego ciśnienia. Dzięki temu gęstość materiału wynosi prawie 100%. Na przykład obróbka HIP zwiększyła trwałość zmęczeniową tarcz turbin w silnikach lotniczych w niskich cyklach z 5000 do 20000 cykli.
2. Sytuacje bez obróbki cieplnej: poprawa właściwości i procesów materiałów
Chociaż obróbka cieplna ma wiele zalet, komponenty można wykorzystać od razu, bez dodatkowej pracy, w następujących sytuacjach:
Części, które nie wymagają dużego naprężenia: Jeśli konstrukcja części jest podstawowa, rozmiar jest skromny i nie przejmuje się naprężeniami szczątkowymi, nie ma potrzeby jej wyżarzania. Na przykład drobne elementy dekoracyjne lub-nienośne-części konstrukcyjne prawdopodobnie nie odkształcą się i nie sprawią, że obróbka cieplna będzie warta swojej ceny.
Różne kombinacje materiałów i procesów: Niektóre materiały utworzyły podczas drukowania doskonałe mikrostruktury. Na przykład technika selektywnego topienia wiązką elektronów (EBSM) schładza się wolniej, co oznacza, że ​​części drukowane ze stopu tytanu (Ti6Al4V) nie stają się tak grube, co jest dobre w przypadku implantów medycznych, ponieważ muszą być biokompatybilne.
Scenariusz zwrócenia uwagi na jakość powierzchni: Jeśli część musi być bardzo gładka, obróbka cieplna może spowodować jej utlenienie lub zmianę kształtu. Na tym etapie obróbkę cieplną można zastąpić metodami obróbki powierzchni, w tym polerowaniem chemicznym i polerowaniem laserowym. Po polerowaniu elektrochemicznym chropowatość powierzchni porowatych implantów ze stopu tytanu spada z 6–12 µm do 0,2–1 µm bez konieczności dalszej obróbki cieplnej.
Weryfikacja szybkiego prototypowania: Obróbka cieplna może wydłużyć cykl rozwoju na etapie projektowania produktu. Na przykład zintegrowany elastyczny zawias w obszarze elektroniki użytkowej wymaga szybkiego wykonania części prototypowych, a bezpośrednie wykorzystanie części drukowanych może przyspieszyć proces weryfikacji.
3. Ramy podejmowania decyzji: Znalezienie właściwej równowagi pomiędzy wydajnością, kosztami i efektywnością
Aby podjąć decyzję o zastosowaniu obróbki cieplnej, konieczne jest dokładne przyjrzenie się następującym zmiennym:
Wymagania funkcjonalne: Części lotnicze muszą być w stanie wytrzymać ogromne temperatury i naprężenia, dlatego ważna jest obróbka cieplna.
Implanty medyczne muszą być mocne i bezpieczne dla organizmu, a wyżarzanie lub obróbka HIP może pomóc im lepiej działać.
Jeśli liczy się tylko wygląd rzeźb artystycznych lub eksponatów, można pominąć obróbkę cieplną, aby zaoszczędzić pieniądze.
Wysokotemperaturowe-stopy na bazie niklu-prawdopodobnie pękają, dlatego wymagają stałego roztworu i obróbki starzeniowej, aby zwiększyć ich wytrzymałość.
Części wykonane ze stopu aluminium (takiego jak AlSi10Mg) zawierają mikroskopijne ziarna, dzięki czemu od razu są lekkie.
Rodzaj procesu: Proces topienia w złożu proszkowym (PBF) wymaga wyżarzania, ponieważ szybko się ochładza i pozostawia po sobie duże napięcie.
Ponieważ charakteryzuje się dużym dopływem ciepła i niskim poziomem naprężeń, technika ukierunkowanego osadzania energii (DED) zmniejsza potrzebę obróbki cieplnej.
Ograniczenia kosztów: sprzęt HIP jest drogi w zakupie i eksploatacji, przez co małe i średnie{0}}przedsiębiorstwa nie mogą sobie na niego pozwolić. Muszą znaleźć kompromis między wydajnością a kosztami.
Obróbka cieplna skomplikowanych elementów konstrukcyjnych może spowodować zmianę ich kształtu. Aby tego uniknąć, należy zastosować optymalizację symulacyjną do wsparcia projektowania i zwiększenia nakładów na badania i rozwój.