Jaka jest rola obróbki cieplnej odprężającej w druku 3D metalu?

1. Sposób powstawania i zagrożenia naprężeniami szczątkowymi
Fizyczna natura akumulacji naprężeń termicznych
Wiązki laserowe lub elektronowe wytwarzają bardzo wysokie temperatury (ponad 2000 stopni) w małych miejscach podczas procesu drukowania 3D z metalu. To topi proszek metalowy i tworzy kałużę stopionego metalu. Kiedy wiązka lasera zostanie odsunięta, roztopione jeziorko szybko się ochładza i twardnieje, co powoduje zmianę temperatury w pobliskich miejscach. Ta nierówna rozszerzalność i kurczenie się cieplne tworzy skomplikowane pole naprężeń wewnątrz części. Podczas drukowania zamków lotniczych ze stopu tytanu zawieszona konstrukcja nie ma żadnego podparcia, a lokalne naprężenia mogą osiągnąć 80% granicy plastyczności materiału, czyli znacznie więcej niż granica nośności materiału.
Typowe problemy powodowane przez stres
Jeśli napięcie resztkowe nie zostanie szybko usunięte, spowoduje to trzy główne problemy:
Niestabilność geometryczna: Gdy napięcie jest zbyt duże, aby materiał związał się z podłożem, część wygnie się i zmieni kształt. Studium przypadku łopatki silnika lotniczego wykazało, że łopatka, która nie została poddana obróbce, po wydrukowaniu wygięła się o 3,2 mm, czyli znacznie więcej niż tolerancja 0,1 mm wymagana do montażu.
Inicjacja pęknięć: Miejscem, w którym narasta napięcie, jest prawdopodobnie miejsce, w którym zaczynają się pęknięcia. Podczas drukowania tarcz turbin ze-wysokotemperaturowego-niklu, częstość występowania pęknięć na nieobrobionych częściach wynosi 42%, ale po obróbce cieplnej spada do mniej niż 2%.
Pogorszenie wydajności: Naprężenia szczątkowe mogą skrócić żywotność materiałów. Eksperymenty wykazały, że stan nieobrobiony elementów ze stali nierdzewnej 316L skutkuje o 60% redukcją trwałości zmęczeniowej w wysokich cyklach w porównaniu ze stanem po-obróbce cieplnej.
2. Teoria techniczna i proces przeprowadzania obróbki cieplnej odprężającej
Fizyczny sposób na pozbycie się napięcia
Obróbka cieplna odprężająca oznacza podgrzewanie części do określonego zakresu temperatur (zazwyczaj od 0,4 do 0,6-krotności temperatury topnienia), aby materiał był bardzo giętki. W tej temperaturze zwiększa się zdolność atomów do poruszania się, a drobne wady, takie jak dyslokacje i dziury, ulegają reorganizacji, co powoli uwalnia wewnętrzne naprężenia w wyniku niewielkich odkształceń plastycznych. Biorąc za przykład stop-niklu Inconel 718, po 4 godzinach izolacji w temperaturze 620 stopni jego naprężenie szczątkowe można obniżyć z 380 MPa do mniej niż 50 MPa.
Dokładna kontrola parametrów procesu
Główne czynniki wpływające na obróbkę cieplną odprężającą to szybkość nagrzewania, temperatura izolacji, czas potrzebny do izolacji i sposób jej schładzania:
Szybkość nagrzewania: Nie należy nagrzewać się zbyt szybko, ponieważ może to spowodować dodatkowy stres. Szybkość nagrzewania części ze stopu aluminium powinna być utrzymywana na poziomie mniejszym lub równym 10 stopni/min.
Temperatura izolacji: zwykle zaprojektowana tak, aby była niższa niż temperatura, w której tworzą się kryształy. Normalny zakres temperatur obróbki cieplnej stopu tytanu Ti6Al4V wynosi od 593 do 649 stopni Celsjusza. To najlepszy sposób na złagodzenie napięć i poprawę struktury słojów.
Jak chłodzić: Stosuj chłodzenie piecem lub chłodzenie z kontrolowaną szybkością, aby uniknąć dodatkowego stresu wynikającego ze zbyt szybkiego chłodzenia. Przykład implantu medycznego pokazuje, że technika stopniowego chłodzenia (600 stopni → 400 stopni → temperatura pokojowa) może regulować deformację elementów w zakresie 0,05 mm.
Korzyści ze środowiska próżniowego
Próżniowa obróbka cieplna stała się najlepszym wyborem-w przypadku produkcji wysokiej klasy, ponieważ eliminuje ryzyko utleniania i zanieczyszczenia. Testy przeprowadzone przez firmę TAV Vacuum Furnace Company wykazały, że elementy ze stali nierdzewnej 316L poddawane-obróbce cieplnej w próżni mają o 40% gładszą powierzchnię i o 25% lepszą odporność na korozję niż części-poddawane obróbce cieplnej w powietrzu. Ponadto atmosfera próżniowa może zapobiec problemom takim jak kruchość wodorowa, co czyni ją idealną dla przemysłu lotniczego, gdzie czystość materiału jest bardzo ważna.
3. Przydatność obróbki cieplnej odprężającej w świecie rzeczywistym i biznesie
Gwarancja wydajności w przemyśle lotniczym
Obróbka cieplna odprężająca jest ważnym krokiem w produkcji łopatek silników lotniczych, ponieważ zapewnia niezawodność części. Firma GE Aviation udoskonaliła technikę obróbki cieplnej, dzięki czemu zmniejsza naprężenia szczątkowe w ostrzach ze stopu monokrystalicznego-niklu o 75% i zwiększa ich trwałość trzykrotnie. Trwałość zmęczeniowa tarczy turbiny w niskim cyklu w pewnym typie silnika turbowentylatorowego wzrosła z 500 do 2000 cykli po obróbce cieplnej. Spełnia to wymagania projektu o długiej-żywotności.
Poprawa biokompatybilności implantów medycznych
Implanty ortopedyczne wykonane ze stopu tytanu muszą być zarówno bardzo mocne, jak i bardzo elastyczne. Obróbka cieplna odprężająca może obniżyć moduł sprężystości implantów i pozbyć się naprężeń procesowych, co może pomóc zmniejszyć „efekt ekranowania naprężeń”. Dowody eksperymentalne wskazują, że moduł implantów Ti6Al4V po-obróbce cieplnej zmniejsza się ze 110 GPa do 85 GPa, dopasowując się bliżej do ludzkiej tkanki kostnej (10–30 GPa) i znacznie poprawiając integrację kości.
Produkcja form z precyzyjną kontrolą
Podczas drukowania 3D stali formierskiej obróbka cieplna odprężająca może zapobiec odkształceniom termicznym podczas procesu drukowania i zapewnić odpowiedni rozmiar wnęki formy. Pewna obudowa formy samochodowej wskazuje, że po obróbce cieplnej tolerancja wymiarowa wnęki formy waha się od ± 0,1 mm do ± 0,02 mm, co jest potrzebne do precyzyjnego formowania wtryskowego. Jednocześnie obróbka cieplna może sprawić, że forma będzie bardziej odporna na zużycie, co może podwoić lub potroić jej żywotność.