Introduzione: il ruolo chiave del trattamento termico nella catena del processo di stampa 3D
Durante il processo di stampaggio di parti stampate in 3D, all'interno spesso si accumulano notevoli stress termici e stress residui a causa dei rapidi cicli di riscaldamento e raffreddamento. Queste sollecitazioni non solo influiscono sulla stabilità dimensionale della parte, ma possono anche portare a problemi quali deformazioni, fessurazioni e perdita di resistenza. Il trattamento termico è un anello chiave nella catena del processo di post-elaborazione della stampa 3D. Controllando accuratamente la temperatura di riscaldamento, il tempo di mantenimento e la velocità di raffreddamento, è possibile eliminare efficacemente lo stress interno e ottimizzare la microstruttura, migliorando così in modo significativo le proprietà meccaniche complessive della parte.
Diversi processi di stampa 3D si basano sul trattamento termico a vari livelli. A causa del gradiente di temperatura e della velocità di raffreddamento estremamente elevati durante il processo di stampaggio della stampa 3D in metallo (SLM, EBM, DED), quasi tutte le parti stampate richiedono un trattamento termico adeguato per soddisfare i requisiti delle applicazioni ingegneristiche; le parti stampate in polimero (FDM, SLS, SLA) vengono ricotte o polimerizzate selettivamente in base alle proprietà del materiale e agli scenari applicativi. Questo articolo introdurrà sistematicamente il processo di trattamento termico di vari tipi di materiali di stampa 3D, dai principi di base alle operazioni pratiche, fornendo un riferimento alle aziende per stabilire un sistema di post-elaborazione completo.
Ricottura di distensione di parti metalliche stampate in 3D
La ricottura di distensione di parti metalliche stampate in 3D è il processo di trattamento termico più utilizzato. Prendendo come esempio la lega di alluminio (AlSi10Mg), lo stress residuo delle parti stampate può raggiungere il 50%-80% del limite di snervamento del materiale. Se la distensione non viene eseguita, durante la lavorazione successiva potrebbero verificarsi gravi deformazioni. La ricottura di distensione viene solitamente mantenuta a 300°C-350°C per 2-4 ore, seguita da un lento raffreddamento a temperatura ambiente nel forno. Per la lega di titanio (Ti-6Al-4V), la temperatura di distensione è solitamente compresa tra 650°C e 750°C e il tempo di mantenimento è determinato in base allo spessore della parete della parte.
I parametri chiave della ricottura di distensione includono la velocità di riscaldamento, la temperatura di mantenimento e la velocità di raffreddamento. Se la velocità di riscaldamento è troppo rapida, il gradiente di temperatura interna della parte aumenterà, introducendo nuovo stress termico; se il tempo di tenuta è insufficiente, la tensione residua non può essere completamente rilasciata. La fase di raffreddamento è particolarmente importante. È necessario utilizzare il raffreddamento del forno o una velocità di raffreddamento controllata per evitare nuove sollecitazioni causate dal raffreddamento rapido. Per le stampe su metallo di grandi dimensioni, si consiglia di utilizzare un processo di riscaldamento e raffreddamento segmentato per ridurre ulteriormente l'impatto dei gradienti di temperatura.
La scelta dell'atmosfera del trattamento termico influisce anche sulla qualità dei pezzi. Per i metalli attivi come le leghe di titanio, il trattamento termico deve essere effettuato in atmosfera protettiva sotto vuoto o argon per prevenire l'ossidazione ad alta temperatura. Le leghe di alluminio possono essere lavorate in atmosfera atmosferica, ma è necessario prestare attenzione al controllo del tempo di permanenza per evitare una diminuzione della resistenza dovuta all'invecchiamento eccessivo. Il processo di trattamento termico per l'acciaio inossidabile (316L, 17-4PH) è relativamente tollerante, ma gli acciai inossidabili indurenti per precipitazione richiedono un controllo preciso della temperatura e del tempo di invecchiamento per raggiungere il grado di resistenza desiderato.
Trattamento di invecchiamento in soluzione solida e ottimizzazione delle prestazioni della lega di titanio
La lega di titanio è il materiale di stampa 3D metallico più utilizzato nei settori aerospaziale e dei dispositivi medici. Il suo processo di trattamento termico determina direttamente le partiprestazione finale. La struttura stampata di Ti-6Al-4V è solitamente martensite aciculare, con elevata resistenza e durezza, ma scarsa plasticità. Attraverso il trattamento con soluzione solida (950°C-1020°C, conservazione del calore per 1-2 ore, raffreddamento rapido) e il trattamento di invecchiamento (480°C-595°C, conservazione del calore per 4-8 ore), è possibile ottenere una struttura a doppia fase, che può migliorare significativamente la plasticità e la tenacità pur mantenendo un'elevata resistenza.
Per la stampa 3D delle leghe di titanio, il trattamento termico deve considerare anche le caratteristiche della struttura stampata. I grani stampati mostrano una morfologia cristallina colonnare cresciuta epitassialmente e la dimensione e la struttura dei grani hanno un impatto significativo sulle prestazioni. Attraverso il trattamento di ricottura β (superiore alla temperatura di trasformazione β), è possibile eliminare la morfologia cristallina colonnare, ottenere la struttura cristallina equiassica e migliorare le prestazioni a fatica. Tuttavia, la ricottura beta ridurrà la resistenza e deve essere bilanciata in base ai requisiti dell'applicazione. Gli impianti in lega di titanio nel campo dei dispositivi medici richiedono solitamente una ricottura completa per ottenere biocompatibilità e durata a fatica ottimali.
L'impatto del trattamento termico sulla precisione dimensionale delle parti stampate in lega di titanio richiede un'attenzione particolare. Il rapido raffreddamento del trattamento con la soluzione può causare distorsioni delle parti, quindi le aree dimensionali critiche devono essere rilavorate dopo il trattamento termico. Si consiglia di riservare nel progetto un sovrametallo di lavorazione di 0,5-1 mm ed eseguire la finitura dopo il trattamento termico. Allo stesso tempo, la deformazione durante il processo di trattamento termico può anche essere parzialmente alleviata ottimizzando la struttura di supporto e regolando la direzione di posizionamento durante la stampa.
Processo di trattamento termico di leghe di alluminio e acciaio inossidabile
Il trattamento termico delle parti stampate in 3D in lega di alluminio comprende principalmente la ricottura di distensione, il trattamento della solubilizzazione e l'invecchiamento artificiale. AlSi10Mg è una comune lega di alluminio pressofuso. La struttura stampata è una fine rete di silicio eutettico. Dopo il trattamento in soluzione solida (520°C-530°C) e l'invecchiamento artificiale (155°C-175°C, conservazione del calore per 6-12 ore), la fase silicica sferoidizza e le proprietà meccaniche migliorano significativamente. La resistenza alla trazione di AlSi10Mg nello stato T6 (soluzione solida + invecchiamento) può raggiungere più di 330 MPa e l'allungamento aumenta fino a oltre l'8%.
Il trattamento termico della lega di alluminio richiede attenzione al rischio di invecchiamento eccessivo. Una temperatura di invecchiamento troppo elevata o un tempo troppo lungo porteranno a una diminuzione della resistenza, quindi la finestra del processo deve essere strettamente controllata. Inoltre, il tempo di trasferimento della tempra delle parti in lega di alluminio dopo il trattamento con la soluzione dovrebbe essere il più breve possibile (generalmente non più di 15 secondi) per garantire l'effetto della soluzione. Per le parti in lega di alluminio a parete sottile, la tempra può causare deformazione e si possono prendere in considerazione mezzi di tempra polimerici invece della tempra in acqua per ridurre la velocità di raffreddamento.
Tra le parti stampate in 3D in acciaio inossidabile, l'acciaio inossidabile austenitico 316L di solito necessita solo di un trattamento di distensione (400°C-500°C, conservazione del calore per 1-2 ore) per soddisfare la maggior parte dei requisiti applicativi. L'acciaio inossidabile indurente per precipitazione 17-4PH richiede un trattamento di solubilizzazione (circa 1040°C) e un trattamento di invecchiamento (480°C-620°C, selezionato in base al livello di resistenza richiesto). L'acciaio inossidabile martensitico (come 420, 440C) deve essere ricotto dopo la stampa per migliorare la lavorabilità e infine la durezza desiderata viene ottenuta mediante tempra e rinvenimento. Il trattamento termico dell'acciaio inossidabile ha requisiti inferiori per l'atmosfera, maSi consiglia comunque di effettuare l'operazione in atmosfera protettiva per evitare che lo strato di ossido superficiale possa compromettere il successivo trattamento superficiale.
Trattamento di ricottura e indurimento delle parti polimeriche stampate in 3D
Il trattamento termico delle parti polimeriche stampate in 3D non può essere ignorato. Parti come PLA e ABS stampate mediante FDM presentano un'evidente anisotropia dovuta al debole legame tra gli strati. Il trattamento di ricottura può ridurre efficacemente lo stress residuo e migliorare la resistenza del legame tra gli strati. La temperatura di ricottura delle parti in PLA è solitamente compresa tra 60°C e 90°C (vicino alla temperatura di transizione vetrosa) e il tempo di mantenimento è di 30-60 minuti; la temperatura di ricottura delle parti in ABS è compresa tra 80°C e 110°C. La dimensione della parte potrebbe ridursi o espandersi leggermente dopo la ricottura ed è necessario prevedere una compensazione nella progettazione.
Il trattamento di ricottura delle stampe SLS in nylon (PA12) è speciale. Durante il processo di stampa SLS, la polvere non sinterizzata svolge un ruolo di supporto nelle parti e le parti possono subire un lento restringimento per cristallizzazione durante il processo di raffreddamento, con conseguenti modifiche dimensionali. Mediante ricottura a 120°C-150°C, la cristallinità può essere stabilizzata e la stabilità dimensionale può essere migliorata. Tuttavia, va notato che la ricottura aumenterà leggermente la durezza e la rigidità delle parti in nylon, riducendone al contempo la tenacità, un aspetto che deve essere considerato in modo completo durante la progettazione.
La polimerizzazione post-stampa delle stampe in resina fotopolimerizzabili (SLA, DLP) è un passaggio fondamentale per ottenere le prestazioni finali. Una volta completata la stampa, all'interno delle parti in resina sono ancora presenti monomeri polimerizzati in modo incompleto, che devono essere sottoposti a polimerizzazione post-stampa in una scatola di polimerizzazione UV. Il tempo di polimerizzazione post-stampa è in genere di 30-90 minuti, a seconda del tipo di resina e dello spessore della parte. La polimerizzazione post-stampa può aumentare significativamente la robustezza, la durezza e la resistenza al calore di una parte, ma può anche causare restringimento e deformazione. Per le parti fotopolimerizzate con requisiti di elevata precisione, si consiglia di effettuare la polimerizzazione post-stampa prima della rimozione del supporto per ridurre la deformazione. Alcune resine tecniche richiedono anche una post-indurimento termico (60°C-80°C) per aumentare ulteriormente la temperatura di transizione vetrosa.
Determinazione dei parametri del processo di trattamento termico e verifica della qualità
La determinazione dei parametri del processo di trattamento termico richiede una considerazione completa del tipo di materiale, del processo di stampa, delle dimensioni della parte e dei requisiti prestazionali. Si raccomanda che, quando si stabilisce un processo di trattamento termico, le aziende facciano riferimento alle finestre di processo consigliate fornite dai fornitori di materiali e determinino i parametri migliori attraverso la verifica sperimentale. Il disegno sperimentale può utilizzare il metodo sperimentale ortogonale per esaminare l'influenza dei tre principali fattori di temperatura, tempo e velocità di raffreddamento sulle proprietà meccaniche. La verifica delle prestazioni di ciascun lotto di parti trattate termicamente dovrebbe includere prove di trazione, prove di durezza e analisi microstrutturali.
La verifica della qualità è un anello chiave nel controllo a circuito chiuso del processo di trattamento termico. Le seguenti ispezioni devono essere eseguite dopo che ciascun lotto di parti è stato trattato termicamente: primo, controllo dimensionale per confermare che la deformazione delle parti rientri nell'intervallo consentito; in secondo luogo, test di durezza per verificare la consistenza dell'effetto del trattamento termico; terzo, ispezione microstrutturale per confermare che non vi siano strutture anomale come surriscaldamento e surriscaldamento; in quarto luogo, sulle parti chiave dovrebbero essere condotti test sulle proprietà meccaniche, prove di trazione e prove di impatto. Dovrebbe essere stabilito un registro per i dati di ispezione per formare record di tracciabilità dei lotti per fornire supporto dati per l'ottimizzazione continua del processo.
La calibrazione e la manutenzione delle apparecchiature per il trattamento termico sono altrettanto importanti. L'uniformità della temperatura del forno deve essere controllata regolarmente (si consiglia una volta ogni trimestre) per garantire che la deviazione della temperatura nel forno sia entro ±10°C. Le termocoppie devono essere calibrate regolarmente e il registratore di temperatura deve essere dotato di una funzione di allarme di sovratemperatura. Per i forni per trattamento termico sotto vuoto è inoltre necessario controllare regolarmente la capacità di mantenimento del vuoto e la purezza dell'atmosfera. L’istituzione di un valido sistema di gestione delle apparecchiature per il trattamento termico è la base per garantire la stabilità della qualità del trattamento termico.
Conclusione: il trattamento termico è la chiave per migliorare le prestazioni delle parti stampate in 3D
Il trattamento termico gioca un ruolo sempre più importante nella catena del processo di stampa 3D. Per le parti stampate in metallo, il trattamento termico è quasi un processo indispensabile, che determina direttamente la resistenza, la plasticità e la durata a fatica della parte; per le parti stampate in polimero, i trattamenti di ricottura e post-indurimento possono migliorare significativamente la stabilità dimensionale e le proprietà meccaniche. Le imprese dovrebbero stabilire un sistema di processo di trattamento termico standardizzato basato sulle caratteristiche dei materiali e sui requisiti applicativi e fornire un processo completo di verifica della qualità.
In futuro, con l'applicazione approfondita della stampa 3D in settori manifatturieri di fascia alta come quello aerospaziale, delle apparecchiature mediche e delle automobili, il perfezionamento e l'intelligenza dei processi di trattamento termico diventeranno una tendenza importante. Nuove tecnologie come il trattamento termico in situ, le apparecchiature di post-elaborazione integrate e la progettazione del processo di trattamento termico basata sull'ottimizzazione della simulazione si stanno sviluppando rapidamente. Si raccomanda alle aziende di continuare a prestare attenzione all’avanguardia della tecnologia di trattamento termico, di incorporare lo sviluppo della capacità di trattamento termico nella pianificazione della capacità del servizio di stampa 3D e di fornire ai clienti servizi completi della catena di processo dalla stampa al rilascio delle prestazioni.
Invia un modello, un disegno, un'immagine o note scritte. Gli ingegneri valuteranno materiale, processo, finitura e consegna in base all'uso effettivo.