Warmtebehandeling en uitgloeiproces van 3D-geprinte onderdelen: elimineren van interne spanningen en verbeteren van mechanische eigenschappen

Inleiding: De sleutelrol van warmtebehandeling in de procesketen van 3D-printen

Tijdens het gietproces van 3D-geprinte onderdelen stapelen zich vaak aanzienlijke thermische spanningen en restspanningen op als gevolg van snelle verwarmings- en koelcycli. Deze spanningen hebben niet alleen invloed op de maatvastheid van het onderdeel, maar kunnen ook leiden tot problemen zoals kromtrekken, scheuren en krachtverlies. Warmtebehandeling is een belangrijke schakel in de nabewerkingsprocesketen van 3D-printen. Door de verwarmingstemperatuur, houdtijd en afkoelsnelheid nauwkeurig te regelen, kan interne spanning effectief worden geëlimineerd en kan de microstructuur worden geoptimaliseerd, waardoor de uitgebreide mechanische eigenschappen van het onderdeel aanzienlijk worden verbeterd.

Verschillende 3D-printprocessen zijn in verschillende mate afhankelijk van warmtebehandeling. Vanwege de extreem hoge temperatuurgradiënt en afkoelsnelheid tijdens het gietproces van 3D-printen van metaal (SLM, EBM, DED), vereisen bijna alle geprinte onderdelen een passende warmtebehandeling om aan de eisen van technische toepassingen te voldoen; Op polymeer geprinte onderdelen (FDM, SLS, SLA) worden selectief uitgegloeid of uitgehard op basis van materiaaleigenschappen en toepassingsscenario's. Dit artikel introduceert systematisch het warmtebehandelingsproces van verschillende soorten 3D-printmaterialen, van basisprincipes tot praktische handelingen, en biedt een referentie voor bedrijven om een ​​compleet nabewerkingssysteem op te zetten.

Spanningsvrij gloeien van 3D-geprinte metalen onderdelen

Het spanningsvrij gloeien van 3D-geprinte metalen onderdelen is het meest gebruikte warmtebehandelingsproces. Als we bijvoorbeeld een aluminiumlegering (AlSi10Mg) nemen, kan de restspanning van geprinte onderdelen 50% -80% van de vloeigrens van het materiaal bereiken. Als er geen spanningsverlichting wordt uitgevoerd, kan er tijdens de daaropvolgende bewerking ernstige vervorming optreden. Het spanningsarmgloeien wordt gewoonlijk gedurende 2-4 uur op 300°C-350°C gehouden, gevolgd door langzaam afkoelen tot kamertemperatuur in de oven. Voor titaniumlegeringen (Ti-6Al-4V) bedraagt ​​de spanningsontlastingstemperatuur gewoonlijk 650°C-750°C, en de houdtijd wordt bepaald op basis van de wanddikte van het onderdeel.

De belangrijkste parameters van spanningsarmgloeien zijn onder meer de verwarmingssnelheid, de houdtemperatuur en de afkoelsnelheid. Als de verwarmingssnelheid te hoog is, zal de interne temperatuurgradiënt van het onderdeel toenemen, wat nieuwe thermische spanning zal introduceren; als de houdtijd onvoldoende is, kan de restspanning niet volledig worden vrijgegeven. Vooral de afkoelfase is belangrijk. Er moet gebruik worden gemaakt van ovenkoeling of een gecontroleerde koelsnelheid om nieuwe spanningen veroorzaakt door snelle afkoeling te voorkomen. Voor grote metaalafdrukken wordt aanbevolen een gesegmenteerd verwarmings- en koelproces te gebruiken om de impact van temperatuurgradiënten verder te verminderen.

De keuze van de warmtebehandelingsatmosfeer heeft ook invloed op de kwaliteit van de onderdelen. Voor actieve metalen zoals titaniumlegeringen moet de warmtebehandeling worden uitgevoerd in een vacuüm- of argonbeschermende atmosfeer om oxidatie bij hoge temperaturen te voorkomen. Aluminiumlegeringen kunnen in een luchtatmosfeer worden verwerkt, maar er moet aandacht worden besteed aan het beheersen van de houdtijd om een ​​afname van de sterkte als gevolg van oververoudering te voorkomen. Het warmtebehandelingsproces voor roestvrij staal (316L, 17-4PH) is relatief vergevingsgezind, maar precipitatiehardend roestvrij staal vereist nauwkeurige controle van de verouderingstemperatuur en verouderingstijd om de beoogde sterktegraad te bereiken.

Solid verouderingsbehandeling en prestatie-optimalisatie van titaniumlegering

Titaniumlegering is het meest gebruikte metalen 3D-printmateriaal op het gebied van lucht- en ruimtevaart en medische apparatuur. Het warmtebehandelingsproces bepaalt direct de onderdelenuiteindelijke prestatie. De gedrukte structuur van Ti-6Al-4V is meestal naaldvormig martensiet, met hoge sterkte en hardheid, maar slechte plasticiteit. Door behandeling met een vaste oplossing (950°C-1020°C, hittebehoud gedurende 1-2 uur, snelle afkoeling) en verouderingsbehandeling (480°C-595°C, hittebehoud gedurende 4-8 uur), kan een tweefasige structuur worden verkregen, die de plasticiteit en taaiheid aanzienlijk kan verbeteren terwijl de hoge sterkte behouden blijft.

Voor het 3D-printen van titaniumlegeringen moet bij de warmtebehandeling ook rekening worden gehouden met de kenmerken van de geprinte structuur. De gedrukte korrels vertonen een epitaxiaal gegroeide kolomvormige kristalmorfologie, en de korrelgrootte en textuur hebben een aanzienlijke invloed op de prestaties. Door middel van een β-gloeibehandeling (hoger dan de β-transformatietemperatuur) kan de kolomvormige kristalmorfologie worden geëlimineerd, kan de gelijkassige kristalstructuur worden verkregen en kunnen de vermoeiingsprestaties worden verbeterd. Bèta-gloeien zal echter de sterkte verminderen en moet worden afgewogen op basis van de toepassingsvereisten. Implantaten van titaniumlegeringen op het gebied van medische hulpmiddelen vereisen doorgaans volledig uitgloeien om een ​​optimale biocompatibiliteit en levensduur tegen vermoeidheid te verkrijgen.

De impact van warmtebehandeling op de maatnauwkeurigheid van geprinte onderdelen van titaniumlegeringen vereist speciale aandacht. De snelle afkoeling van de oplossingsbehandeling kan vervorming van onderdelen veroorzaken, dus kritische dimensionale gebieden moeten na de warmtebehandeling opnieuw worden bewerkt. Het wordt aanbevolen om een ​​bewerkingsmarge van 0,5-1 mm in het ontwerp te reserveren en na de warmtebehandeling de afwerking uit te voeren. Tegelijkertijd kan de vervorming tijdens het warmtebehandelingsproces ook gedeeltelijk worden verlicht door de draagstructuur te optimaliseren en de plaatsingsrichting tijdens het printen aan te passen.

Warmtebehandelingsproces van aluminiumlegering en roestvrij staal

De warmtebehandeling van 3D-geprinte onderdelen van aluminiumlegering omvat voornamelijk spanningsarmgloeien, oplossingsbehandeling en kunstmatige veroudering. AlSi10Mg is een veel voorkomende gegoten aluminiumlegering. De gedrukte structuur is een fijn eutectisch siliciumnetwerk. Na behandeling met een vaste oplossing (520°C-530°C) en kunstmatige veroudering (155°C-175°C, hittebehoud gedurende 6-12 uur) wordt de siliciumfase sferoïdaal en worden de mechanische eigenschappen aanzienlijk verbeterd. De treksterkte van AlSi10Mg in T6-toestand (vaste oplossing + veroudering) kan meer dan 330 MPa bereiken, en de rek neemt toe tot meer dan 8%.

De warmtebehandeling van aluminiumlegeringen vereist aandacht voor het risico op veroudering. Een te hoge verouderingstemperatuur of een te lange tijd zullen leiden tot een afname van de sterkte, dus het procesvenster moet strikt worden gecontroleerd. Bovendien moet de uitdovende overdrachtstijd van onderdelen van aluminiumlegeringen na oplossingsbehandeling zo kort mogelijk zijn (doorgaans niet meer dan 15 seconden) om het oplossingseffect te garanderen. Voor dunwandige onderdelen van aluminiumlegeringen kan afschrikken vervorming veroorzaken, en polymere afschrikmedia kunnen worden overwogen in plaats van afschrikken met water om de afkoelsnelheid te verminderen.

Van de 3D-geprinte roestvrijstalen onderdelen heeft 316L austenitisch roestvrij staal meestal alleen een spanningsontlastende behandeling nodig (400°C-500°C, hittebehoud gedurende 1-2 uur) om aan de meeste toepassingsvereisten te voldoen. 17-4PH precipitatiehardend roestvrij staal vereist oplossingsbehandeling (rond 1040°C) en verouderingsbehandeling (480°C-620°C, geselecteerd op basis van het vereiste sterkteniveau). Martensitisch roestvrij staal (zoals 420, 440C) moet na het printen worden uitgegloeid om de bewerkbaarheid te verbeteren, en uiteindelijk wordt de beoogde hardheid verkregen door afschrikken en temperen. De warmtebehandeling van roestvrij staal stelt lagere eisen aan de atmosfeer, maarHet wordt nog steeds aanbevolen om uit te voeren in een beschermende atmosfeer om te voorkomen dat de oxidelaag van het oppervlak de daaropvolgende oppervlaktebehandeling beïnvloedt.

Gloei- en uithardingsbehandeling van 3D-geprinte polymeeronderdelen

De warmtebehandeling van 3D-geprinte polymeeronderdelen kan niet worden genegeerd. Onderdelen zoals PLA en ABS geprint door FDM hebben duidelijke anisotropie als gevolg van zwakke hechting tussen de lagen. Een gloeibehandeling kan restspanning effectief verminderen en de hechtsterkte tussen de lagen verbeteren. De uitgloeitemperatuur van PLA-onderdelen is gewoonlijk 60°C-90°C (dicht bij de glasovergangstemperatuur) en de houdtijd is 30-60 minuten; de gloeitemperatuur van ABS-onderdelen bedraagt ​​80°C-110°C. De grootte van het onderdeel kan na het uitgloeien iets krimpen of uitzetten, en er moet in het ontwerp voor compensatie worden gezorgd.

De gloeibehandeling van nylon (PA12) SLS-prints is bijzonder. Tijdens het SLS-printproces speelt het ongesinterde poeder een ondersteunende rol in de onderdelen en kunnen de onderdelen tijdens het koelproces een langzame kristallisatiekrimp ondergaan, wat resulteert in maatveranderingen. Door uitgloeien bij 120°C-150°C kan de kristalliniteit worden gestabiliseerd en kan de dimensionele stabiliteit worden verbeterd. Er moet echter worden opgemerkt dat uitgloeien de hardheid en stijfheid van nylon onderdelen enigszins zal vergroten, terwijl de taaiheid wordt verminderd, waarmee tijdens het ontwerp uitgebreid rekening moet worden gehouden.

Het naharden van lichtuithardende (SLA, DLP) harsprints is een cruciale stap in het bereiken van uiteindelijke prestaties. Nadat het printen is voltooid, bevinden zich nog steeds onvolledig uitgeharde monomeren in de harsonderdelen, die moeten worden nagehard in een UV-uithardingskast. De uithardingstijd bedraagt ​​doorgaans 30-90 minuten, afhankelijk van het harstype en de dikte van het onderdeel. Naharding kan de sterkte, hardheid en hittebestendigheid van een onderdeel aanzienlijk vergroten, maar kan ook krimp en vervorming veroorzaken. Voor lichtuithardende onderdelen met hoge precisie-eisen wordt aanbevolen om na te harden voordat de ondersteuning wordt verwijderd om vervorming te verminderen. Sommige technische harsen vereisen ook thermische naharding (60°C-80°C) om de glasovergangstemperatuur verder te verhogen.

Bepaling van de parameters van het warmtebehandelingsproces en kwaliteitsverificatie

De bepaling van de parameters van het warmtebehandelingsproces vereist een uitgebreide overweging van materiaalkwaliteit, drukproces, onderdeelgrootte en prestatie-eisen. Het wordt aanbevolen dat bedrijven bij het opzetten van een warmtebehandelingsproces de aanbevolen procesvensters van materiaalleveranciers raadplegen en de beste parameters bepalen door middel van experimentele verificatie. Het experimentele ontwerp kan de orthogonale experimentele methode gebruiken om de invloed van de drie belangrijkste factoren temperatuur, tijd en koelsnelheid op de mechanische eigenschappen te onderzoeken. De prestatieverificatie van elke partij warmtebehandelde onderdelen moet trekproeven, hardheidstesten en microstructurele analyse omvatten.

Kwaliteitsverificatie is een belangrijke schakel in de gesloten-luscontrole van het warmtebehandelingsproces. De volgende inspecties moeten worden uitgevoerd nadat elke partij onderdelen een warmtebehandeling heeft ondergaan: ten eerste, dimensionale inspectie om te bevestigen dat de vervorming van de onderdelen binnen het toegestane bereik ligt; ten tweede een hardheidstest om de consistentie van het warmtebehandelingseffect te verifiëren; ten derde, microstructurele inspectie om te bevestigen dat er geen abnormale structuren zijn zoals oververhitting en oververbranding; ten vierde moeten testen op mechanische eigenschappen, trektests en impacttests worden uitgevoerd op belangrijke onderdelen. Er moet een grootboek worden opgesteld voor inspectiegegevens om batchtraceerbaarheidsrecords te vormen om gegevensondersteuning te bieden voor continue procesoptimalisatie.

Kalibratie en onderhoud van warmtebehandelingsapparatuur zijn net zo belangrijk. De uniformiteit van de oventemperatuur moet regelmatig worden gecontroleerd (eens per kwartaal wordt aanbevolen) om ervoor te zorgen dat de temperatuurafwijking in de oven binnen ±10°C blijft. Thermokoppels moeten regelmatig worden gekalibreerd en de temperatuurrecorder moet zijn uitgerust met een alarmfunctie voor te hoge temperaturen. Voor vacuümwarmtebehandelingsovens is het ook noodzakelijk om regelmatig het vacuümbehoud en de zuiverheid van de atmosfeer te controleren. Het opzetten van een goed beheersysteem voor warmtebehandelingsapparatuur is de basis voor het garanderen van de stabiliteit van de kwaliteit van de warmtebehandeling.

Conclusie: Warmtebehandeling is de sleutel tot het optimaal benutten van de prestaties van 3D-geprinte onderdelen

Warmtebehandeling speelt een steeds belangrijkere rol in de procesketen van 3D-printen. Voor met metaal bedrukte onderdelen is warmtebehandeling bijna een onmisbaar proces, dat rechtstreeks de sterkte, plasticiteit en levensduur van het onderdeel bepaalt; voor met polymeer geprinte onderdelen kunnen uitgloei- en nahardingsbehandelingen de maatvastheid en mechanische eigenschappen aanzienlijk verbeteren. Bedrijven moeten een gestandaardiseerd warmtebehandelingsprocessysteem opzetten op basis van materiaalkenmerken en toepassingsvereisten, en een compleet kwaliteitscontroleproces bieden.

In de toekomst, met de diepgaande toepassing van 3D-printen in hoogwaardige productiegebieden zoals de lucht- en ruimtevaart, medische apparatuur en auto's, zal de verfijning en intelligentie van warmtebehandelingsprocessen een belangrijke trend worden. Nieuwe technologieën zoals in-situ warmtebehandeling, geïntegreerde nabewerkingsapparatuur en het ontwerp van warmtebehandelingsprocessen op basis van simulatie-optimalisatie ontwikkelen zich snel. Het wordt aanbevolen dat ondernemingen aandacht blijven besteden aan de voorhoede van warmtebehandelingstechnologie, het opbouwen van warmtebehandelingscapaciteit opnemen in de capaciteitsplanning van 3D-printservices en klanten volledige procesketendiensten bieden, van printen tot prestatievrijgave.