Tratamento térmico e processo de recozimento de peças impressas em 3D: eliminando tensões internas e melhorando as propriedades mecânicas

Introdução: O papel fundamental do tratamento térmico na cadeia do processo de impressão 3D

Durante o processo de moldagem de peças impressas em 3D, estresse térmico significativo e estresse residual geralmente se acumulam no interior devido aos rápidos ciclos de aquecimento e resfriamento. Essas tensões não afetam apenas a estabilidade dimensional da peça, mas também podem levar a problemas como empenamento, trincas e perda de resistência. O tratamento térmico é um elo fundamental na cadeia do processo de pós-processamento da impressão 3D. Ao controlar com precisão a temperatura de aquecimento, o tempo de retenção e a taxa de resfriamento, o estresse interno pode ser efetivamente eliminado e a microestrutura pode ser otimizada, melhorando significativamente as propriedades mecânicas abrangentes da peça.

Diferentes processos de impressão 3D dependem de tratamento térmico em graus variados. Devido ao gradiente de temperatura extremamente alto e à taxa de resfriamento durante o processo de moldagem da impressão 3D de metal (SLM, EBM, DED), quase todas as peças impressas requerem tratamento térmico adequado para atender aos requisitos das aplicações de engenharia; peças impressas em polímero (FDM, SLS, SLA) são recozidas ou curadas seletivamente de acordo com as propriedades do material e cenários de aplicação. Este artigo apresentará sistematicamente o processo de tratamento térmico de vários tipos de materiais de impressão 3D, desde princípios básicos até operações práticas, fornecendo uma referência para as empresas estabelecerem um sistema completo de pós-processamento.

Recozimento com alívio de tensão de peças metálicas impressas em 3D

O recozimento com alívio de tensão de peças metálicas impressas em 3D é o processo de tratamento térmico mais amplamente utilizado. Tomando como exemplo a liga de alumínio (AlSi10Mg), a tensão residual das peças impressas pode atingir 50% -80% do limite de escoamento do material. Se o alívio de tensão não for realizado, poderão ocorrer deformações severas durante a usinagem subsequente. O recozimento para alívio de tensão geralmente é mantido entre 300°C e 350°C por 2 a 4 horas, seguido de resfriamento lento até a temperatura ambiente no forno. Para liga de titânio (Ti-6Al-4V), a temperatura de alívio de tensão é geralmente de 650°C-750°C, e o tempo de retenção é determinado de acordo com a espessura da parede da peça.

Os principais parâmetros do recozimento para alívio de tensões incluem taxa de aquecimento, temperatura de retenção e taxa de resfriamento. Se a taxa de aquecimento for muito rápida, o gradiente de temperatura interna da peça aumentará, o que introduzirá novo estresse térmico; se o tempo de retenção for insuficiente, a tensão residual não poderá ser totalmente liberada. A fase de arrefecimento é particularmente importante. O resfriamento do forno ou a taxa de resfriamento controlada devem ser usados ​​para evitar novas tensões causadas pelo resfriamento rápido. Para impressões metálicas grandes, recomenda-se a utilização de um processo segmentado de aquecimento e resfriamento para reduzir ainda mais o impacto dos gradientes de temperatura.

A escolha da atmosfera de tratamento térmico também afeta a qualidade das peças. Para metais ativos, como ligas de titânio, o tratamento térmico deve ser realizado em vácuo ou atmosfera protetora de argônio para evitar oxidação em alta temperatura. As ligas de alumínio podem ser processadas em atmosfera de ar, mas é preciso prestar atenção ao controle do tempo de retenção para evitar uma diminuição na resistência devido ao envelhecimento excessivo. O processo de tratamento térmico para aço inoxidável (316L, 17-4PH) é relativamente indulgente, mas os aços inoxidáveis ​​​​de endurecimento por precipitação exigem controle preciso da temperatura e do tempo de envelhecimento para atingir o grau de resistência desejado.

Tratamento de envelhecimento em solução sólida e otimização de desempenho da liga de titânio

A liga de titânio é o material de impressão 3D metálico mais amplamente utilizado nas áreas aeroespacial e de dispositivos médicos. Seu processo de tratamento térmico determina diretamente as peçasdesempenho final. A estrutura impressa do Ti-6Al-4V é geralmente martensita acicular, com alta resistência e dureza, mas baixa plasticidade. Através do tratamento com solução sólida (950°C-1020°C, preservação do calor por 1-2 horas, resfriamento rápido) e tratamento de envelhecimento (480°C-595°C, preservação do calor por 4-8 horas), uma estrutura bifásica pode ser obtida, o que pode melhorar significativamente a plasticidade e a tenacidade, mantendo ao mesmo tempo alta resistência.

Para ligas de titânio para impressão 3D, o tratamento térmico também precisa considerar as características da estrutura impressa. Os grãos impressos mostram uma morfologia cristalina colunar cultivada epitaxialmente, e o tamanho e a textura dos grãos têm um impacto significativo no desempenho. Através do tratamento de recozimento β (superior à temperatura de transformação β), a morfologia do cristal colunar pode ser eliminada, a estrutura cristalina equiaxial pode ser obtida e o desempenho de fadiga pode ser melhorado. No entanto, o recozimento beta reduzirá a resistência e precisa ser balanceado de acordo com os requisitos da aplicação. Os implantes de liga de titânio na área de dispositivos médicos geralmente requerem recozimento completo para obter biocompatibilidade e resistência à fadiga ideais.

O impacto do tratamento térmico na precisão dimensional das peças impressas em liga de titânio requer atenção especial. O rápido resfriamento do tratamento de solução pode causar distorção da peça, portanto, áreas dimensionais críticas precisam ser reusinadas após o tratamento térmico. Recomenda-se reservar uma margem de usinagem de 0,5-1mm no projeto e realizar o acabamento após o tratamento térmico. Ao mesmo tempo, a deformação durante o processo de tratamento térmico também pode ser parcialmente aliviada otimizando a estrutura de suporte e ajustando a direção de colocação durante a impressão.

Processo de tratamento térmico de liga de alumínio e aço inoxidável

O tratamento térmico de peças impressas em 3D de liga de alumínio inclui principalmente recozimento de alívio de tensão, tratamento de solução e envelhecimento artificial. AlSi10Mg é uma liga de alumínio fundido comum. A estrutura impressa é uma fina rede de silício eutético. Após tratamento com solução sólida (520°C-530°C) e envelhecimento artificial (155°C-175°C, preservação do calor por 6-12 horas), a fase de silício esferoidiza e as propriedades mecânicas são significativamente melhoradas. A resistência à tração do AlSi10Mg no estado T6 (solução sólida + envelhecimento) pode atingir mais de 330MPa, e o alongamento aumenta para mais de 8%.

O tratamento térmico da liga de alumínio requer atenção ao risco de envelhecimento excessivo. A temperatura de envelhecimento muito alta ou o tempo muito longo levarão a uma diminuição da resistência, portanto a janela do processo precisa ser rigorosamente controlada. Além disso, o tempo de transferência de têmpera das peças de liga de alumínio após o tratamento com solução deve ser o mais curto possível (geralmente não mais que 15 segundos) para garantir o efeito da solução. Para peças de liga de alumínio de paredes finas, a têmpera pode causar deformação, e o meio de têmpera de polímero pode ser considerado em vez da têmpera com água para reduzir a taxa de resfriamento.

Entre as peças impressas em 3D de aço inoxidável, o aço inoxidável austenítico 316L geralmente só precisa de tratamento de alívio de tensão (400°C-500°C, preservação de calor por 1-2 horas) para atender à maioria dos requisitos de aplicação. O aço inoxidável endurecido por precipitação 17-4PH requer tratamento de solução (cerca de 1040°C) e tratamento de envelhecimento (480°C-620°C, selecionado de acordo com o nível de resistência exigido). O aço inoxidável martensítico (como 420, 440C) precisa ser recozido após a impressão para melhorar a usinabilidade e, finalmente, a dureza alvo é obtida por têmpera e revenido. O tratamento térmico do aço inoxidável tem requisitos mais baixos para a atmosfera, masAinda é recomendado realizar em atmosfera protetora para evitar que a camada de óxido superficial afete o tratamento superficial posterior.

Tratamento de recozimento e cura de peças impressas em 3D de polímero

O tratamento térmico de peças impressas em 3D de polímero não pode ser ignorado. Peças como PLA e ABS impressas por FDM apresentam anisotropia óbvia devido à fraca ligação entre camadas. O tratamento de recozimento pode efetivamente reduzir a tensão residual e melhorar a resistência da ligação entre camadas. A temperatura de recozimento das peças PLA é geralmente de 60°C-90°C (próxima da temperatura de transição vítrea) e o tempo de retenção é de 30-60 minutos; a temperatura de recozimento das peças ABS é de 80°C-110°C. O tamanho da peça pode encolher ou expandir ligeiramente após o recozimento e é necessário fornecer compensação no projeto.

O tratamento de recozimento de impressões SLS de nylon (PA12) é especial. Durante o processo de impressão SLS, o pó não sinterizado desempenha um papel de suporte nas peças, e as peças podem sofrer lenta contração de cristalização durante o processo de resfriamento, resultando em alterações dimensionais. Ao recozer a 120°C-150°C, a cristalinidade pode ser estabilizada e a estabilidade dimensional melhorada. No entanto, deve-se notar que o recozimento aumentará ligeiramente a dureza e a rigidez das peças de náilon, ao mesmo tempo que reduzirá a tenacidade, o que precisa ser considerado de forma abrangente durante o projeto.

A pós-cura de impressões em resina fotopolimerizável (SLA, DLP) é uma etapa crítica para alcançar o desempenho final. Após a conclusão da impressão, ainda existem monômeros incompletamente curados dentro das peças de resina, que precisam ser pós-curados em uma caixa de cura UV. O tempo de pós-cura é normalmente de 30 a 90 minutos, dependendo do tipo de resina e da espessura da peça. A pós-cura pode aumentar significativamente a resistência, a dureza e a resistência ao calor de uma peça, mas também pode causar encolhimento e deformação. Para peças fotopolimerizáveis ​​com requisitos de alta precisão, recomenda-se a pós-cura antes da remoção do suporte para reduzir a deformação. Algumas resinas de engenharia também requerem pós-cura térmica (60°C-80°C) para aumentar ainda mais a temperatura de transição vítrea.

Determinação dos parâmetros do processo de tratamento térmico e verificação de qualidade

A determinação dos parâmetros do processo de tratamento térmico requer uma consideração abrangente da qualidade do material, processo de impressão, tamanho da peça e requisitos de desempenho. Recomenda-se que ao estabelecer um processo de tratamento térmico, as empresas consultem as janelas de processo recomendadas fornecidas pelos fornecedores de materiais e determinem os melhores parâmetros através de verificação experimental. O projeto experimental pode utilizar o método experimental ortogonal para examinar a influência dos três principais fatores de temperatura, tempo e taxa de resfriamento nas propriedades mecânicas. A verificação do desempenho de cada lote de peças tratadas termicamente deve incluir testes de tração, testes de dureza e análise microestrutural.

A verificação da qualidade é um elo fundamental no controle de circuito fechado do processo de tratamento térmico. As seguintes inspeções devem ser realizadas após cada lote de peças ser tratado termicamente: primeiro, inspeção dimensional para confirmar se a deformação das peças está dentro da faixa permitida; segundo, teste de dureza para verificar a consistência do efeito do tratamento térmico; terceiro, inspeção microestrutural para confirmar que não há estruturas anormais, como superaquecimento e queima excessiva; quarto, testes de propriedades mecânicas, testes de tração e testes de impacto devem ser realizados nas peças principais. Um livro-razão deve ser estabelecido para dados de inspeção para formar registros de rastreabilidade de lotes para fornecer suporte de dados para otimização contínua do processo.

A calibração e a manutenção dos equipamentos de tratamento térmico são igualmente importantes. A uniformidade da temperatura do forno deve ser verificada regularmente (recomenda-se uma vez por trimestre) para garantir que o desvio de temperatura no forno esteja dentro de ±10°C. Os termopares precisam ser calibrados regularmente e o registrador de temperatura deve ser equipado com uma função de alarme de temperatura excessiva. Para fornos de tratamento térmico a vácuo, também é necessário verificar regularmente a capacidade de manutenção do vácuo e a pureza da atmosfera. O estabelecimento de um sistema sólido de gerenciamento de equipamentos de tratamento térmico é a base para garantir a estabilidade da qualidade do tratamento térmico.

Conclusão: O tratamento térmico é a chave para liberar o desempenho das peças impressas em 3D

O tratamento térmico desempenha um papel cada vez mais importante na cadeia do processo de impressão 3D. Para peças impressas em metal, o tratamento térmico é quase um processo indispensável, que determina diretamente a resistência, plasticidade e resistência à fadiga da peça; para peças impressas em polímero, os tratamentos de recozimento e pós-cura podem melhorar significativamente a estabilidade dimensional e as propriedades mecânicas. As empresas devem estabelecer um sistema padronizado de processo de tratamento térmico com base nas características dos materiais e nos requisitos de aplicação, e fornecer um processo completo de verificação de qualidade.

No futuro, com a aplicação profunda da impressão 3D em áreas de fabricação de ponta, como aeroespacial, equipamentos médicos e automóveis, o refinamento e a inteligência dos processos de tratamento térmico se tornarão uma tendência importante. Novas tecnologias, como tratamento térmico in-situ, equipamentos integrados de pós-processamento e projeto de processo de tratamento térmico baseado na otimização de simulação, estão se desenvolvendo rapidamente. Recomenda-se que as empresas continuem a prestar atenção à vanguarda da tecnologia de tratamento térmico, incorporem a capacitação de tratamento térmico no planejamento da capacidade de serviços de impressão 3D e forneçam aos clientes serviços completos da cadeia de processos, desde a impressão até a liberação de desempenho.