กระบวนการอบอ่อนและการอบอ่อนของชิ้นส่วนที่พิมพ์แบบ 3 มิติ: ขจัดความเครียดภายในและปรับปรุงคุณสมบัติทางกล

บทนำ: บทบาทสำคัญของการอบชุบด้วยความร้อนในห่วงโซ่กระบวนการพิมพ์ 3 มิติ

ในระหว่างกระบวนการขึ้นรูปชิ้นส่วนที่พิมพ์ 3 มิติ ความเค้นจากความร้อนที่สำคัญและความเค้นตกค้างมักจะสะสมอยู่ภายในเนื่องจากรอบการให้ความร้อนและความเย็นอย่างรวดเร็ว ความเค้นเหล่านี้ไม่เพียงส่งผลต่อความเสถียรของมิติของชิ้นส่วนเท่านั้น แต่ยังนำไปสู่ปัญหาต่างๆ เช่น การบิดงอ การแตกร้าว และการสูญเสียความแข็งแรงอีกด้วย การอบชุบด้วยความร้อนเป็นส่วนสำคัญในห่วงโซ่กระบวนการหลังการประมวลผลการพิมพ์ 3 มิติ ด้วยการควบคุมอุณหภูมิความร้อน เวลาจับยึด และอัตราการทำความเย็นอย่างแม่นยำ สามารถขจัดความเครียดภายในได้อย่างมีประสิทธิภาพ และสามารถปรับโครงสร้างจุลภาคให้เหมาะสมได้ ซึ่งจะช่วยปรับปรุงคุณสมบัติทางกลที่ครอบคลุมของชิ้นส่วนได้อย่างมาก

กระบวนการพิมพ์ 3D ที่แตกต่างกันต้องอาศัยการอบชุบด้วยความร้อนในระดับที่แตกต่างกัน เนื่องจากการไล่ระดับอุณหภูมิและอัตราการเย็นตัวที่สูงมากในระหว่างกระบวนการขึ้นรูปของการพิมพ์โลหะ 3 มิติ (SLM, EBM, DED) ชิ้นส่วนที่พิมพ์เกือบทั้งหมดจำเป็นต้องได้รับการบำบัดความร้อนที่เหมาะสมเพื่อให้ตรงตามข้อกำหนดของการใช้งานทางวิศวกรรม ชิ้นส่วนพิมพ์โพลีเมอร์ (FDM, SLS, SLA) ได้รับการอบอ่อนหรือบ่มแบบเลือกสรรตามคุณสมบัติของวัสดุและสถานการณ์การใช้งาน บทความนี้จะแนะนำกระบวนการอบชุบด้วยความร้อนของวัสดุการพิมพ์ 3 มิติประเภทต่างๆ อย่างเป็นระบบ ตั้งแต่หลักการพื้นฐานไปจนถึงการปฏิบัติงานจริง โดยเป็นข้อมูลอ้างอิงสำหรับองค์กรต่างๆ ในการสร้างระบบหลังการประมวลผลที่สมบูรณ์

การอบอ่อนแบบคลายความเครียดของชิ้นส่วนโลหะที่พิมพ์ 3 มิติ

การอบอ่อนแบบคลายความเครียดของชิ้นส่วนโลหะที่พิมพ์ 3 มิติเป็นกระบวนการบำบัดความร้อนที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด ยกตัวอย่างอลูมิเนียมอัลลอยด์ (AlSi10Mg) ความเค้นตกค้างของชิ้นส่วนที่พิมพ์สามารถสูงถึง 50% -80% ของความแข็งแรงของผลผลิตของวัสดุ หากไม่ดำเนินการบรรเทาความเครียด อาจเกิดการเสียรูปอย่างรุนแรงในระหว่างการตัดเฉือนครั้งต่อไป โดยปกติการอบอ่อนเพื่อบรรเทาความเครียดมักจะอยู่ที่ 300°C-350°C เป็นเวลา 2-4 ชั่วโมง ตามด้วยการทำให้เย็นลงในเตาเผาอย่างช้าๆ จนถึงอุณหภูมิห้อง สำหรับโลหะผสมไททาเนียม (Ti-6Al-4V) อุณหภูมิบรรเทาความเครียดมักจะอยู่ที่ 650°C-750°C และเวลาในการจับยึดจะพิจารณาจากความหนาของผนังของชิ้นส่วน

พารามิเตอร์ที่สำคัญของการหลอมบรรเทาความเครียด ได้แก่ อัตราการให้ความร้อน อุณหภูมิในการคงตัว และอัตราการทำความเย็น หากอัตราการทำความร้อนเร็วเกินไป การไล่ระดับอุณหภูมิภายในของชิ้นส่วนจะเพิ่มขึ้น ซึ่งจะทำให้เกิดความเครียดจากความร้อนใหม่ หากเวลาในการจับยึดไม่เพียงพอ ความเค้นตกค้างจะไม่สามารถระบายออกได้เต็มที่ ขั้นตอนการทำความเย็นมีความสำคัญอย่างยิ่ง ต้องใช้การระบายความร้อนของเตาหรืออัตราการทำความเย็นที่ควบคุมเพื่อหลีกเลี่ยงความเครียดใหม่ที่เกิดจากการทำความเย็นอย่างรวดเร็ว สำหรับการพิมพ์โลหะขนาดใหญ่ ขอแนะนำให้ใช้กระบวนการทำความร้อนและความเย็นแบบแบ่งส่วน เพื่อลดผลกระทบของการไล่ระดับอุณหภูมิเพิ่มเติม

การเลือกบรรยากาศการอบชุบยังส่งผลต่อคุณภาพของชิ้นส่วนด้วย สำหรับโลหะที่ออกฤทธิ์ เช่น โลหะผสมไทเทเนียม การบำบัดความร้อนจะต้องดำเนินการในสุญญากาศหรือบรรยากาศป้องกันอาร์กอน เพื่อป้องกันการเกิดออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูง อลูมิเนียมอัลลอยด์สามารถแปรรูปได้ในบรรยากาศอากาศ แต่ต้องให้ความสนใจกับการควบคุมเวลาการยึดเกาะเพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้ความแข็งแรงลดลงเนื่องจากอายุที่มากเกินไป กระบวนการอบชุบด้วยความร้อนสำหรับเหล็กสเตนเลส (316L, 17-4PH) ค่อนข้างจะช่วยลดปัญหาได้ แต่เหล็กสเตนเลสที่ผ่านการชุบแข็งด้วยการตกตะกอนจำเป็นต้องควบคุมอุณหภูมิการเสื่อมสภาพและเวลาการเสื่อมสภาพอย่างแม่นยำเพื่อให้ได้เกรดความแข็งแกร่งตามเป้าหมาย

การรักษาอายุของสารละลายแข็งและการเพิ่มประสิทธิภาพประสิทธิภาพของโลหะผสมไทเทเนียม

โลหะผสมไทเทเนียมเป็นวัสดุการพิมพ์ 3 มิติโลหะที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุดในด้านการบินและอวกาศและอุปกรณ์ทางการแพทย์ กระบวนการอบชุบด้วยความร้อนจะกำหนดชิ้นส่วนโดยตรงประสิทธิภาพสุดท้าย โครงสร้างที่พิมพ์ของ Ti-6Al-4V มักจะเป็นมาร์เทนไซต์แบบแอคคิวลาร์ ซึ่งมีความแข็งแรงและความแข็งสูง แต่มีความเป็นพลาสติกต่ำ ด้วยการบำบัดด้วยสารละลายของแข็ง (950°C-1,020°C การเก็บรักษาความร้อนเป็นเวลา 1-2 ชั่วโมง การทำความเย็นอย่างรวดเร็ว) และการบำบัดริ้วรอย (480°C-595°C การเก็บรักษาความร้อนเป็นเวลา 4-8 ชั่วโมง) สามารถรับโครงสร้างแบบสองเฟส ซึ่งสามารถปรับปรุงความเป็นพลาสติกและความเหนียวได้อย่างมีนัยสำคัญในขณะที่ยังคงรักษาความแข็งแรงสูงไว้

สำหรับโลหะผสมไทเทเนียมในการพิมพ์ 3 มิติ การอบชุบด้วยความร้อนยังต้องพิจารณาถึงคุณลักษณะของโครงสร้างการพิมพ์ด้วย เม็ดเกรนที่พิมพ์ออกมาแสดงให้เห็นสัณฐานวิทยาของผลึกเรียงเป็นแนวเรียงเป็นแนวที่เติบโตในชั้น epitaxis และขนาดและเนื้อสัมผัสของเกรนมีผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพ ด้วยการบำบัดด้วยการอบอ่อน β (สูงกว่าอุณหภูมิการเปลี่ยนแปลง β) สามารถกำจัดสัณฐานวิทยาของผลึกเรียงเป็นแนวได้ โครงสร้างผลึกที่เท่ากันสามารถรับได้ และประสิทธิภาพความล้าสามารถปรับปรุงได้ อย่างไรก็ตาม การหลอมด้วยเบต้าจะลดความแข็งแรงและจำเป็นต้องปรับสมดุลตามความต้องการใช้งาน การฝังโลหะผสมไทเทเนียมในด้านอุปกรณ์การแพทย์มักจะต้องมีการอบอ่อนอย่างสมบูรณ์เพื่อให้ได้ความเข้ากันได้ทางชีวภาพที่เหมาะสมที่สุดและอายุการใช้งานที่ล้า

ผลกระทบของการอบชุบด้วยความร้อนต่อความแม่นยำของมิติของชิ้นส่วนที่พิมพ์ด้วยไททาเนียมอัลลอยด์ต้องได้รับการดูแลเป็นพิเศษ การระบายความร้อนอย่างรวดเร็วของการบำบัดสารละลายอาจทำให้ชิ้นส่วนบิดเบี้ยวได้ ดังนั้นพื้นที่มิติที่สำคัญจึงจำเป็นต้องได้รับการตัดเฉือนใหม่หลังการบำบัดความร้อน ขอแนะนำให้เผื่อเผื่อการตัดเฉือนไว้ที่ 0.5-1 มม. ในการออกแบบและดำเนินการเก็บผิวละเอียดหลังการอบชุบด้วยความร้อน ในเวลาเดียวกัน การเสียรูปในระหว่างกระบวนการอบชุบด้วยความร้อนสามารถบรรเทาได้บางส่วนด้วยการปรับโครงสร้างรองรับให้เหมาะสมและปรับทิศทางการจัดวางระหว่างการพิมพ์

กระบวนการอบชุบด้วยความร้อนของอะลูมิเนียมอัลลอยและสเตนเลส

การอบชุบด้วยความร้อนของชิ้นส่วนที่พิมพ์ด้วย 3D ของอะลูมิเนียมอัลลอยด์ส่วนใหญ่ประกอบด้วยการอบอ่อนเพื่อบรรเทาความเครียด การบำบัดด้วยสารละลาย และการแก่ชราเทียม AlSi10Mg เป็นโลหะผสมอลูมิเนียมหล่อทั่วไป โครงสร้างที่พิมพ์ออกมาเป็นโครงข่ายซิลิคอนยูเทคติกชั้นดี หลังจากการบำบัดด้วยสารละลายของแข็ง (520°C-530°C) และอายุเทียม (155°C-175°C การเก็บรักษาความร้อนเป็นเวลา 6-12 ชั่วโมง) เฟสซิลิคอนจะเกิดเป็นทรงกลมและคุณสมบัติทางกลได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญ ความต้านทานแรงดึงของ AlSi10Mg ในสถานะ T6 (สารละลายแข็ง + การเสื่อมสภาพ) สามารถเข้าถึงได้มากกว่า 330MPa และการยืดตัวเพิ่มขึ้นมากกว่า 8%

การอบชุบด้วยความร้อนด้วยอะลูมิเนียมอัลลอยด์ต้องคำนึงถึงความเสี่ยงที่จะเกิดอายุที่มากเกินไป อุณหภูมิการเสื่อมสภาพที่สูงเกินไปหรือเวลาที่นานเกินไปจะทำให้ความแข็งแรงลดลง ดังนั้นหน้าต่างกระบวนการจึงต้องได้รับการควบคุมอย่างเข้มงวด นอกจากนี้ เวลาในการถ่ายโอนการดับของชิ้นส่วนโลหะผสมอลูมิเนียมหลังการบำบัดสารละลายควรสั้นที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ (โดยทั่วไปจะไม่เกิน 15 วินาที) เพื่อให้มั่นใจถึงผลของการแก้ปัญหา สำหรับชิ้นส่วนอลูมิเนียมอัลลอยด์ที่มีผนังบาง การชุบแข็งอาจทำให้เกิดการเสียรูป และสามารถพิจารณาสื่อการชุบโพลีเมอร์แทนการชุบน้ำเพื่อลดอัตราการเย็นลง

ในบรรดาชิ้นส่วนที่พิมพ์ด้วย 3D สแตนเลส สเตนเลสออสเทนนิติก 316L มักต้องการการบรรเทาความเครียดเท่านั้น (400°C-500°C เก็บรักษาความร้อนเป็นเวลา 1-2 ชั่วโมง) เพื่อให้ตรงตามข้อกำหนดการใช้งานส่วนใหญ่ สแตนเลสชุบแข็งด้วยการตกตะกอน 17-4PH ต้องใช้สารละลาย (ประมาณ 1,040°C) และการบำบัดริ้วรอย (480°C-620°C เลือกตามระดับความแข็งแรงที่ต้องการ) สเตนเลสมาร์เทนซิติก (เช่น 420, 440C) จำเป็นต้องอบอ่อนหลังการพิมพ์เพื่อปรับปรุงความสามารถในการแปรรูป และสุดท้ายจะได้ความแข็งของเป้าหมายผ่านการชุบแข็งและการอบคืนสภาพ การอบชุบด้วยความร้อนด้วยสเตนเลสมีข้อกำหนดด้านบรรยากาศที่ต่ำกว่ายังคงแนะนำให้ดำเนินการในบรรยากาศที่มีการป้องกันเพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้ชั้นออกไซด์ของพื้นผิวส่งผลกระทบต่อการรักษาพื้นผิวในภายหลัง

การอบอ่อนและการแข็งตัวของชิ้นส่วนที่พิมพ์ด้วยโพลีเมอร์ 3 มิติ

การอบอ่อนและการบ่มของชิ้นส่วนที่พิมพ์ด้วยโพลีเมอร์ 3 มิตินั้นไม่สามารถละเลยได้ ชิ้นส่วนต่างๆ เช่น PLA และ ABS ที่พิมพ์โดย FDM มีแอนไอโซโทรปีที่ชัดเจนเนื่องจากการยึดเกาะระหว่างชั้นที่อ่อนแอ การอบอ่อนสามารถลดความเค้นตกค้างและปรับปรุงความแข็งแรงการยึดเกาะระหว่างชั้นได้อย่างมีประสิทธิภาพ อุณหภูมิการหลอมของชิ้นส่วน PLA มักจะอยู่ที่ 60°C-90°C (ใกล้กับอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว) และเวลาในการถือครองคือ 30-60 นาที อุณหภูมิการหลอมของชิ้นส่วน ABS คือ 80°C-110°C ขนาดของชิ้นส่วนอาจหดตัวหรือขยายเล็กน้อยหลังจากการหลอม และต้องมีการชดเชยในการออกแบบ

การอบอ่อนของงานพิมพ์ SLS ของไนลอน (PA12) เป็นเรื่องพิเศษ ในระหว่างกระบวนการพิมพ์ SLS ผงที่ไม่มีการเผาจะมีบทบาทสนับสนุนในชิ้นส่วน และชิ้นส่วนอาจเกิดการหดตัวของการตกผลึกช้าในระหว่างกระบวนการทำความเย็น ส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงมิติ ด้วยการหลอมที่อุณหภูมิ 120°C-150°C ความเป็นผลึกจะมีเสถียรภาพและความเสถียรของมิติดีขึ้น อย่างไรก็ตาม ควรสังเกตว่าการอบอ่อนจะเพิ่มความแข็งและความแข็งของชิ้นส่วนไนลอนเล็กน้อย ขณะเดียวกันก็ลดความเหนียวลง ซึ่งต้องพิจารณาอย่างครอบคลุมในระหว่างการออกแบบ

การบ่มงานพิมพ์เรซินที่บ่มด้วยแสง (SLA, DLP) ถือเป็นขั้นตอนสำคัญในการบรรลุประสิทธิภาพขั้นสุดท้าย หลังจากการพิมพ์เสร็จสิ้น ยังมีโมโนเมอร์ที่บ่มไม่เสร็จสมบูรณ์ภายในชิ้นส่วนเรซิน ซึ่งจำเป็นต้องบ่มในกล่องบ่มด้วยรังสียูวี โดยทั่วไปเวลาหลังการแข็งตัวคือ 30-90 นาที ขึ้นอยู่กับประเภทของเรซินและความหนาของชิ้นส่วน หลังการบ่มสามารถเพิ่มความแข็งแรง ความแข็ง และความต้านทานความร้อนของชิ้นส่วนได้อย่างมาก แต่ก็สามารถทำให้เกิดการหดตัวและการเสียรูปได้เช่นกัน สำหรับชิ้นส่วนที่บ่มด้วยแสงซึ่งมีความต้องการความแม่นยำสูง แนะนำให้ทำการบ่มก่อนทำการถอดออกเพื่อลดการเสียรูป เรซินวิศวกรรมบางชนิดยังต้องมีการบ่มด้วยความร้อน (60°C-80°C) เพื่อเพิ่มอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้วอีก

การกำหนดพารามิเตอร์กระบวนการบำบัดความร้อนและการตรวจสอบคุณภาพ

การกำหนดพารามิเตอร์กระบวนการบำบัดความร้อนจำเป็นต้องมีการพิจารณาเกรดวัสดุ กระบวนการพิมพ์ ขนาดชิ้นส่วน และข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพอย่างครอบคลุม ขอแนะนำว่าเมื่อสร้างกระบวนการบำบัดความร้อน บริษัทต่างๆ อ้างอิงหน้าต่างกระบวนการที่แนะนำซึ่งจัดทำโดยซัพพลายเออร์วัสดุ และกำหนดพารามิเตอร์ที่ดีที่สุดผ่านการตรวจสอบเชิงทดลอง การออกแบบการทดลองสามารถใช้วิธีการทดลองมุมฉากเพื่อตรวจสอบอิทธิพลของปัจจัยหลัก 3 ประการ ได้แก่ อุณหภูมิ เวลา และอัตราการเย็นตัวต่อคุณสมบัติทางกล การตรวจสอบประสิทธิภาพของชิ้นส่วนที่ได้รับความร้อนแต่ละชุดควรรวมถึงการทดสอบแรงดึง การทดสอบความแข็ง และการวิเคราะห์โครงสร้างจุลภาค

การตรวจสอบคุณภาพเป็นกุญแจสำคัญในการควบคุมกระบวนการบำบัดความร้อนแบบวงปิด การตรวจสอบต่อไปนี้ควรดำเนินการหลังจากชิ้นส่วนแต่ละชุดได้รับการบำบัดความร้อน ขั้นแรก การตรวจสอบขนาดเพื่อยืนยันว่าการเสียรูปของชิ้นส่วนอยู่ภายในช่วงที่อนุญาต ประการที่สอง การทดสอบความแข็งเพื่อตรวจสอบความสม่ำเสมอของผลการรักษาความร้อน ประการที่สาม การตรวจสอบโครงสร้างจุลภาคเพื่อยืนยันว่าไม่มีโครงสร้างที่ผิดปกติ เช่น ความร้อนสูงเกินไปและการเผาไหม้มากเกินไป ประการที่สี่ ควรทำการทดสอบคุณสมบัติทางกล การทดสอบแรงดึง และการทดสอบแรงกระแทกกับชิ้นส่วนสำคัญ ควรจัดทำบัญชีแยกประเภทสำหรับข้อมูลการตรวจสอบเพื่อสร้างบันทึกการตรวจสอบย้อนกลับแบบแบตช์เพื่อให้การสนับสนุนข้อมูลสำหรับการปรับกระบวนการให้เหมาะสมอย่างต่อเนื่อง

การสอบเทียบและการบำรุงรักษาอุปกรณ์บำบัดความร้อนมีความสำคัญไม่แพ้กัน ควรตรวจสอบความสม่ำเสมอของอุณหภูมิเตาเผาอย่างสม่ำเสมอ (แนะนำไตรมาสละครั้ง) เพื่อให้แน่ใจว่าค่าเบี่ยงเบนของอุณหภูมิในเตาเผาอยู่ภายใน ±10°C จำเป็นต้องปรับเทียบเทอร์โมคัปเปิลเป็นประจำ และเครื่องบันทึกอุณหภูมิควรติดตั้งฟังก์ชันเตือนอุณหภูมิเกิน สำหรับเตาบำบัดความร้อนสุญญากาศ จำเป็นต้องตรวจสอบความสามารถในการรักษาสุญญากาศและความบริสุทธิ์ของบรรยากาศเป็นประจำ การสร้างระบบการจัดการอุปกรณ์บำบัดความร้อนที่ดีเป็นพื้นฐานในการประกันเสถียรภาพของคุณภาพการบำบัดความร้อน

สรุป: การอบชุบด้วยความร้อนเป็นกุญแจสำคัญในการปลดปล่อยประสิทธิภาพของชิ้นส่วนที่พิมพ์แบบ 3 มิติ

การอบชุบด้วยความร้อนมีบทบาทสำคัญในห่วงโซ่กระบวนการพิมพ์แบบ 3 มิติมากขึ้น สำหรับชิ้นส่วนที่พิมพ์ด้วยโลหะ การอบชุบด้วยความร้อนถือเป็นกระบวนการที่แทบจะขาดไม่ได้ ซึ่งจะกำหนดความแข็งแรง ความเป็นพลาสติก และความล้าของชิ้นส่วนโดยตรง สำหรับชิ้นส่วนที่พิมพ์ด้วยโพลีเมอร์ การอบอ่อนและการอบอ่อนหลังการบ่มสามารถปรับปรุงความเสถียรของมิติและคุณสมบัติทางกลได้อย่างมีนัยสำคัญ องค์กรควรสร้างระบบกระบวนการบำบัดความร้อนที่ได้มาตรฐานโดยพิจารณาจากลักษณะของวัสดุและข้อกำหนดการใช้งาน และจัดให้มีกระบวนการตรวจสอบคุณภาพที่สมบูรณ์

ในอนาคต ด้วยการประยุกต์ใช้การพิมพ์ 3 มิติในเชิงลึกในสาขาการผลิตระดับไฮเอนด์ เช่น การบินและอวกาศ อุปกรณ์ทางการแพทย์ และรถยนต์ การปรับแต่งและความชาญฉลาดของกระบวนการบำบัดความร้อนจะกลายเป็นกระแสสำคัญ เทคโนโลยีใหม่ๆ เช่น การอบชุบด้วยความร้อนในแหล่งกำเนิด อุปกรณ์หลังการประมวลผลแบบรวม และการออกแบบกระบวนการอบชุบด้วยการปรับให้เหมาะสมของการจำลอง กำลังพัฒนาอย่างรวดเร็ว ขอแนะนำให้องค์กรต่างๆ ให้ความสำคัญกับเทคโนโลยีการรักษาความร้อนระดับแนวหน้าต่อไป รวมการสร้างความสามารถในการรักษาความร้อนไว้ในการวางแผนความจุของบริการการพิมพ์ 3 มิติ และให้บริการลูกค้าด้วยห่วงโซ่กระบวนการที่สมบูรณ์ตั้งแต่การพิมพ์ไปจนถึงการเปิดตัวประสิทธิภาพ