Quá trình xử lý nhiệt và ủ các bộ phận in 3D: loại bỏ ứng suất bên trong và cải thiện tính chất cơ học

Giới thiệu: Vai trò chính của xử lý nhiệt trong chuỗi quy trình in 3D

Trong quá trình đúc các bộ phận in 3D, ứng suất nhiệt đáng kể và ứng suất dư thường tích tụ bên trong do chu kỳ gia nhiệt và làm mát nhanh. Những ứng suất này không chỉ ảnh hưởng đến độ ổn định kích thước của bộ phận mà còn có thể dẫn đến các vấn đề như cong vênh, nứt và mất độ bền. Xử lý nhiệt là một mắt xích quan trọng trong chuỗi quy trình xử lý hậu kỳ in 3D. Bằng cách kiểm soát chính xác nhiệt độ gia nhiệt, thời gian giữ và tốc độ làm mát, ứng suất bên trong có thể được loại bỏ một cách hiệu quả và cấu trúc vi mô có thể được tối ưu hóa, từ đó cải thiện đáng kể các tính chất cơ học toàn diện của bộ phận.

Các quy trình in 3D khác nhau dựa vào xử lý nhiệt ở các mức độ khác nhau. Do độ dốc nhiệt độ cực cao và tốc độ làm mát trong quá trình đúc khuôn in 3D kim loại (SLM, EBM, DED), hầu hết tất cả các bộ phận được in đều yêu cầu xử lý nhiệt thích hợp để đáp ứng yêu cầu của các ứng dụng kỹ thuật; các bộ phận được in bằng polyme (FDM, SLS, SLA) được ủ hoặc xử lý có chọn lọc tùy theo đặc tính vật liệu và tình huống ứng dụng. Bài viết này sẽ giới thiệu một cách có hệ thống quy trình xử lý nhiệt của các loại vật liệu in 3D, từ nguyên lý cơ bản đến thao tác thực tế, cung cấp tài liệu tham khảo cho các doanh nghiệp trong việc thiết lập một hệ thống xử lý hậu kỳ hoàn chỉnh.

Ủ giảm căng thẳng cho các bộ phận in 3D kim loại

Ủ giảm căng thẳng cho các bộ phận in 3D kim loại là quy trình xử lý nhiệt được sử dụng rộng rãi nhất. Lấy hợp kim nhôm (AlSi10Mg) làm ví dụ, ứng suất dư của các bộ phận được in có thể đạt tới 50% -80% cường độ chảy của vật liệu. Nếu không thực hiện giảm ứng suất, biến dạng nghiêm trọng có thể xảy ra trong quá trình gia công tiếp theo. Ủ giảm căng thẳng thường được giữ ở 300°C-350°C trong 2-4 giờ, sau đó làm nguội chậm đến nhiệt độ phòng trong lò. Đối với hợp kim titan (Ti-6Al-4V), nhiệt độ giảm ứng suất thường là 650 ° C-750 ° C và thời gian giữ được xác định theo độ dày thành của bộ phận.

Các thông số chính của quá trình ủ giảm ứng suất bao gồm tốc độ gia nhiệt, nhiệt độ giữ và tốc độ làm nguội. Nếu tốc độ gia nhiệt quá nhanh, gradient nhiệt độ bên trong của bộ phận sẽ tăng lên, điều này sẽ tạo ra ứng suất nhiệt mới; nếu thời gian giữ không đủ thì ứng suất dư không thể được giải phóng hoàn toàn. Giai đoạn làm mát đặc biệt quan trọng. Phải sử dụng việc làm nguội lò hoặc tốc độ làm nguội có kiểm soát để tránh những ứng suất mới do làm nguội nhanh. Đối với các bản in kim loại lớn, nên sử dụng quy trình làm nóng và làm mát theo từng giai đoạn để giảm hơn nữa tác động của sự chênh lệch nhiệt độ.

Việc lựa chọn môi trường xử lý nhiệt cũng ảnh hưởng đến chất lượng của các bộ phận. Đối với các kim loại hoạt động như hợp kim titan, việc xử lý nhiệt phải được thực hiện trong môi trường chân không hoặc khí bảo vệ argon để ngăn chặn quá trình oxy hóa ở nhiệt độ cao. Hợp kim nhôm có thể được xử lý trong môi trường không khí, nhưng cần chú ý kiểm soát thời gian giữ để tránh giảm độ bền do lão hóa quá mức. Quá trình xử lý nhiệt đối với thép không gỉ (316L, 17-4PH) tương đối ổn định, nhưng thép không gỉ làm cứng kết tủa đòi hỏi phải kiểm soát chính xác nhiệt độ lão hóa và thời gian lão hóa để đạt được cấp độ bền mục tiêu.

Xử lý lão hóa bằng dung dịch rắn và tối ưu hóa hiệu suất của hợp kim titan

Hợp kim titan là vật liệu in 3D kim loại được sử dụng rộng rãi nhất trong lĩnh vực hàng không vũ trụ và thiết bị y tế. Quá trình xử lý nhiệt của nó trực tiếp xác định các bộ phậnmàn trình diễn cuối cùng. Cấu trúc in của Ti-6Al-4V thường là martensite dạng kim, có độ bền và độ cứng cao nhưng độ dẻo kém. Thông qua xử lý dung dịch rắn (950°C-1020°C, bảo quản nhiệt trong 1-2 giờ, làm lạnh nhanh) và xử lý lão hóa (480°C-595°C, bảo quản nhiệt trong 4-8 giờ), có thể thu được cấu trúc hai pha, có thể cải thiện đáng kể độ dẻo và độ dẻo dai trong khi vẫn duy trì độ bền cao.

Đối với hợp kim titan in 3D, việc xử lý nhiệt cũng cần xem xét đến đặc điểm của cấu trúc in. Các hạt được in cho thấy hình thái tinh thể dạng cột phát triển đồng thời, kích thước và kết cấu hạt có tác động đáng kể đến hiệu suất. Thông qua xử lý ủ β (nhiệt độ biến đổi cao hơn β), hình thái tinh thể cột có thể được loại bỏ, có thể thu được cấu trúc tinh thể đẳng trục và hiệu suất mỏi có thể được cải thiện. Tuy nhiên, ủ beta sẽ làm giảm độ bền và cần được cân bằng theo yêu cầu ứng dụng. Cấy ghép hợp kim titan trong lĩnh vực thiết bị y tế thường yêu cầu ủ hoàn toàn để có được khả năng tương thích sinh học tối ưu và tuổi thọ mỏi.

Tác động của việc xử lý nhiệt đến độ chính xác về kích thước của các bộ phận được in bằng hợp kim titan cần được chú ý đặc biệt. Việc làm nguội nhanh quá trình xử lý dung dịch có thể gây ra biến dạng bộ phận, do đó các vùng kích thước quan trọng cần được gia công lại sau khi xử lý nhiệt. Nên dự trữ dung sai gia công 0,5-1mm trong thiết kế và tiến hành hoàn thiện sau khi xử lý nhiệt. Đồng thời, biến dạng trong quá trình xử lý nhiệt cũng có thể được giảm bớt một phần bằng cách tối ưu hóa cấu trúc hỗ trợ và điều chỉnh hướng đặt trong quá trình in.

Quy trình xử lý nhiệt của hợp kim nhôm và thép không gỉ

Quá trình xử lý nhiệt của các bộ phận in 3D bằng hợp kim nhôm chủ yếu bao gồm ủ giảm ứng suất, xử lý dung dịch và lão hóa nhân tạo. AlSi10Mg là hợp kim nhôm đúc phổ biến. Cấu trúc in được là một mạng silicon eutectic mịn. Sau khi xử lý bằng dung dịch rắn (520°C-530°C) và lão hóa nhân tạo (155°C-175°C, bảo quản nhiệt trong 6-12 giờ), pha silicon hình cầu và các tính chất cơ học được cải thiện đáng kể. Độ bền kéo của AlSi10Mg ở trạng thái T6 (dung dịch rắn + lão hóa) có thể đạt hơn 330MPa và độ giãn dài tăng lên hơn 8%.

Xử lý nhiệt hợp kim nhôm đòi hỏi phải chú ý đến nguy cơ lão hóa quá mức. Nhiệt độ lão hóa quá cao hoặc thời gian quá dài sẽ dẫn đến giảm độ bền, do đó cửa sổ quy trình cần phải được kiểm soát chặt chẽ. Ngoài ra, thời gian chuyển hóa tôi của các bộ phận hợp kim nhôm sau khi xử lý dung dịch phải càng ngắn càng tốt (thường không quá 15 giây) để đảm bảo hiệu quả của dung dịch. Đối với các bộ phận hợp kim nhôm có thành mỏng, việc làm nguội có thể gây biến dạng, và có thể xem xét phương pháp làm nguội bằng polyme thay vì làm nguội bằng nước để giảm tốc độ làm mát.

Trong số các bộ phận in 3D bằng thép không gỉ, thép không gỉ austenit 316L thường chỉ cần xử lý giảm ứng suất (400°C-500°C, bảo quản nhiệt trong 1-2 giờ) để đáp ứng hầu hết các yêu cầu ứng dụng. Thép không gỉ cứng kết tủa 17-4PH yêu cầu xử lý dung dịch (khoảng 1040°C) và xử lý lão hóa (480°C-620°C, được chọn theo mức độ bền yêu cầu). Thép không gỉ Martensitic (như 420, 440C) cần được ủ sau khi in để cải thiện khả năng gia công, và cuối cùng đạt được độ cứng mục tiêu thông qua quá trình làm nguội và ủ. Xử lý nhiệt bằng thép không gỉ có yêu cầu thấp hơn đối với khí quyển, nhưngVẫn nên thực hiện trong môi trường bảo vệ để tránh lớp oxit bề mặt ảnh hưởng đến quá trình xử lý bề mặt tiếp theo.

Ủ và xử lý các bộ phận in 3D bằng polyme

Không thể bỏ qua việc xử lý nhiệt các bộ phận in 3D bằng polyme. Các bộ phận như PLA và ABS được in bằng FDM có tính dị hướng rõ ràng do liên kết giữa các lớp yếu. Xử lý ủ có thể làm giảm ứng suất dư một cách hiệu quả và cải thiện độ bền liên kết giữa các lớp. Nhiệt độ ủ của các bộ phận PLA thường là 60°C-90°C (gần với nhiệt độ chuyển thủy tinh) và thời gian giữ là 30-60 phút; nhiệt độ ủ của các bộ phận ABS là 80°C-110°C. Kích thước của bộ phận có thể co lại hoặc giãn ra một chút sau khi ủ và cần phải cung cấp sự bù trừ trong thiết kế.

Việc xử lý ủ các bản in SLS bằng nylon (PA12) rất đặc biệt. Trong quá trình in SLS, bột không kết dính đóng vai trò hỗ trợ trong các bộ phận và các bộ phận có thể bị co rút kết tinh chậm trong quá trình làm mát, dẫn đến thay đổi kích thước. Bằng cách ủ ở 120°C-150°C, độ kết tinh có thể được ổn định và độ ổn định kích thước được cải thiện. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng việc ủ sẽ làm tăng nhẹ độ cứng và độ cứng của các bộ phận nylon, đồng thời làm giảm độ dẻo dai, điều này cần được xem xét toàn diện trong quá trình thiết kế.

Xử lý sau các bản in nhựa xử lý bằng ánh sáng (SLA, DLP) là một bước quan trọng để đạt được hiệu suất cuối cùng. Sau khi in xong, bên trong các bộ phận nhựa vẫn còn các monome chưa được xử lý chưa hoàn chỉnh, cần được xử lý sau trong hộp xử lý bằng tia cực tím. Thời gian sau xử lý thường là 30-90 phút, tùy thuộc vào loại nhựa và độ dày bộ phận. Quá trình xử lý sau có thể làm tăng đáng kể độ bền, độ cứng và khả năng chịu nhiệt của một bộ phận, nhưng nó cũng có thể gây co ngót và biến dạng. Đối với các bộ phận được xử lý bằng ánh sáng có yêu cầu độ chính xác cao, nên xử lý sau trước khi tháo dỡ hỗ trợ để giảm biến dạng. Một số loại nhựa kỹ thuật cũng yêu cầu xử lý sau nhiệt (60°C-80°C) để tăng thêm nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh.

Xác định các thông số quy trình xử lý nhiệt và xác minh chất lượng

Việc xác định các thông số quy trình xử lý nhiệt đòi hỏi phải xem xét toàn diện về loại vật liệu, quy trình in, kích thước bộ phận và các yêu cầu về hiệu suất. Chúng tôi khuyến nghị rằng khi thiết lập quy trình xử lý nhiệt, các công ty nên tham khảo các cửa sổ quy trình được đề xuất do các nhà cung cấp vật liệu cung cấp và xác định các thông số tốt nhất thông qua xác minh thực nghiệm. Thiết kế thí nghiệm có thể sử dụng phương pháp thí nghiệm trực giao để kiểm tra ảnh hưởng của ba yếu tố chính là nhiệt độ, thời gian và tốc độ làm nguội đến tính chất cơ học. Việc xác minh hiệu suất của từng lô bộ phận được xử lý nhiệt phải bao gồm kiểm tra độ bền kéo, kiểm tra độ cứng và phân tích cấu trúc vi mô.

Xác minh chất lượng là mắt xích quan trọng trong quá trình kiểm soát khép kín của quy trình xử lý nhiệt. Các lần kiểm tra sau đây phải được thực hiện sau khi mỗi lô bộ phận được xử lý nhiệt: đầu tiên, kiểm tra kích thước để xác nhận rằng độ biến dạng của các bộ phận nằm trong phạm vi cho phép; thứ hai, kiểm tra độ cứng để xác minh tính nhất quán của hiệu quả xử lý nhiệt; thứ ba, kiểm tra cấu trúc vi mô để xác nhận rằng không có cấu trúc bất thường như quá nóng và quá nóng; thứ tư, nên tiến hành kiểm tra đặc tính cơ học, kiểm tra độ bền kéo và kiểm tra tác động trên các bộ phận chính. Cần lập một sổ cái cho dữ liệu kiểm tra để lập hồ sơ truy xuất nguồn gốc lô nhằm cung cấp dữ liệu hỗ trợ cho việc tối ưu hóa quy trình liên tục.

Hiệu chuẩn và bảo trì thiết bị xử lý nhiệt cũng quan trọng không kém. Độ đồng đều của nhiệt độ lò phải được kiểm tra thường xuyên (nên kiểm tra mỗi quý một lần) để đảm bảo độ lệch nhiệt độ trong lò nằm trong phạm vi ±10°C. Cặp nhiệt điện cần được hiệu chuẩn thường xuyên và máy ghi nhiệt độ phải được trang bị chức năng cảnh báo quá nhiệt. Đối với lò xử lý nhiệt chân không cũng cần thường xuyên kiểm tra khả năng duy trì chân không và độ sạch của khí quyển. Thiết lập một hệ thống quản lý thiết bị xử lý nhiệt hợp lý là cơ sở để đảm bảo sự ổn định của chất lượng xử lý nhiệt.

Kết luận: Xử lý nhiệt là chìa khóa để giải phóng hiệu suất của các bộ phận in 3D

Xử lý nhiệt đóng vai trò ngày càng quan trọng trong chuỗi quy trình in 3D. Đối với các bộ phận in kim loại, xử lý nhiệt gần như là một quá trình không thể thiếu, quyết định trực tiếp đến độ bền, độ dẻo và tuổi thọ mỏi của bộ phận; đối với các bộ phận được in bằng polymer, các phương pháp xử lý ủ và sau xử lý có thể cải thiện đáng kể độ ổn định kích thước và tính chất cơ học. Doanh nghiệp nên thiết lập một hệ thống quy trình xử lý nhiệt được tiêu chuẩn hóa dựa trên đặc tính vật liệu và yêu cầu ứng dụng, đồng thời cung cấp quy trình xác minh chất lượng hoàn chỉnh.

Trong tương lai, với ứng dụng chuyên sâu của in 3D trong các lĩnh vực sản xuất cao cấp như hàng không vũ trụ, thiết bị y tế và ô tô, sự tinh tế và thông minh của các quy trình xử lý nhiệt sẽ trở thành xu hướng quan trọng. Các công nghệ mới như xử lý nhiệt tại chỗ, thiết bị xử lý sau tích hợp và thiết kế quy trình xử lý nhiệt dựa trên tối ưu hóa mô phỏng đang phát triển nhanh chóng. Chúng tôi khuyến nghị các doanh nghiệp tiếp tục chú ý đến công nghệ xử lý nhiệt đi đầu, kết hợp nâng cao năng lực xử lý nhiệt vào quy hoạch năng lực dịch vụ in 3D và cung cấp cho khách hàng các dịch vụ chuỗi quy trình hoàn chỉnh từ in ấn đến phát hành hiệu suất.