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3D打印中的熱處理

魔猴君  知識(shí)堂   112天前

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后處理是增材制造的關(guān)鍵步驟,到目前為止,無論使用哪種3D打印工藝,我們都已經(jīng)看到了行業(yè)中使用的幾種方法:除粉、去除支撐、著色等?,F(xiàn)在是時(shí)候解決另一點(diǎn)了:3D打印零件的熱處理。根據(jù)預(yù)期結(jié)果、使用的材料和首選技術(shù),這可以采取多種形式。然后我們將討論燒結(jié)、金屬退火、硬化(固化)甚至熱等靜壓。此后處理步驟有一個(gè)特定目標(biāo):減少3D打印零件的內(nèi)應(yīng)力并提高其機(jī)械性能。根據(jù)所選擇的技術(shù),我們顯然會(huì)得到不同的結(jié)果,但目標(biāo)是影響打印過程中可能出現(xiàn)的殘余應(yīng)力。我們邀請(qǐng)您回顧增材制造中存在的熱處理方法并了解它們各自的挑戰(zhàn)。

在增材制造中,生產(chǎn)的零件會(huì)受到不同的溫度影響,并根據(jù)所選的打印工藝經(jīng)歷或多或少重要的加熱和冷卻階段。這些階段對(duì)積累殘余應(yīng)力的零件有直接影響。打印后進(jìn)行熱處理至關(guān)重要,因?yàn)樗粌H涉及消除這些缺陷,而且還影響零件的機(jī)械特性,例如抗彎曲性、延展性甚至最終硬度。

不同的設(shè)備允許在增材制造中進(jìn)行熱處理(照片來源:Markforged)

燒結(jié)

燒結(jié)或燒結(jié)是可用于增材制造的熱處理之一。我們提請(qǐng)您注意,嚴(yán)格來說,這更多的是制造過程中的一個(gè)步驟,而不是后處理方法。事實(shí)上,在使用粉末粘合甚至間接3D打印時(shí),這是強(qiáng)制性的。我們指的是使用摻有金屬顆粒的塑料絲的方法。通過燒結(jié)打印后獲得的生坯,我們?nèi)コ苏澈蟿┎⒔饘兕w粒固化在一起。為此,需要一個(gè)燒結(jié)爐:溫度升高,略低于所用材料的熔化溫度。該技術(shù)可以去除原始粉末顆粒,減少零件的孔隙率并增加其硬度。它將主要與金屬粉末或陶瓷一起使用。

考慮到最終件的回縮現(xiàn)象。事實(shí)上,在燒結(jié)過程中,材料顆粒會(huì)粘合在一起并取代粘合劑,這將減小原始零件的尺寸。這一減少幅度約為15%至20%。

聚合物固化

如果我們現(xiàn)在看看增材制造中的聚合物,就會(huì)發(fā)現(xiàn)有一種處理零件并改善其最終性能的技術(shù)。這是一個(gè)硬化或固化階段。這主要用于樹脂3D打印。您應(yīng)該知道,樹脂是由幾種在液態(tài)下不連接在一起的單體組成的。當(dāng)暴露于紫外線源時(shí),這些相同的單體將結(jié)合在一起形成所需的部件。然而,打印后,某些區(qū)域不會(huì)實(shí)現(xiàn)最佳交聯(lián),從而有損害打印組件整體電阻的風(fēng)險(xiǎn)。這就是硬化步驟有趣的地方,因?yàn)樗鼘⒃试S進(jìn)行所有可能的交聯(lián)。

照片來源:Formlabs

零件創(chuàng)建完成后,將對(duì)其進(jìn)行清潔,以去除多余的非光聚合樹脂并去除印刷支撐件。然后就可以將零件放入合適的機(jī)器中——通常,樹脂3D打印機(jī)制造商會(huì)提供固化站,例如Formlabs及其Form Cure解決方案。這是一個(gè)紫外線室,可硬化打印部件并賦予其最終特性。這降低了其脆弱性并降低了破損的風(fēng)險(xiǎn)。固化還可以固定樹脂的顏色,使其處理起來更安全。我們獲得的零件隨著時(shí)間的推移具有更強(qiáng)的抵抗力,這在許多領(lǐng)域都是一個(gè)至關(guān)重要的方面。

所使用的樹脂類型或零件尺寸等因素將直接影響該熱處理步驟。大多數(shù)情況下,零件越大,固化所需的時(shí)間就越長(zhǎng)。這是您在制造過程中需要考慮的事情。

3D打印中的退火

顧名思義,這種熱處理方法涉及將3D打印部件暴露在一定溫度下,該溫度或多或少取決于所使用的材料。加熱后,逐漸冷卻以增加其強(qiáng)度。這是一種廣泛用于金屬和玻璃的技術(shù)。某些塑料也可以進(jìn)行這種退火,例如PLA和PETG。對(duì)于其他熱塑性塑料,例如ABS,它并不適用,因?yàn)闊崃客鶗?huì)產(chǎn)生過多的翹曲或變形。

一些熱塑性塑料適合退火(照片來源:UltiMaker)

具體而言,退火包括將材料加熱到高于其結(jié)晶溫度但低于其熔點(diǎn)的溫度。對(duì)于聚合物,這將使分子能夠自我重組,從而提高最終部件的穩(wěn)定性。對(duì)于金屬,退火將有可能由于其再結(jié)晶而增加晶粒尺寸。在這兩種情況下,退火的持續(xù)時(shí)間都會(huì)對(duì)最終零件的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響:暴露在熱量下的時(shí)間越長(zhǎng),其結(jié)構(gòu)變化就越大。例如,在退火步驟后可以獲得更小的塑料部件,因?yàn)闊崃考铀倭怂鼈兊氖湛s。設(shè)計(jì)房間時(shí)要考慮的重要一點(diǎn)。

請(qǐng)注意,金屬3D打印中的退火將提高所制造零件的延展性及其強(qiáng)度。這是一種特別適用于鋼材的技術(shù)。

金屬熱處理方法

我們將用一些專門用于金屬的附加熱處理方法來完成我們的指南。首先,我們可以引用熱等靜壓(HIP)。它結(jié)合了非常高的溫度和惰性氣體的等靜壓,同時(shí)施加,增加了零件的密度及其電阻。具體來說,我們將零件封裝在高壓密封容器中,該容器將暴露在這種熱/壓力組合下。這將消除所有內(nèi)部空隙并消除殘余孔隙。請(qǐng)注意,該技術(shù)也適用于陶瓷。

 

HIP水箱安裝在3D打印部件的頂部(照片來源:Bodycote)

我們還可以使用回火強(qiáng)化3D打印金屬零件:這是一種將零件加熱到非常高的溫度并快速冷卻的操作。這將影響部件的微觀結(jié)構(gòu)。淬火通常需要使用液體來冷卻零件。



編譯整理:3dnatives

   
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