Все ли металлические детали, напечатанные на 3D-принтере, требуют термической обработки?

1. Основная задача термообработки – избавиться от дефектов и улучшить работу вещи.
Процессы нагрева, изоляции и охлаждения могут значительно улучшить микроструктуру металлических 3D-печатных деталей путем термообработки. Это улучшает работу деталей в целом.
Избавление от остаточного напряжения: неравномерное охлаждение и затвердевание во время печати могут легко вызвать остаточное напряжение внутри деталей, что может привести к их изгибу или разрушению. Медленное охлаждение на протяжении всего процесса отжига может помочь снять напряжение. Например, после отжига степень снижения напряжения в деталях аэрокосмической конструкции может составлять более 80%.
Улучшение механических свойств. Совместная закалка и отпуск могут сделать изделия намного тверже и прочнее. Например, после закалки нержавеющая сталь 316L становится на 30% тверже и устойчивее к износу, что делает ее пригодной для изготовления механических деталей, которые должны выдерживать большой вес.
Измельчение зерна: процесс направленной рекристаллизации управляет температурным градиентом, превращая крошечные зерна в столбчатые кристаллы. Это делает материал более устойчивым к ползучести при высоких температурах. Исследования MIT показывают, что после направленной рекристаллизации размер зерен жаропрочных-сплавов на основе никеля увеличивается на несколько порядков, а срок ползучести длится намного дольше.
Лечение уплотнения: горячее изостатическое прессование (ГИП) позволяет избавиться от внутренних пор с помощью высокой температуры и высокого давления. Это делает плотность материала почти 100%. Например, обработка HIP увеличила ресурс малоцикловой усталости дисков турбин в авиационных двигателях с 5000 до 20 000 циклов.
2. Ситуации без термообработки: улучшение характеристик материалов и процессов.
Несмотря на то, что термообработка имеет множество преимуществ, компоненты можно сразу утилизировать без каких-либо дополнительных усилий в следующих ситуациях:
Детали, которые не требуют больших напряжений. Если конструкция детали базовая, размер небольшой и остаточное напряжение не учитывается, ее не нужно подвергать отжигу. Например, мелкие декоративные или -несущие-конструктивные детали вряд ли деформируются, и термообработка не стоит потраченных денег.
Различные комбинации материалов и процессов: некоторые материалы при печати создают идеальные микроструктуры. Например, метод селективного плавления электронным лучом (EBSM) остывает медленнее, а это означает, что напечатанные детали из титанового сплава (Ti6Al4V) не становятся такими грубыми, что хорошо для медицинских имплантатов, поскольку они должны быть биосовместимыми.
Сценарий обращения внимания на качество поверхности: если деталь должна быть очень гладкой, термообработка может привести к ее окислению или изменению формы. На этом этапе термообработку можно заменить методами обработки поверхности, включая химическую полировку и лазерную полировку. После электрохимической полировки шероховатость поверхности имплантатов из пористых титановых сплавов снижается с 6–12 мкм до 0,2–1 мкм без необходимости дальнейшей термообработки.
Проверка быстрого прототипирования. Термическая обработка может продлить цикл разработки на этапе проектирования продукта. Например, интегрированный гибкий шарнир в области бытовой электроники требует быстрого изготовления прототипов, а непосредственное использование печатных деталей может ускорить процесс проверки.
3. Схема принятия решений: поиск правильного баланса между производительностью, стоимостью и эффективностью.
Чтобы решить, следует ли проводить термообработку, необходимо тщательно изучить следующие переменные:
Функциональные требования: Детали аэрокосмической отрасли должны выдерживать огромные температуры и нагрузки, поэтому термическая обработка важна.
Медицинские имплантаты должны быть прочными и безопасными для организма, а отжиг или обработка HIP могут помочь им работать лучше.
Если единственное, что имеет значение, это то, как выглядят художественные скульптуры или экспонаты, термообработку можно пропустить, чтобы сэкономить деньги.
Жаропрочные-сплавы на основе никеля-могут растрескиваться, поэтому для придания им прочности требуется твердый раствор и старение.
Детали из алюминиевого сплава (например, AlSi10Mg) содержат микроскопические зерна, что сразу делает их легкими.
Тип процесса: Процесс плавления в порошковом слое (PBF) требует отжига, поскольку он быстро остывает и оставляет после себя большое напряжение.
Поскольку метод направленного энерговыделения (DED) имеет высокое тепловложение и низкий уровень напряжения, сокращается необходимость термической обработки.
Ограничения по затратам. Приобретение и эксплуатация оборудования HIP обходится дорого, поэтому малым и средним-предприятиям его трудно себе позволить. Им необходимо найти компромисс между производительностью и стоимостью.
Термическая обработка сложных конструктивных элементов может привести к изменению их формы. Чтобы избежать этого, следует использовать оптимизацию моделирования для поддержки проектирования и увеличения расходов на исследования и разработки.