Tarvitsevatko kaikki metalliset 3D-painetut osat lämpökäsittelyä?

1. Lämpökäsittelyn päätehtävänä on päästä eroon puutteista ja saada asiat toimimaan paremmin.
Lämmitys-, eristys- ja jäähdytysprosessit voivat parantaa merkittävästi metallisten 3D-tulostettujen osien mikrorakennetta lämpökäsittelyllä. Tämä parantaa osien yleistä toimintaa.
Päästä eroon jäännösjännityksestä: Epätasainen jäähtyminen ja jähmettyminen tulostuksen aikana voivat helposti aiheuttaa jäännösjännitystä kappaleiden sisälle, mikä voi aiheuttaa niiden taipumisen tai särkymisen. Hidas jäähdytys hehkutusprosessin aikana saattaa auttaa lievittämään stressiä. Esimerkiksi hehkutuksen jälkeen ilmailu- ja avaruusteollisuuden rakenneosien jännitysvähennysaste voi olla yli 80 %.
Mekaanisten ominaisuuksien parantaminen: Karkaisu ja karkaisu yhdessä voivat tehdä asioista paljon kovempia ja vahvempia. Esimerkiksi 316L ruostumaton teräs on sammutuksen jälkeen 30 % kovempaa ja kulutusta kestävämpää, joten se sopii mekaanisille osille, joiden on kannettava paljon painoa.
Rakeiden jalostus: Suunnattu uudelleenkiteytysprosessi hallitsee lämpögradienttia sulattamaan pienet rakeet pylväskiteiksi. Tämän ansiosta materiaali kestää paremmin virumista korkeissa lämpötiloissa. MIT-tutkimukset osoittavat, että suunnatun uudelleenkiteytyskäsittelyn jälkeen nikkeli-pohjaisten korkean lämpötilan-metalliseosten raekoko kasvaa useita suuruusluokkia ja virumisikä kestää paljon pidempään.
Tiivistyskäsittely: Kuumaisostaattinen puristus (HIP) poistaa sisäiset huokoset käyttämällä korkeaa lämpötilaa ja korkeaa painetta. Tämä tekee materiaalin tiheydestä lähes 100%. Esimerkiksi HIP-käsittely on pidentänyt lentokoneiden moottoreiden turbiinilevyjen alhaisen syklin väsymisikää 5000 jaksosta 20000 jaksoon.
2. Tilanteet ilman lämpökäsittelyä: materiaalien ominaisuuksien ja prosessien parantaminen
Vaikka lämpökäsittelyllä on paljon etuja, voidaan komponentit hyödyntää heti ilman ylimääräistä työtä seuraavissa tilanteissa:
Osat, jotka eivät vaadi paljon rasitusta: Jos osan rakenne on perus, koko on vaatimaton eikä se välitä jäännösjännityksestä, sitä ei tarvitse hehkuttaa. Esimerkiksi pienet koristeelliset tai ei--kantavat-rakenneosat eivät todennäköisesti vääristä eivätkä tee lämpökäsittelystä rahan arvoista.
Erilaiset materiaalien ja prosessien yhdistelmät: Jotkut materiaalit ovat luoneet täydellisiä mikrorakenteita painettaessa. Esimerkiksi elektronisuihkuselektiivinen sulatustekniikka (EBSM) jäähtyy hitaammin, mikä tarkoittaa, että titaaniseoksesta (Ti6Al4V) painetut osat eivät karkea, mikä on hyvä lääketieteellisille implanteille, koska niiden on oltava bioyhteensopivia.
Pintalaatuun kiinnittämisen skenaario: Jos osan on oltava erittäin sileä, lämpökäsittely voi aiheuttaa sen hapettumista tai muodonmuutosta. Tässä vaiheessa lämpökäsittely voidaan korvata pintakäsittelymenetelmillä, mukaan lukien kemiallinen kiillotus ja laserkiillotus. Sähkökemiallisen kiillotuksen jälkeen huokoisten titaaniseoksesta valmistettujen implanttien pinnan karheus putoaa 6–12 μm:stä 0,2–1 μm:iin ilman, että lämpökäsittelyä tarvitaan lisää.
Prototyyppien nopean valmistuksen todentaminen: Lämpökäsittely saattaa pidentää kehityssykliä tuotteen suunnitteluvaiheessa. Esimerkiksi kulutuselektroniikka-alueen integroitu joustava sarana tarvitsee prototyyppiosien nopean valmistuksen, ja suoraan painettujen osien käyttäminen voi nopeuttaa varmennusprosessia.
3. Puitteet päätösten tekemiselle: oikean tasapainon löytäminen suorituskyvyn, kustannusten ja tehokkuuden välillä
Seuraavien muuttujien perusteellinen tarkastelu on tarpeen päättääksesi, tehdäänkö lämpökäsittely vai ei:
Toiminnalliset vaatimukset: Ilmailun osien on kestettävä valtavia lämpötiloja ja rasituksia, minkä vuoksi lämpökäsittely on tärkeää.
Lääketieteellisten implanttien on oltava vahvoja ja turvallisia keholle, ja hehkutus tai HIP-hoito voivat auttaa niitä toimimaan paremmin.
Jos ratkaisevaa on vain se, miltä taideveistokset tai esittelykappaleet näyttävät, lämpökäsittely voidaan jättää väliin säästääksesi rahaa.
Nikkeli-pohjaiset korkean lämpötilan-lejeeringit halkeilevat todennäköisesti, joten ne tarvitsevat kiinteän liuoksen ja vanhentamiskäsittelyn tehdäkseen niistä sitkeämpiä.
Alumiiniseoksesta (kuten AlSi10Mg) valmistetut osat sisältävät mikroskooppisia rakeita, mikä tekee niistä heti kevyitä.
Prosessin tyyppi: Jauhepetisulatusprosessi (PBF) on hehkutettava, koska se jäähtyy nopeasti ja jättää jälkeensä paljon jännitystä.
Koska sillä on korkea lämmöntuotto ja alhainen jännitystaso, suunnattu energiapinnoitustekniikka (DED) vähentää lämpökäsittelyn tarvetta.
Kustannusrajoitukset: HIP-laitteiden ostaminen ja käyttäminen on kallista, minkä vuoksi pienten ja keskisuurten{0}}yritysten on vaikea hankkia niihin varaa. Heidän on löydettävä kompromissi suorituskyvyn ja kustannusten välillä.
Monimutkaisten rakenneosien lämpökäsittely saattaa muuttaa niiden muotoa. Tämän välttämiseksi simulaatiooptimointia tulisi käyttää suunnittelun tukena ja tutkimus- ja kehitysmenojen kasvattamisessa.