Additive Manufacturing (AM), jota yleisesti kutsutaan 3D-tulostukseksi, on saamassa suosiota elinkelpoisena prototyyppitekniikana ja monimutkaisten rakenteiden pitkälle räätälöitynä komponenttina.
3D-metalliosien lämpökäsittelyn vaikutukset
Metalliset 3D-painetut osat vaativat usein lämpökäsittelyvaiheen valmistuksen jälkeen. Se vähentää valmistuksen aikana muodostuvia sisäisiä jännityksiä ja voi muuttaa osan mikrorakennetta. Tämä mikrorakenteen muutos muuttaa tiettyjä ominaisuuksia, kuten sitkeyttä, kovuutta jne. Yksi tapa tiivistää 3D-tulostettuja metalliosia perusteellisesti huokoisuuden vähentämiseksi on kuumaisostaattinen puristus (HIP).
HIP-prosessi edellyttää, että 3D-valmis tuote asetetaan paineastiaan ja sen jälkeen täytetään inertillä kaasulla, yleensä argonilla. Painetta nostetaan jatkuvasti ja se voi ylittää komponentin myötörajan säilyttäen samalla korkeita lämpötiloja. Nopealla sammutuksella monimutkaisempi HIP-prosessi käyttää säädettäviä jäähdytys- ja lämmitysnopeuksia ja painetasoja säätääkseen tarkasti koneistettujen osien laadun ja vetoominaisuudet.
Mitä lämpökäsittely tekee polymeeristä 3D-tulostetuille osille?
3D-tulostuksen avulla voidaan valmistaa tarkasti monenlaisia monimutkaisia geometrioita, mutta sillä on yksi suuri haittapuoli, joka on lämpöjälkikäsittelyn tarve. Näillä 3D-painetuilla osilla on huonot mekaaniset ominaisuudet verrattuna ruiskuvalulla valmistettuihin osiin. Riittämätön tarttuvuus päällystettyjen filamenttien ja pinottujen kerrosten välillä voi johtaa 3D-tulostettujen komponenttien huonoihin mekaanisiin ominaisuuksiin.
Uusin Polymers-lehdessä julkaistu tutkimus keskittyy mekaanisten ominaisuuksien, erityisesti veto- ja puristuslujuuden, parantamiseen. Tutkijat käyttivät tutkimuksessa PETG-filamentteja, joiden halkaisija oli 1,75 mm. Tulokset osoittivat, että polymeeri-3D-painettujen komponenttien vetolujuus parani merkittävästi lämpökäsittelyn jälkeen. Tämän seurauksena lämpökäsitellyillä osilla oli varsin hyvä vetolujuus, täysin käsiteltyjen osien lujuus vaakasuunnassa oli 41,1 prosenttia suurempi kuin käsittelemättömällä näytteellä ja 143,9 prosenttia pystysuunnassa kuin kontrollilla. Hajottava puristustestaus osoitti lämpökäsiteltyjen näytteiden puristuslujuusarvojen merkittävän nousun, kun puristusjännitys oli jopa 118 MPa. Tämä tutkimus paljasti onnistuneesti polymeerimateriaalien valmistuksen jälkeisen lämpökäsittelyn positiivisen vaikutuksen.
△ Puristuslujuuden näytekeinot
Lämpökäsittelevät 3D-painetut polypropeeniosat tyhjiöjärjestelmiin
Journal of Manufacturing and Materials Processingin uusin tutkimus tutkii mahdollisuutta soveltaa lämpökäsittelyprosessia 3D-painetun polypropeenin kapseloimiseksi tyhjiöolosuhteissa. Tutkimukset ovat osoittaneet, että lämpökäsittely on erittäin tehokas pakkausprosessissa.
Tutkijat peittivät 98-prosenttisella täytteellä painetun ja sinetöidyn osan päälle 15 iteraation lämpökäsittelyn jälkeen, keskimäärin 0,4 m Torr ja 95 prosentin luottamusväli 0,2 m Torr. Tutkimuksessa onnistuttiin käyttämällä 400 asteen 55-toista lämpöpistoolia tyhjiöherkkien pintojen tiivistämiseen, mikä nosti saavutettua vähimmäistyhjiöpainetta.
△ Lopullinen paine saavutettu ennen ja jälkeen lämmityksen ja 95 prosentin luottamusväli jokaiselle täyttöpäällekkäisprosentille
Vaikuttaako lämpökäsittely 3D-tulostettujen komponenttien mittapysyvyyteen?
Tutkijat julkaisivat Composites-osassa A tutkimuksen, jossa tutkitaan lämpökäsittelyn vaikutusta 3D-painetulla jatkuvalla hiilikuidulla (CCF) vahvistettujen komposiittien stabiilisuuteen ja vetoominaisuuksiin. Morfologisia muutoksia ja painettujen kerrosten dispersiota käytettiin arvioimaan näytteiden mittastabiilisuutta. 3D-tulostustekniikka perustuu FFF-menetelmään, joka tunnetaan jatkuvana filamenttivalmistuksena (CFF).
C-CCFRC ja S-CCFRC ovat nimiä, joita käytetään näytteille, jotka on tehostettu tiivistetyillä ja erotetuilla CCF-kerroksilla. 100 asteen ja 150 asteen lämpökäsittelyn jälkeen CCFRC:t osoittivat erinomaiset vetoominaisuudet, vaikka mittojen stabiilisuus oli parempi 100 asteessa, erityisesti S-CCFRC:llä. Matriisin kiteisyys kasvoi 17,42 prosentista käsittelemättömässä näytteessä 22,76 prosenttiin 100 C:ssa lämpökäsitellyssä näytteessä, kasvua 30,65 prosenttia. Tutkimuksessa havaittiin myös, että lämpökäsittelyt 100 asteessa ja 200 asteessa vähensivät näytteiden läpäisevyyttä. Matriisin alhaisempi läpäisevyyden trendi lämpökäsittelyn jälkeen on verrannollinen sen kokomuutokseen. Siksi lämpökäsittely jopa 100 asteeseen parantaa huomattavasti näytteiden mittapysyvyyttä.
△ CCFRC:n lämpömuodonmuutoskaaviot eri kerroslukujakaumilla: (a) C-CCFRC ja (b) S-CCFRC ennen lämpökäsittelyä; (c) C-CCFRC ja (d) S-CCFRC lämpökäsittelyn jälkeen 200 asteessa 4 tuntia.
Lämpökäsittelyn vaikutus PLA-osiin?
Fused Deposition Modeling (FDM) on suosittu lisäainevalmistustekniikka, josta PLA on laajimmin käytetty materiaali. Uusimmassa tutkimuksessaan, joka julkaistiin Polymersissa, tutkijat arvioivat PLA-osien suorituskykyä 3-pistetaivutustesteillä lämpökäsittelyn jälkeen ja vaihtelemalla rakenteen suuntaa, kerrospaksuutta ja nopeutta.
Tutkijat käyttivät PLA-filamentteja, joiden halkaisija oli 1,75 mm. Xz-valmistuskokoonpano, 190 asteen suuttimen lämpötila näytteen rikkoutumisen estämiseksi ja optimaaliset tulostusparametrit ovat nopeus 90 mm/s ja kerrospaksuus 0,3 mm. Näillä asetuksilla valmistettujen näytteiden lämpöjälkikäsittely 75 astetta osoitti taivutusjännityksen lisääntymisen. Lopuksi tulokset osoittavat, että elastinen muodonmuutos ja palautuminen lämpökäsittelyn aikana eivät merkittävästi rajoita maksimivoimaa. Tutkimus osoittaa, että ortoosit voidaan 3D tulostaa litteäksi ja sitten kiertää sopivaksi ihmiskehon halutulle alueelle.
Kaiken kaikkiaan lämpökäsittely auttaa parantamaan 3D-tulostettujen osien mekaanisia ominaisuuksia, mittapysyvyyttä ja optisia ominaisuuksia.