Hoće li termička obrada metala 3D štampanjem uzrokovati deformaciju?

一, Tehnička suština termičke obrade: organizaciona regulacija i optimizacija performansi
Zagrevanje, izolacija i hlađenje metalnih materijala tokom termičke obrade menja njihovu mikrostrukturu, što poboljšava njihove mehaničke karakteristike. U 3D štampi metala, glavni ciljevi termičke obrade su:
Otklanjanje preostalog naprezanja: kada se materijal štampa, prolazi kroz brze cikluse zagrijavanja i hlađenja, što uzrokuje savijanje unutrašnje rešetke i stvara zaostalo naprezanje. Da bi se smanjila napetost, dio se zagrijava ispod temperature rekristalizacije materijala (na primjer, zadržavanje legure titana na 800 stepeni 2 sata). Ovo opušta rešetku i smanjuje opasnost od deformacije tokom kasnije obrade ili upotrebe.
Poboljšanje strukture zrna: Tretman čvrstim rastvorom (poput legure aluminijuma 7075 na 470 stepeni) može da razbije faze ojačanja, dok tretman starenjem (poput 120 stepeni tokom 24 sata) može da izazove formiranje faza taloženja nanorazmera, što rezultira kombinovanim povećanjem snage i žilavosti. Ovaj proces čini zrna manjim i manjom vjerovatnoćom da će promijeniti volumen kada se faza promijeni, što čini sklonost deformaciji manjom.
Rješavanje unutrašnjih problema: Tehnologija vrućeg izostatičkog presovanja (HIP) sinergijski povećava gustoću materijala na preko 99,9% kombinacijom visokog tlaka od 100-150 MPa i visoke temperature od 1000-1200 stupnjeva, zatvarajući mikropukotine i pore i eliminirajući lokalnu koncentraciju naprezanja uzrokovanu neravnomjernim skupljanjem.
2, Mehanizam deformacije uzrokovan toplinskom obradom je kombinirani učinak toplinskog naprezanja i promjena u mikrostrukturi.
Cilj termičke obrade je da se oslobodimo rizika od deformacije, ali ako se radi pogrešno, nove deformacije se i dalje mogu pojaviti. Glavni načini na koje se to dešava su:
Nagomilavanje toplinskog naprezanja: Kada se dio zagrijava i hladi, temperaturna razlika između vanjske i unutarnje strane dijela uzrokuje da se dio drugačije širi i skuplja, što stvara toplinsko naprezanje. Na primjer, kada se dijelovi sa tankim{1}}zidovima brzo ohlade, vanjska strana se skuplja brže nego iznutra. To može uzrokovati izobličenje ili uvrtanje predmeta.
Promjena volumena organizacijske transformacije: Promjene u gustini materijala tokom procesa fazne tranzicije uzrokuju smanjenje ili rast volumena. Na primjer, kada se dogodi martenzitna transformacija, volumen je veći, a ako otpuštanje naprezanja nije glatko, moglo bi doći do pukotina.
Kako potporna struktura utiče: Područje gdje se potpora za štampanje i podloga spajaju vjerovatno će postati tačka koncentracije naprezanja tokom termičke obrade. Ako dizajn nosača nije ispravan, mogao bi se saviti kada se oslonac skine nakon toplinske obrade zbog oslobađanja naprezanja u jednom području.
3, Strategija za kontrolu deformacija: Poboljšanje procesa i stvaranje novih tehnologija
Kako bi uravnotežila efekte termičke obrade i rizik od deformacije, industrija je osmislila sistematski plan upravljanja koji gleda na tri oblasti: materijale, procese i opremu:
1. Odabir materijala i njihova priprema
Legure na bazi nikla- kao što je Inconel 718 imaju niži koeficijent termičke ekspanzije (12,5 × 10 ⁻⁶/ stepen ) od legura titanijuma (8,6 × 10 ⁻⁶/ stepen). To znači da mogu pomoći u sprječavanju nagomilavanja toplinskog stresa.
Dizajn prije deformacije: Koristite softver za simulaciju kao što je VoxelDance Engineering da predvidite kako će toplinska obrada promijeniti oblik materijala. Zatim koristite obrnutu pre{1}}deformaciju na originalnom modelu kako biste kompenzirani model napravili pravu veličinu nakon termičke obrade. Na primjer, nakon pred-podešavanja izobličenja, tačnost štampe tankog- dijela sa specifičnom zakrivljenom površinom poboljšana je za 66,2%, a uklonjeno je 98,6% značajne površine deformacije.
2. Poboljšanje parametara procesa
Grejanje i hlađenje u delovima: Korišćenje strategije zagrevanja u koracima (kao što je držanje na 50 stepeni 30 minuta) i odloženo hlađenje (kao što je hlađenje vazduhom nakon hlađenja peći na 200 stepeni) da bi se smanjio termički stres izazvan promenama temperature. Na primjer, nakon HIP tretmana, lopatice turbine GE motora aviona traju tri puta duže i ne mijenjaju oblik više od 0,05% vremena.
Tehnologija za usmjerenu kristalizaciju: MIT-ov proces usmjerene kristalizacije prilagođava brzinu zagrijavanja (na primjer, 2,5 cm/h) i temperaturu (1235 stepeni) kako bi se zrna uzgajala u određenom smjeru u stupaste formacije. To čini materijal otpornijim na puzanje i manje je vjerovatno da će se deformirati na visokim temperaturama.
3. Novi alati i oprema
Prilagodljivi sistem učvršćenja: Laboratorija Fraunhofer ILPT u Njemačkoj kreirala je fleksibilnu armaturu koja koristi plinovite dušične opruge za pružanje dinamičke sile stezanja, nadoknađuje razlike u termičkom širenju tokom štampe i štiti strukture sa tankim{2}}zidovima 3m × 2m od deformacije za više od ± 0,3 mm.
Tehnologija lokalne toplinske obrade: Indukcijsko grijanje ili laserska lokalna toplinska obrada koristi se na velikim komadima kako bi se spriječilo njihovo deformiranje kada se zagrijaju. Na primjer, određeni nosač za avijaciju je dostigao vlačnu čvrstoću od 520 MPa i dimenzijsku stabilnost veću od ± 0,1 mm zahvaljujući lokalnoj obradi otopinom.
4, Frontier Case: Nova upotreba za termičku obradu deformacija
Boeing koristi solidno rješenje i tehniku ​​tretmana starenja u zrakoplovnoj industriji kako bi 3D štampane nosače aviona učinili jačima, sa vlačnom čvrstoćom od 520 MPa. U isto vrijeme, dizajn pred{3}}deformacije održava deformaciju unutar ± 0,05 mm kako bi se zadovoljili strogi aerodinamički standardi.
Medicinski implantati: Određena kompanija je osmislila novi način da napravi acetabularne čaše od legure titanijuma kombinovanjem "žarenja za ublažavanje stresa" sa "kiselinskim jetkanjem". Ovaj proces uklanja unutrašnje naprezanje kroz žarenje, a zatim stvara mikroporoznu strukturu veličine od 5 do 10 μm kroz jetkanje kiselinom. Ovo pomaže koštanim stanicama da rastu bez promjene veličine čašica.
Energetska oprema: Siemens Energy proizvodi lopatice gasnih turbina koristeći HIP+ tehnologiju usmerene kristalizacije. Ovo čini materijal 99,95% gustim i čini ga 40% otpornijim na puzanje. Može da radi 100.000 sati bez promene oblika na temperaturi od 1200 stepeni.