La produzione additiva (AM), comunemente indicata come stampa 3D, sta guadagnando popolarità come tecnica di prototipazione praticabile e componenti altamente personalizzati di strutture complesse.
Effetti del trattamento termico di parti metalliche 3D
Le parti in metallo stampate in 3D richiedono spesso una fase di trattamento termico dopo la fabbricazione. Riduce le sollecitazioni interne formate durante la produzione e può modificare la microstruttura del pezzo. Questo cambiamento microstrutturale altera alcune proprietà come tenacità, durezza, ecc. Tra queste, un metodo per addensare completamente le parti metalliche stampate in 3D per ridurre la porosità è la pressatura isostatica a caldo (HIP).
Il processo HIP richiede di posizionare il prodotto finito 3D in un recipiente a pressione e quindi riempirlo con un gas inerte, solitamente argon. La pressione viene continuamente aumentata e può superare il limite di snervamento del componente mantenendo alte temperature. Con la tempra rapida, il processo HIP più complesso utilizza velocità di raffreddamento e riscaldamento regolabili e livelli di pressione per ottimizzare con precisione la qualità e le proprietà di trazione delle parti lavorate.
Che cosa fa il trattamento termico per le parti stampate in 3D in polimero?
Un'ampia varietà di geometrie complesse può essere fabbricata con precisione attraverso la stampa 3D, tuttavia presenta uno svantaggio principale, ovvero la necessità di post-elaborazione termica. Queste parti stampate in 3D hanno scarse proprietà meccaniche rispetto alle parti prodotte mediante stampaggio a iniezione. Un'adesione insufficiente tra i filamenti rivestiti e gli strati sovrapposti può portare a scarse proprietà meccaniche dei componenti stampati in 3D.
L'ultima ricerca, pubblicata sulla rivista Polymers, si concentra sul miglioramento delle proprietà meccaniche, in particolare sulla resistenza alla trazione e alla compressione. I ricercatori hanno utilizzato filamenti di PETG con un diametro di 1,75 mm per lo studio. I risultati hanno mostrato che la resistenza alla trazione dei componenti polimerici stampati in 3D è aumentata in modo significativo dopo il trattamento termico. Di conseguenza, le parti trattate termicamente avevano una resistenza alla trazione abbastanza buona, con le parti completamente trattate che mostravano una resistenza superiore del 41,1 percento in direzione orizzontale rispetto al campione non trattato e del 143,9 percento in direzione verticale rispetto al controllo. I test di compressione distruttivi hanno mostrato un aumento significativo dei valori di resistenza alla compressione per i provini trattati termicamente, con sollecitazioni di compressione fino a 118 MPa. Questo studio ha rivelato con successo l'effetto positivo del trattamento termico post-fabbricazione dei materiali polimerici.
△ Esempio di resistenza alla compressione
Parti in polipropilene stampate in 3D con trattamento termico per sistemi sottovuoto
L'ultima ricerca nel Journal of Manufacturing and Materials Processing studia la fattibilità dell'applicazione di un processo di trattamento termico per incapsulare il polipropilene stampato in 3D in condizioni di vuoto. Gli studi hanno scoperto che il trattamento termico è molto efficace per il processo di confezionamento.
I ricercatori hanno sovrapposto la parte stampata al 98% di riempimento e sigillata dopo il trattamento termico per 15 iterazioni, con una media di 0,4 m Torr e un intervallo di confidenza del 95% di 0,2 m Torr. Lo studio ha riscontrato successo utilizzando una pistola termica da 400 gradi 55-seconda per sigillare le superfici sensibili al vuoto, aumentando la pressione di vuoto minima raggiunta.
△La pressione finale raggiunta prima e dopo il riscaldamento e l'intervallo di confidenza del 95% per ciascuna percentuale di sovrapposizione del riempimento
Il trattamento termico influisce sulla stabilità dimensionale dei componenti stampati in 3D?
I ricercatori hanno pubblicato uno studio in Composites Part A che esamina l'effetto del trattamento termico sulla stabilità e sulle proprietà di trazione dei compositi rinforzati con fibra di carbonio continua (CCF) stampati in 3D. I cambiamenti morfologici e la dispersione degli strati stampati sono stati utilizzati per valutare la stabilità dimensionale dei campioni. La tecnologia di stampa 3D si basa su un metodo di fabbricazione a filamento fuso (FFF) noto come fabbricazione a filamento continuo (CFF).
C-CCFRC e S-CCFRC sono i nomi utilizzati rispettivamente per i campioni arricchiti con strati CCF concentrati e separati. Dopo il trattamento termico a 100 gradi e 150 gradi, i CCFRC hanno mostrato eccellenti proprietà di trazione, sebbene la stabilità dimensionale fosse migliore a 100 gradi, specialmente per S-CCFRC. La cristallinità della matrice è aumentata dal 17,42% nel campione non trattato al 22,76% nel campione trattato termicamente a 100°C, con un aumento del 30,65%. Lo studio ha anche scoperto che i trattamenti termici a 100 gradi e 200 gradi hanno ridotto la permeabilità dei campioni. L'andamento della minore permeabilità della matrice dopo il trattamento termico è commisurato al suo spostamento dimensionale. Pertanto, il trattamento termico fino a 100 gradi migliora notevolmente la stabilità dimensionale dei campioni.
△ Diagrammi di deformazione termica di CCFRC con diverse distribuzioni del numero di strati: (a) C-CCFRC e (b) S-CCFRC prima del trattamento termico; (c) C-CCFRC e (d) S-CCFRC dopo trattamento termico a 200 gradi per 4 ore.
L'effetto del trattamento termico sulle parti in PLA?
La modellazione a deposizione fusa (FDM) è una tecnica di produzione additiva popolare, di cui il PLA è il materiale più utilizzato. Nel loro ultimo studio, pubblicato su Polymers, i ricercatori hanno valutato le prestazioni delle parti in PLA mediante 3-prove di flessione del punto dopo il trattamento termico e variando l'orientamento di costruzione, lo spessore dello strato e la velocità.
I ricercatori hanno utilizzato filamenti di PLA con un diametro di 1,75 mm. La configurazione di fabbricazione xz, la temperatura dell'ugello di 190 gradi per prevenire la rottura del campione e i parametri di stampa ottimali sono una velocità di 90 mm/s e uno spessore dello strato di 0,3 mm. Un post-trattamento termico di 75 gradi su campioni fabbricati utilizzando queste impostazioni ha mostrato un aumento dello stress di flessione. Infine, i risultati mostrano che la deformazione elastica e il recupero durante il trattamento termico non limitano significativamente la forza massima. La ricerca mostra che le ortesi possono essere stampate in 3D piatte e quindi attorcigliate per adattarsi all'area desiderata del corpo umano.
Tutto sommato, il trattamento termico aiuta a migliorare le proprietà meccaniche, la stabilità dimensionale e le proprietà ottiche delle parti stampate in 3D.