Qual è il ruolo del trattamento termico antistress nella stampa 3D dei metalli?

1. Metodo di formazione e pericoli di tensioni residue
La natura fisica dell'accumulo di stress termico
I raggi laser o elettronici creano temperature molto elevate (oltre 2000 gradi) in piccoli punti durante il processo di stampa 3D in metallo. Questo scioglie la polvere metallica e forma una pozza di metallo fuso. Quando il raggio laser viene allontanato, la pozza fusa si raffredda e si indurisce rapidamente, provocando un cambiamento di temperatura nei luoghi vicini. Questa espansione e contrazione termica irregolare creano un complicato campo di stress all'interno della parte. Quando si stampano staffe aeronautiche in lega di titanio, la struttura sospesa non ha alcun supporto e la sollecitazione locale può avvicinarsi all'80% della resistenza allo snervamento del materiale, che è molto superiore al limite di portanza del materiale.
Problemi comuni causati dallo stress
Se la tensione residua non viene rilasciata rapidamente, si verificheranno tre problemi principali:
Instabilità geometrica: quando la tensione è eccessiva perché il materiale si leghi al substrato, la parte si piegherà e cambierà forma. Da un caso di studio relativo alla pala di un motore aeronautico è emerso che la pala non trattata si piegava di 3,2 mm dopo la stampa, un valore molto superiore alla tolleranza di 0,1 mm necessaria per l'assemblaggio.
Innesco delle crepe: è probabile che il punto in cui si accumula la tensione sia il punto in cui iniziano le crepe. Quando si stampano dischi turbina in lega ad alta temperatura-a base di nichel-, le parti non trattate hanno un tasso di incidenza di crepe del 42%, ma dopo il trattamento termico, questo valore scende a meno del 2%.
Degrado delle prestazioni: lo stress residuo può ridurre la durata dei materiali. Gli esperimenti hanno dimostrato che lo stato non trattato dei componenti in acciaio inossidabile 316L determina una riduzione del 60% della durata a fatica ad alto numero di cicli rispetto alla condizione post-trattamento termico.
2. La teoria tecnica e il processo di esecuzione del trattamento termico di distensione
Il modo fisico per lasciare andare la tensione
Il trattamento termico di distensione significa riscaldare la parte a un determinato intervallo di temperature (tipicamente da 0,4 a 0,6 volte il punto di fusione) per rendere il materiale molto flessibile. A questa temperatura, la capacità degli atomi di muoversi migliora e piccoli difetti come dislocazioni e buchi vengono riorganizzati, rilasciando lentamente lo stress interno attraverso una piccola deformazione plastica. Prendendo come esempio la lega a base di nichel-Inconel 718, dopo 4 ore di isolamento a 620 gradi, il suo stress residuo può essere ridotto da 380 MPa a meno di 50 MPa.
Controllo esatto dei parametri di processo
Gli elementi principali che influiscono sul trattamento termico antistress sono la velocità di riscaldamento, la temperatura dell'isolamento, il tempo necessario per isolare e il modo in cui si raffredda:
Velocità di riscaldamento: non dovresti riscaldarti troppo velocemente, poiché ciò potrebbe creare ulteriore stress. La velocità di riscaldamento per le parti in lega di alluminio deve essere mantenuta a un valore inferiore o uguale a 10 gradi/min.
Temperatura di isolamento: solitamente progettata per essere inferiore alla temperatura alla quale si formano i cristalli. L'intervallo di temperatura normale per il trattamento termico della lega di titanio Ti6Al4V è compreso tra 593 e 649 gradi Celsius. Questo è il modo migliore per alleviare la tensione e migliorare la struttura del grano.
Come raffreddare: utilizzare il raffreddamento del forno o il raffreddamento a velocità controllata per evitare stress aggiuntivo derivante dal raffreddamento troppo rapido. Un esempio di impianto medico dimostra che una tecnica di raffreddamento a stadi (600 gradi → 400 gradi → temperatura ambiente) può regolare la deformazione dei componenti entro 0,05 mm.
Vantaggi di un ambiente sotto vuoto
Il trattamento termico sottovuoto è diventato la scelta migliore per la produzione-di fascia alta poiché elimina i rischi di ossidazione e contaminazione. I test di TAV Vacuum Furnace Company hanno rivelato che i componenti in acciaio inossidabile 316L trattati termicamente-sotto vuoto hanno una superficie più liscia del 40% e una resistenza alla corrosione migliore del 25% rispetto alle parti trattate termicamente-in aria. Inoltre, un’atmosfera sotto vuoto può eliminare problemi come l’infragilimento da idrogeno, il che la rende perfetta per l’industria aeronautica, dove la purezza del materiale è molto importante.
3. L'utilità del trattamento termico antistress nel mondo reale e negli affari
Garanzia di prestazioni nel settore aerospaziale
Il trattamento termico antistress è un passo importante nella realizzazione delle pale dei motori aeronautici poiché garantisce che le parti siano affidabili. GE Aviation ha migliorato la tecnica di trattamento termico in modo da ridurre del 75% lo stress residuo nelle pale in lega monocristallina a base di nichel- e farle durare tre volte di più. La durata a fatica a basso numero di cicli del disco della turbina in un certo tipo di motore turbofan è passata da 500 cicli a 2000 cicli dopo il trattamento termico. Ciò soddisfa le esigenze di un design di lunga-vita.
Migliorare la biocompatibilità degli impianti medici
Gli impianti ortopedici realizzati in lega di titanio devono essere molto resistenti e molto flessibili. Il trattamento termico antistress può ridurre il modulo elastico degli impianti ed eliminare lo stress di lavorazione, il che può aiutare a ridurre l'effetto di protezione dallo stress. Le prove sperimentali indicano che il modulo degli impianti Ti6Al4V dopo il-trattamento termico diminuisce da 110 GPa a 85 GPa, allineandosi più strettamente al tessuto osseo umano (10-30 GPa) e migliorando sostanzialmente l'integrazione ossea.
Produzione di stampi con controllo preciso
Quando si stampa in 3D l'acciaio per stampi, il trattamento termico di distensione può impedire la deformazione termica durante il processo di stampa e garantire che la cavità dello stampo abbia le giuste dimensioni. Un certo caso di stampo automobilistico indica che dopo il trattamento termico, la tolleranza dimensionale della cavità dello stampo va da ± 0,1 mm a ± 0,02 mm, che è ciò che è necessario per lo stampaggio a iniezione di precisione. Allo stesso tempo, il trattamento termico può rendere lo stampo più resistente all’usura, raddoppiandone o triplicandone la durata.