Il trattamento termico della stampa 3D dei metalli causerà deformazioni?

一, L'essenza tecnica del trattamento termico: regolamentazione organizzativa e ottimizzazione delle prestazioni
Il riscaldamento, l'isolamento e il raffreddamento dei materiali metallici durante il trattamento termico ne modifica la microstruttura, migliorandone le caratteristiche meccaniche. Nella stampa 3D dei metalli, gli obiettivi principali del trattamento termico sono:
Eliminazione dello stress residuo: quando il materiale viene stampato, passa attraverso rapidi cicli di riscaldamento e raffreddamento, che provocano la flessione del reticolo interno e creano stress residuo. Per alleviare la tensione, la parte viene riscaldata al di sotto della temperatura di ricristallizzazione del materiale (ad esempio, mantenendo la lega di titanio a 800 gradi per 2 ore). Ciò rilassa il reticolo e riduce il pericolo di deformazione durante la lavorazione o l'utilizzo successivi.
Miglioramento della struttura del grano: il trattamento con soluzione solida (come la lega di alluminio 7075 a 470 gradi) può abbattere le fasi di rinforzo, mentre il trattamento di invecchiamento (come 120 gradi per 24 ore) può causare la formazione di fasi di precipitazione su scala nanometrica, con conseguente aumento combinato di resistenza e tenacità. Questo processo rende i grani più piccoli e hanno meno probabilità di cambiare volume quando cambia la fase, il che riduce la propensione alla deformazione.
Risoluzione dei problemi interni: la tecnologia di pressatura isostatica a caldo (HIP) aumenta sinergicamente la densità dei materiali fino a oltre il 99,9% con la combinazione di alta pressione di 100-150 MPa e alta temperatura di 1000-1200 gradi, chiudendo microfessure e pori ed eliminando la concentrazione di stress locale causata da un ritiro irregolare.
2, Il meccanismo di deformazione causato dal trattamento termico è l'effetto combinato dello stress termico e dei cambiamenti nella microstruttura.
L'obiettivo del trattamento termico è eliminare il rischio di deformazione, tuttavia, se eseguito in modo errato, potrebbero comunque verificarsi nuove deformazioni. I modi principali in cui ciò avviene sono:
Accumulo di stress termico: quando una parte viene riscaldata e raffreddata, la differenza di temperatura tra l'esterno e l'interno della parte provoca un'espansione e una contrazione diversa della parte, creando stress termico. Ad esempio, quando le parti a pareti sottili-vengono raffreddate rapidamente, la parte esterna si restringe più rapidamente dell'interno. Ciò potrebbe causare la distorsione o la torsione dell'articolo.
Cambiamento nel volume della trasformazione organizzativa: i cambiamenti nella densità dei materiali durante il processo di transizione di fase causano la riduzione o l’aumento del volume. Ad esempio, quando avviene la trasformazione martensitica, il volume è maggiore e, se il rilascio dello stress non è regolare, potrebbe generare cricche.
Influenza della struttura di supporto: è probabile che l'area in cui il supporto di stampa e il substrato si uniscono diventi un punto di concentrazione dello stress durante il trattamento termico. Se il design del supporto non è corretto, potrebbe piegarsi quando il supporto viene rimosso dopo il trattamento termico a causa del rilascio di stress in un'area.
3, Strategia per il controllo della deformazione: miglioramento dei processi e introduzione di nuove tecnologie
Per bilanciare gli effetti del trattamento termico e il rischio di deformazione, l'industria ha ideato un piano di gestione sistematico che esamina tre aree: materiali, processi e attrezzature:
1. Scegliere i materiali e prepararli
Le leghe a base di nichel-come Inconel 718 hanno un coefficiente di dilatazione termica inferiore (12,5 × 10 ⁻⁶/ grado ) rispetto alle leghe di titanio (8,6 × 10 ⁻⁶/ grado ). Ciò significa che possono aiutare a prevenire l’accumulo di stress termico.
Progettazione prima della deformazione: utilizza software di simulazione come VoxelDance Engineering per prevedere come il trattamento termico modificherebbe la forma del materiale. Quindi, utilizza la pre-deformazione inversa sul modello originale per rendere il modello compensato della giusta dimensione dopo il trattamento termico. Ad esempio, in seguito alla regolazione pre-della distorsione, la precisione di stampa di una parte a pareti sottili-con una superficie curva specifica è migliorata del 66,2% ed è stato rimosso il 98,6% dell'area di deformazione significativa.
2. Migliorare i parametri del processo
Riscaldamento e raffreddamento in parti: utilizzo di una strategia di riscaldamento graduale (come mantenimento a 50 gradi per 30 minuti) e raffreddamento ritardato (come raffreddamento ad aria dopo il raffreddamento del forno a 200 gradi) per ridurre lo stress termico prodotto dai cambiamenti di temperatura. Ad esempio, dopo il trattamento HIP, le pale delle turbine dei motori aeronautici GE durano tre volte di più e non cambiano forma più dello 0,05% delle volte.
Tecnologia per la cristallizzazione direzionale: il processo di cristallizzazione direzionale del MIT regola la velocità di riscaldamento (ad esempio, 2,5 cm/h) e la temperatura (1235 gradi) per far crescere i grani in una certa direzione in formazioni colonnari. Ciò rende il materiale più resistente allo scorrimento viscoso e ha meno probabilità di deformarsi alle alte temperature.
3. Nuovi strumenti e dispositivi
Sistema di fissaggio adattivo: il laboratorio Fraunhofer ILPT in Germania ha creato un dispositivo flessibile che utilizza molle a gas di azoto per fornire una forza di serraggio dinamica, compensa le differenze di dilatazione termica durante la stampa e impedisce alle strutture a pareti sottili-di 3 m × 2 m di deformarsi di oltre ± 0,3 mm.
Tecnologia di trattamento termico locale: il riscaldamento a induzione o il trattamento termico locale al laser viene utilizzato su pezzi di grandi dimensioni per evitare che si deformino quando vengono riscaldati dappertutto. Ad esempio, un certo supporto aeronautico ha raggiunto una resistenza alla trazione di 520 MPa e una stabilità dimensionale superiore a ± 0,1 mm grazie al trattamento con soluzione locale.
4, Caso di frontiera: un nuovo utilizzo per la deformazione del trattamento termico
Boeing utilizza una soluzione solida e una tecnica di trattamento dell’invecchiamento nel settore aerospaziale per rendere più resistenti le staffe degli aerei stampate in 3D, con una resistenza alla trazione di 520 MPa. Allo stesso tempo, il design pre-della deformazione mantiene la deformazione entro ± 0,05 mm per soddisfare i rigorosi standard aerodinamici.
Impianti medici: una certa azienda ha escogitato un nuovo modo per realizzare coppe acetabolari in lega di titanio combinando la "ricottura di distensione" con la "mordenzatura acida". Questo processo rimuove lo stress interno attraverso la ricottura e quindi crea una struttura microporosa con una dimensione compresa tra 5 e 10 μm attraverso l'attacco acido. Ciò aiuta le cellule ossee a crescere senza modificare la dimensione delle coppe.
Apparecchiature energetiche: Siemens Energy produce pale di turbine a gas utilizzando la tecnologia di cristallizzazione HIP+direzionale. Ciò rende il materiale denso al 99,95% e lo rende più resistente al creep del 40%. Può funzionare per 100.000 ore senza cambiare forma ad una temperatura di 1200 gradi.