Tất cả các bộ phận in 3D bằng kim loại có cần xử lý nhiệt không?

1. Công việc chính của xử lý nhiệt là loại bỏ các sai sót và làm cho mọi thứ hoạt động tốt hơn.
Các quy trình làm nóng, cách điện và làm mát có thể cải thiện đáng kể cấu trúc vi mô của các bộ phận in 3D kim loại bằng cách xử lý nhiệt. Điều này làm cho các bộ phận hoạt động tổng thể tốt hơn.
Loại bỏ ứng suất dư: Việc làm mát và đông đặc không đồng đều trong quá trình in có thể dễ dàng gây ra ứng suất dư bên trong các chi tiết, khiến chúng bị cong hoặc vỡ. Làm nguội chậm trong suốt quá trình ủ có thể giúp giảm bớt căng thẳng. Ví dụ, sau khi ủ, tỷ lệ giảm ứng suất của các bộ phận kết cấu hàng không vũ trụ có thể lên tới hơn 80%.
Tăng cường tính chất cơ học: Làm nguội và ủ cùng nhau có thể làm cho mọi thứ cứng hơn và bền hơn nhiều. Ví dụ, sau khi tôi, thép không gỉ 316L cứng hơn 30% và có khả năng chống mài mòn cao hơn, rất phù hợp cho các bộ phận cơ khí phải mang nhiều trọng lượng.
Tinh chế hạt: Quá trình kết tinh lại theo hướng quản lý gradient nhiệt để kết hợp các hạt nhỏ thành tinh thể dạng cột. Điều này làm cho vật liệu có khả năng chống rão tốt hơn ở nhiệt độ cao. Nghiên cứu của MIT chỉ ra rằng sau khi xử lý kết tinh lại theo hướng, kích thước hạt của hợp kim nhiệt độ cao-làm từ niken-cao{3}}tăng lên theo nhiều bậc độ lớn và tuổi thọ rão kéo dài hơn nhiều.
Xử lý cô đặc: Ép đẳng nhiệt nóng (HIP) loại bỏ các lỗ bên trong bằng cách sử dụng nhiệt độ cao và áp suất cao. Điều này làm cho mật độ vật liệu gần như 100%. Ví dụ, xử lý HIP đã nâng cao tuổi thọ mỏi ở chu kỳ thấp của đĩa tuabin trong động cơ máy bay từ 5000 chu kỳ lên 20000 chu kỳ.
2. Các tình huống không cần xử lý nhiệt: cải thiện đặc tính và quy trình của vật liệu
Mặc dù xử lý nhiệt có rất nhiều lợi ích, nhưng các bộ phận có thể được sử dụng ngay lập tức mà không cần thực hiện thêm bất kỳ thao tác nào trong các trường hợp sau:
Các bộ phận không cần nhiều ứng suất: Nếu cấu trúc bộ phận cơ bản, kích thước khiêm tốn và không quan tâm đến ứng suất dư thì bạn không cần phải ủ nó. Ví dụ: các bộ phận kết cấu mang tính trang trí nhỏ hoặc không-chịu tải{2}}không có khả năng bị biến dạng và không đáng đồng tiền bỏ ra để xử lý nhiệt.
Sự kết hợp khác nhau của vật liệu và quy trình: Một số vật liệu đã tạo ra các cấu trúc vi mô hoàn hảo khi được in. Ví dụ, kỹ thuật nấu chảy chọn lọc chùm tia điện tử (EBSM) nguội đi chậm hơn, điều đó có nghĩa là các bộ phận được in bằng hợp kim titan (Ti6Al4V) không bị thô, điều này tốt cho cấy ghép y tế vì chúng cần phải tương thích sinh học.
Kịch bản chú ý đến chất lượng bề mặt: Nếu bộ phận cần rất mịn, việc xử lý nhiệt có thể khiến nó bị oxy hóa hoặc thay đổi hình dạng. Tại thời điểm này, xử lý nhiệt có thể được thay thế bằng các phương pháp xử lý bề mặt bao gồm đánh bóng hóa học và đánh bóng bằng laser. Sau khi đánh bóng điện hóa, độ nhám bề mặt của cấy ghép hợp kim titan xốp giảm từ 6–12 μm xuống 0,2–1 μm mà không cần xử lý nhiệt thêm.
Xác minh nguyên mẫu nhanh: Xử lý nhiệt có thể làm cho chu kỳ phát triển ở giai đoạn thiết kế sản phẩm dài hơn. Ví dụ: bản lề linh hoạt tích hợp trong lĩnh vực điện tử tiêu dùng cần các bộ phận nguyên mẫu được chế tạo nhanh chóng và việc sử dụng trực tiếp các bộ phận được in có thể đẩy nhanh quá trình xác minh.
3. Khung đưa ra quyết định: Tìm sự cân bằng phù hợp giữa hiệu suất, chi phí và hiệu quả
Cần xem xét kỹ lưỡng các yếu tố sau để quyết định có nên xử lý nhiệt hay không:
Yêu cầu về chức năng: Các bộ phận hàng không vũ trụ phải có khả năng chịu được nhiệt độ và sức căng cực lớn, đó là lý do tại sao việc xử lý nhiệt lại quan trọng.
Cấy ghép y tế cần phải chắc chắn và an toàn cho cơ thể, đồng thời ủ hoặc điều trị HIP có thể giúp chúng hoạt động tốt hơn.
Nếu điều duy nhất quan trọng là các tác phẩm điêu khắc nghệ thuật hoặc các tác phẩm trưng bày trông như thế nào thì có thể bỏ qua quá trình xử lý nhiệt để tiết kiệm tiền.
Hợp kim nhiệt độ cao-làm từ niken có khả năng bị nứt, do đó chúng cần dung dịch rắn và xử lý lão hóa để làm cho chúng cứng hơn.
Các bộ phận làm bằng hợp kim nhôm (chẳng hạn như AlSi10Mg) có chứa các hạt siêu nhỏ, khiến chúng có trọng lượng nhẹ ngay lập tức.
Loại quy trình: Quá trình nấu chảy bột giường (PBF) cần phải được ủ vì nó nguội đi nhanh chóng và để lại nhiều lực căng.
Do có lượng nhiệt đầu vào cao và mức ứng suất thấp nên kỹ thuật lắng đọng năng lượng định hướng (DED) giúp giảm nhu cầu xử lý nhiệt.
Giới hạn chi phí: Mua và vận hành thiết bị HIP đắt tiền, điều này khiến các doanh nghiệp vừa và nhỏ-khó có đủ khả năng chi trả. Họ cần tìm sự thỏa hiệp giữa hiệu suất và chi phí.
Xử lý nhiệt các bộ phận có cấu trúc phức tạp có thể khiến chúng thay đổi hình dạng. Để tránh điều này, nên sử dụng tối ưu hóa mô phỏng để hỗ trợ thiết kế và tăng chi phí nghiên cứu và phát triển.