Có cần thiết phải xử lý giảm căng thẳng sau khi in khuôn không?

一, Cách thức hình thành ứng suất dư và những rủi ro mà nó có thể gây ra
1. Sự đa dạng về nguồn gốc ứng suất
Có ba loại biến cơ bản gây ra lực căng dư trong quá trình in khuôn:
Các thông số quy trình khác nhau: Nếu công suất laser, tốc độ quét và độ dày lớp không được đặt chính xác, tốc độ co ngót giữa các lớp có thể khác nhau, điều này có thể gây ra ứng suất cắt giữa các lớp. Ví dụ: khi in ảnh 3D{2}}gốm sứ được xử lý, những thay đổi về độ dày lớp (50–100 μm) và mức tiếp xúc với tia cực tím không đủ có thể gây ra áp lực giữa các lớp, điều này có thể khiến giàn giáo zirconia không được ủ bị vỡ với tỷ lệ lên tới 18%.
Hạn chế về đặc tính vật liệu: Khi in bằng phương pháp nung chảy lớp bột kim loại (PBF), việc làm nguội nhanh gây ra hiện tượng sàng lọc hạt không đồng đều,-nổi lệch mật độ cao ở một số vị trí nhất định và ứng suất vi mô. Ví dụ, ứng suất dư trong thép khuôn H13 chưa qua xử lý đã được in 3D có thể lên tới 30% đến 50% cường độ chảy của vật liệu.
Việc loại bỏ các cấu trúc hỗ trợ và đánh bóng bề mặt là ví dụ về các tác vụ xử lý hậu kỳ có thể gây thêm biến dạng cơ học. Ví dụ: nếu khuôn không được giảm bớt ứng suất- sau khi được xử lý cơ học thì biến dạng khi dập nguội có thể tăng từ 40% đến 60%.
2. Căng thẳng có thể nguy hiểm về nhiều mặt
Nếu ứng suất dư không được xử lý đúng cách sẽ dẫn đến các vấn đề sau:
Không ổn định kích thước: Khi giải phóng ứng suất, khuôn bị cong vênh và thay đổi hình dạng, với độ lệch chính xác lớn hơn ± 80 μ m, kém hơn nhiều so với tiêu chí dành cho khuôn cấp y tế (± 50 μ m).
Suy giảm hiệu suất: Các vết nứt nhỏ có khả năng hình thành ở những vị trí có ứng suất cao, làm giảm độ bền mỏi và khả năng chống va đập. Ví dụ: nếu chất nền điện tử alumina in 3D-không được ủ, lớp phủ kim loại sẽ bong ra với tỷ lệ 12% và điện trở cách điện thay đổi ± 15%.
Suy giảm tuổi thọ: Sự chồng chất ứng suất làm tăng tốc độ lan rộng của các vết nứt mỏi khi tải trọng theo chu kỳ, làm giảm tuổi thọ của khuôn từ 50% đến 70%. Ví dụ, sau 100.000 chu kỳ tải, tốc độ lan truyền vết nứt của thép khuôn in 3D không được ủ nhanh hơn ba lần so với các bộ phận được ủ.
2, Sự cần thiết của việc xả stress: minh chứng từ lý thuyết đến thực tiễn
1. Cơ sở lý thuyết: Mối liên hệ giữa giảm căng thẳng và hiệu suất tốt hơn
Các hoạt động nhiệt động hoặc cơ học được sử dụng trong xử lý giảm ứng suất để di chuyển các nguyên tử xung quanh bên trong vật liệu, giảm mật độ trật khớp và loại bỏ ứng suất. Điều quan trọng nhất về nó là:
Sửa chữa vi cấu trúc: Quá trình ủ có thể đóng các vết nứt vi mô (chiều dài<50 μm) that form during sintering, which makes the material 2% to 3% denser. For instance, after annealing at 1150 °C, the microcrack closure rate of 3D printed zirconia parts goes from 90% to 420MPa, and the bending strength goes from 350MPa to 420MPa.
Cải thiện độ ổn định kích thước: Lượng biến dạng dẻo khiêm tốn (thường dưới 0,5%) xảy ra khi giải phóng ứng suất có thể ngăn chặn hiện tượng biến dạng đột ngột xảy ra khi vật phẩm được sử dụng lại. Ví dụ, độ chính xác về kích thước của cấy ghép nha khoa zirconia đã tăng từ ± 80 μm lên ± 30 μm sau khi ủ, phù hợp với tiêu chuẩn y tế ISO 13356.
Cải thiện hiệu suất gia công có nghĩa là giảm độ cứng bề mặt và ứng suất kéo dư, cũng như giảm độ rung và mài mòn dụng cụ trong suốt quá trình cắt. Ví dụ: sau khi mài, thép khuôn được giảm ứng suất-ở mức 260–315 độ, giúp giảm ứng suất bề mặt từ 40% đến 65% và tăng gấp đôi tuổi thọ của dụng cụ.
2. Ví dụ thực tế: một mô hình thành công để sử dụng trong kinh doanh
Một công ty y tế tạo ra các thiết bị cấy ghép zirconia in 3D-bằng cách sử dụng kỹ thuật "đúc xử lý bằng tia cực tím → tẩy dầu mỡ → thiêu kết → ủ (cách nhiệt 1150 độ trong 3 giờ, tăng nhiệt 5 độ /h, hạ nhiệt 5 độ /h)" trong lĩnh vực khuôn gốm. Tỷ lệ nứt đã giảm từ 18% xuống 3%, khả năng chống mỏi tăng 25% và tỷ lệ vượt qua lô tăng từ 75% lên 96%.
Một công ty điện tử đã chế tạo chất nền điện tử oxit nhôm in 3D trong lĩnh vực khuôn kim loại bằng cách "thiêu kết rồi ủ (giữ ở nhiệt độ 1300 độ trong 4 giờ, gia nhiệt ở 10 độ/h và làm mát ở 10 độ/h)." Tỷ lệ bong tróc lớp phủ kim loại giảm xuống còn 2% và biến thiên điện trở cách điện giảm xuống ± 5%, đáp ứng các tiêu chuẩn về độ ổn định cao.
Khuôn có cấu trúc phức tạp: Đối với các bộ phận không đều đặn, các giá đỡ xốp như vậy, các quy trình như gia nhiệt từng bước (cách nhiệt 600 độ trong 1 giờ, cách nhiệt 750 độ trong 2 giờ) và làm mát gradient (5–10 độ/h) được sử dụng để giải phóng ứng suất đồng đều và ngừng nứt do quá nhiệt cục bộ.
3, Lựa chọn phương pháp và tối ưu hóa các thông số là một phần của quá trình xử lý căng thẳng.
1. Phương pháp xử lý nhiệt: quản lý chính xác các quy trình sơ cấp
Ủ để giảm bớt căng thẳng: Làm nóng khuôn đến dưới Ac ₁ (ví dụ: 500–650 độ ) và giữ ở đó trong 2–4 giờ. Sau đó để nguội từ từ. Nó hoạt động với khuôn thép, khuôn hợp kim nhôm, v.v. và nó có thể loại bỏ hơn 80% lực căng dư.
Xử lý thời gian: Khuyến khích giải phóng ứng suất tự nhiên bằng quá trình lão hóa tự nhiên (bảo quản ở nhiệt độ phòng) hoặc lão hóa nhân tạo (cách nhiệt 100–200 độ), phương pháp này tốt nhất cho các khuôn quang học cần độ chính xác rất cao.
Cải thiện quá trình ủ: Thay đổi đường cong nhiệt độ dựa trên chất lượng của vật liệu. Ví dụ: nhiệt độ của quá trình ủ khuôn zirconia cần được giữ ở mức từ 1100 đến 1200 độ (thấp hơn nhiệt độ thiêu kết là 300-400 độ). Tốc độ gia nhiệt phải là 5-10 độ /h (đối với các bộ phận có thành mỏng nên giảm xuống 3 độ /h) và thời gian cách nhiệt là 2-3 giờ.
Lão hóa do rung động: Tốt cho các khuôn lớn hoặc các tình huống không thể gia nhiệt vì nó sử dụng rung động cơ học (15–100Hz) để giảm ứng suất bên trong của vật liệu. Ví dụ, một công ty sản xuất khuôn ô tô đã cắt giảm 60% biến dạng của khuôn sau khi sử dụng liệu pháp chống lão hóa bằng rung động.
Xử lý bằng phương pháp mài mòn bắn: Tác động lên bề mặt bằng các hạt kim loại-tốc độ cao tạo ra lớp ứng suất nén (độ sâu 0,1–0,5 mm) khiến lớp kim loại này tồn tại lâu hơn. Tốt cho các khuôn có ứng suất tập trung lên bề mặt, bao gồm cả khuôn-đúc khuôn và khuôn rèn.
3. Quy trình tổng hợp: Nâng cao hiệu quả bằng cách làm việc cùng nhau với kế hoạch công nghệ khác nhau
Xử lý nhiệt và xử lý cơ học: Đầu tiên, sử dụng phương pháp ủ để loại bỏ mọi ứng suất, sau đó sử dụng phương pháp bắn bóng để làm cho bề mặt chắc chắn hơn. Ví dụ, một công ty khuôn mẫu hàng không nào đó đã sử dụng quy trình "ủ ​​(cách nhiệt 650 độ trong 2 giờ) + phun nổ (hạt Al2O3, áp suất 0,3MPa)", khiến khuôn tồn tại lâu hơn ba lần.
Công nghệ ủ thông minh: Hệ thống AI điều chỉnh đường cong nhiệt độ theo thời gian thực để khắc phục vấn đề ủ không đều của các khuôn có kết cấu phức tạp. Ví dụ, một nhóm nghiên cứu nào đó đã tạo ra một phương pháp ủ thông minh có thể nâng tỷ lệ giảm ứng suất của các bộ phận không đều từ 70% lên 92%.