מדוע יש צורך בטיפול בחום לאחר הדפסת תלת מימד מתכת?

1. היפטרות משאריות מתח היא המפתח לעצירת דפורמציה וסדקים.
במהלך תהליך הדפסת מתכת בתלת מימד, החומר עובר מחזורים מהירים של חימום וקירור, מה שמותיר מתחים שיוריים במוצרים. לדוגמה, בתהליך המסת אבקת לייזר (LPBF), בריכת ההיתוך מתקררת במהירות, מה שעלול להפעיל לחץ על המתכת שמסביב שעדיין לא נמסה. החלק עלול להתכופף, להיסדק או לחרוג ממגבלת הגודל אם הלחץ גבוה מדי עבור החומר. לדוגמה, להבי מנועי מטוסים מסגסוגת טיטניום יש קירות דקים. אם הם אינם מטופלים בחום- לאחר ההדפסה, מתח שיורי עלול לגרום להם להישבר באופן בלתי צפוי במהלך העיבוד או השימוש, דבר שיהיה מסוכן מאוד.
חישול הפחתת מתח ושיטות טיפול בחום אחרות יכולות להיפטר מהמתח שיורי בצורה טובה מאוד. במהלך תהליך החישול, החלקים מחוממים לטמפרטורה מתחת לנקודת ההתגבשות מחדש (בדרך כלל 50% עד 70% מנקודת ההיתוך של החומר), נשמרים שם למשך פרק זמן מוגדר, ואז מתקררים בהדרגה. בשלב זה, הנקעים הפנימיים של החומר מסודרים מחדש, הגרגירים מתאוששים ומתגבשים מחדש, והלחץ משתחרר. לדוגמה, סוג מסוים של דיסק טורבינה חישל ב-650 מעלות למשך 4 שעות, מה שהוריד את המתח השיורי מ-320MPa ל-80MPa ואת העיוות ב-90%. זה הבטיח שהעיבוד יהיה מדויק.
2. שיפור מבנה המיקרו: לגרום לחומרים לעבוד טוב יותר באופן כללי
ההתמצקות המהירה של הדפסת תלת מימד מתכת עלולה לגרום למיקרו-מבנה גס ולהפרדה קומפוזיציית, מה שעלול לפגוע בביצועי החלקים. לדוגמה, פלדת אל חלד 316L מודפסת LPBF- עשויה להיות בעלת גבישים עמודים מחוספסים, והתנגדות העייפות שלה נמוכה ב-40% מזו של פלדה מזויפת. טיפול בחום יכול לגרום לדברים לעבוד טוב יותר על ידי שליטה במבנה המיקרו:
עידון גרגרים: במהלך חישול, תהליך ההתגבשות מחדש יכול להקטין את הגרגרים. לדוגמה, חישול חלקים מודפסים מסגסוגת אלומיניום ב-350 מעלות למשך שעתיים מקטין את גודל הגרגירים מ-100 מיקרומטר ל-20 מיקרומטר ומגדיל את חוזק התפוקה ב-15%.
שליטה בשינוי פאזה: כאשר אתה מרווה ומטפח פלדה, אתה יכול ליצור מבנה דו-פאזי- הכולל מרטנזיט ושארית אוסטניט. לדוגמה, הקשיות של רכיבים מודפסים מפלדת עובש עולה ל-58HRC לאחר כיבוי ב-1050 מעלות וחום ב-200 מעלות. עמידות הבלאי גבוהה פי שלושה מזו של חלקים שלא טופלו.
היפטרות מפגמים: הפעולה הסינרגטית של טמפרטורה גבוהה (בדרך כלל פי 0.7-0.9 מנקודת ההיתוך של החומר) ולחץ גבוה (100-200MPa) בטיפול בכבישה איזוסטטית חמה (HIP) יכולה לסגור חורים פנימיים ומיקרו-סדקים בחלקים. לאחר טיפול HIP, הצפיפות של חלקי סגסוגת-בטמפרטורה גבוהה עבור מנוע תעופה מסוים עלתה מ-99.2% ל-99.99%, והחלקים החזיקו מעמד פי 5 יותר.
3. עמוד בתקני חוזק- גבוהים כדי לשפר ביצועים מכניים.
האיכויות המכניות של פריטי מתכת מודפסים בתלת-ממד אינן בדרך כלל טובות כמו אלה שנעשו בשיטות מסורתיות. עם זאת, טיפול בחום יכול להפוך אותם להרבה יותר חזקים, קשים וקשוחים יותר.
טיפול מרווה יוצר מבנה מרטנסיטי על ידי קירור מהיר, מה שמקשה הרבה יותר. לדוגמה, חוזק המתיחה של חלקים מודפסים העשויים מסגסוגת-על בסיס ניקל בטמפרטורה גבוהה{{2} עלה מ-850 MPa ל-1200 MPa לאחר כיבוי ב-1120 מעלות.
קשיחות טובה יותר: טמפרור יכול להיפטר מלחץ מרווה ולהפוך את הדברים לקשים יותר. לדוגמה, לאחר כיבוי וחיפוי ב-550 מעלות, קשיחות ההשפעה של חלק מודפס של פיר הילוכים של מכונית ירדה מ-15J/cm² ל-35J/cm², שעמד בתקני הבטיחות להתנגשויות.
מקסום ביצועי עייפות: טיפול בחום יכול להאריך במידה ניכרת את חייו של חומר על ידי שליטה במבנה המיקרו ובמתח השיורי שלו. לדוגמה, חישול כפול (700 מעלות למשך שעתיים ו-500 מעלות למשך 4 שעות) העלה את גבול העייפות של שתלים אורטופדיים מסגסוגת טיטניום מ-450 MPa ל-600 MPa, וזה מספיק כדי לתמוך במשקל הגוף-לטווח ארוך.
4. ודא שהמידות יישארו יציבות: התאימו לסטנדרטים להרכבה מדויקת.
לאחר ההדפסה, חלקי מתכת מודפסים בתלת מימד עשויים לשנות את גודלם בגלל שחרור מתח שיורי או שינויים במבנה המיקרו. זה יכול להקשות על חיבורם בצורה נכונה. טיפול בחום יכול להפוך את היציבות הממדית לטובה הרבה יותר על ידי ייצוב המיקרו-מבנה והיפטרות מהמתח.
דפורמציה נמוכה יותר: טיפול חישול יכול להוריד את ההבדל במקדם ההתפשטות התרמית בין חלקים ועיוות עיבוד נמוך יותר. לדוגמה, לאחר חישול, סטיית הקוטר של חלק מודפס עבור מחליף חום של ערוץ זרימה מורכב ירדה מ-± 0.15 מ"מ ל-± 0.05 מ"מ, שעמד בסטנדרטים של איטום נוזלים.
יציבות לאורך זמן: הזדקנות מלאכותית וטיפולי הזדקנות אחרים יכולים להיפטר מתמיסות מוצקות על-רוויות בחומרים ולמנוע מהם לשנות את גודלם יותר מדי לאורך זמן. לדוגמה, קצב שינוי הגודל של חלקים מודפסים מסגסוגת אלומיניום ירד מ-0.3% בשנה ל-0.05% בשנה לאחר שהתיישנו ב-170 מעלות למשך 8 שעות. זה ענה על צרכי השירות-לטווח ארוך של תעופה וחלל.
5. מענה לצרכי ביצוע ייחודיים: הרחבת מגוון השימושים
טיפול בחום יכול גם לספק לפריטים מודפסים תלת מימד מתכת איכויות ספציפיות, מה שהופך אותם לשימושיים במקומות נוספים:
עמידות משופרת בפני קורוזיה: טיפול בתמיסה מוצקה יכול להמיס את השלב השני בחומר, מה שמפחית את הסיכוי להחליד באמצעים אלקטרוכימיים. לדוגמה, לאחר שטופלו בתמיסה ב-1050 מעלות, פוטנציאל הפירוק של רכיבים מודפסים מנירוסטה 316L ירד מ-320mV ל-450mV, וזה טוב לשימוש בתנאים ימיים.
שליטה במאפיינים מגנטיים: טיפול בחום יכול לשנות את כיוון התבואה ואת המתח השיורי של חומרים מגנטיים רכים כדי לשפר את התכונות המגנטיות שלהם. לדוגמה, לאחר חימום ל-750 מעלות, החדירות המגנטית של חלק נתון של שסתום סולנואיד עולה ב-20%, וכמות האנרגיה שהוא משתמש בו יורדת ב-15%.
שיפור התאימות הביולוגית: יש לחמם שתלים רפואיים כדי להיפטר ממזהמי פני השטח וליצור סרט פסיבציה. לאחר שטיפת חומצה וחישול ב-500 מעלות, למשל, חספוס פני השטח Ra של שתלים אורטופדיים מסגסוגת טיטניום עלה מ-3.2 מיקרומטר ל-0.8 מיקרומטר, ושיעור הידבקות התא עלה ב-40%.