เหตุใดการอบชุบจึงจำเป็นหลังจากการพิมพ์ 3 มิติด้วยโลหะ

1. การกำจัดความเค้นตกค้างเป็นกุญแจสำคัญในการหยุดการเสียรูปและการแตกร้าว
ในระหว่างกระบวนการพิมพ์โลหะแบบ 3 มิติ วัสดุจะผ่านวงจรการทำความร้อนและความเย็นอย่างรวดเร็ว ซึ่งทำให้เกิดแรงตึงตกค้างในผลิตภัณฑ์ ตัวอย่างเช่น ในกระบวนการหลอมด้วยเลเซอร์ผงเบด (LPBF) บ่อหลอมจะเย็นลงอย่างรวดเร็ว ซึ่งอาจสร้างความเครียดให้กับโลหะโดยรอบที่ยังไม่ละลาย ชิ้นส่วนอาจโค้งงอ แตกร้าว หรือเกินขนาดจำกัด หากความเค้นสูงเกินไปสำหรับวัสดุ ตัวอย่างเช่น ใบพัดเครื่องยนต์เครื่องบินโลหะผสมไทเทเนียมมีผนังบาง หากไม่ได้รับความร้อน-หลังการพิมพ์ ความตึงที่เหลืออาจทำให้แตกหักโดยไม่คาดคิดระหว่างการประมวลผลหรือการใช้งาน ซึ่งอาจเป็นอันตรายได้
การหลอมลดความเครียดและการบำบัดความร้อนอื่นๆ สามารถกำจัดความเครียดที่ตกค้างได้เป็นอย่างดี ในระหว่างกระบวนการหลอม ชิ้นส่วนจะถูกให้ความร้อนจนถึงอุณหภูมิที่ต่ำกว่าจุดตกผลึกใหม่ (โดยทั่วไปคือ 50% ถึง 70% ของจุดหลอมเหลวของวัสดุ) เก็บไว้ที่นั่นเป็นระยะเวลาหนึ่ง จากนั้นจึงทำให้เย็นลงเรื่อยๆ ในเวลานี้ การเคลื่อนตัวภายในของวัสดุจะถูกจัดเรียงใหม่ เมล็ดข้าวจะฟื้นตัวและตกผลึกใหม่ และความเครียดจะถูกระบายออก ตัวอย่างเช่น จานกังหันบางชนิดถูกอบอ่อนที่ 650 องศาเป็นเวลา 4 ชั่วโมง ซึ่งช่วยลดความเค้นตกค้างจาก 320MPa เป็น 80MPa และการเสียรูปลง 90% เพื่อให้แน่ใจว่าการตัดเฉือนจะมีความแม่นยำ
2. การปรับปรุงโครงสร้างจุลภาค: ทำให้วัสดุทำงานได้ดีขึ้นโดยรวม
การแข็งตัวอย่างรวดเร็วของการพิมพ์ 3 มิติด้วยโลหะอาจทำให้เกิดโครงสร้างจุลภาคที่หยาบและการแยกองค์ประกอบ ซึ่งอาจทำให้ประสิทธิภาพของชิ้นส่วนเสียหายได้ ตัวอย่างเช่น สแตนเลส 316L ที่พิมพ์ด้วย LPBF- อาจมีผลึกเรียงเป็นแนวหยาบ และความต้านทานความล้าต่ำกว่าเหล็กหลอมถึง 40% การอบชุบด้วยความร้อนสามารถทำให้สิ่งต่าง ๆ ทำงานได้ดีขึ้นโดยการควบคุมโครงสร้างจุลภาค:
การปรับแต่งเกรน: ในระหว่างการหลอม กระบวนการตกผลึกซ้ำอาจทำให้เกรนมีขนาดเล็กลง ตัวอย่างเช่น การอบอ่อนชิ้นส่วนที่พิมพ์ด้วยโลหะผสมอลูมิเนียมที่ 350 องศาเป็นเวลา 2 ชั่วโมงจะช่วยลดขนาดเกรนจาก 100 μm เป็น 20 μm และเพิ่มความแข็งแรงของผลผลิต 15%
การควบคุมการเปลี่ยนเฟส: เมื่อคุณดับและอบคืนเหล็กกล้า คุณสามารถสร้างโครงสร้างเฟสคู่-ที่ประกอบด้วยมาร์เทนไซต์และออสเทนไนต์ที่ตกค้าง ตัวอย่างเช่น ความแข็งของชิ้นส่วนที่พิมพ์ด้วยแม่พิมพ์เหล็กจะเพิ่มขึ้นถึง 58HRC หลังจากดับที่ 1,050 องศา และอบคืนตัวที่ 200 องศา ความต้านทานการสึกหรอสูงกว่าชิ้นส่วนที่ไม่ผ่านการบำบัดถึงสามเท่า
การกำจัดข้อบกพร่อง: การทำงานร่วมกันของอุณหภูมิสูง (โดยทั่วไปคือ 0.7–0.9 เท่าของจุดหลอมเหลวของวัสดุ) และแรงดันสูง (100–200MPa) ในกระบวนการกดแบบไอโซสแตติกเพรสซิ่ง (HIP) แบบร้อนสามารถปิดรูภายในและรอยแตกขนาดเล็กในชิ้นส่วนได้ หลังการรักษา HIP ความหนาแน่นของชิ้นส่วนโลหะผสมอุณหภูมิสูง-สำหรับเครื่องยนต์การบินบางชนิดเพิ่มขึ้นจาก 99.2% เป็น 99.99% และชิ้นส่วนมีอายุการใช้งานนานกว่า 5 เท่า
3. เป็นไปตามมาตรฐานความแข็งแกร่งสูง-เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพทางกล
คุณภาพทางกลของชิ้นงานที่พิมพ์ด้วยโลหะ 3D มักจะไม่ดีเท่ากับคุณสมบัติที่ผลิตโดยใช้วิธีการแบบดั้งเดิม อย่างไรก็ตาม การใช้ความร้อนสามารถทำให้พวกมันแข็งแกร่งขึ้น แข็งขึ้น และแข็งแกร่งขึ้นได้มาก
การชุบแข็งจะสร้างโครงสร้างมาร์เทนซิติกโดยการทำให้เย็นลงอย่างรวดเร็ว ซึ่งทำให้ยากขึ้นมาก ตัวอย่างเช่น ความต้านทานแรงดึงของชิ้นส่วนที่พิมพ์ซึ่งทำจากโลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูง-ซึ่งมีนิกเกิล- เพิ่มขึ้นจาก 850 MPa เป็น 1200 MPa หลังจากการดับที่ 1120 องศา
ความเหนียวที่ดีกว่า: การแบ่งเบาบรรเทาสามารถกำจัดความเครียดที่ดับลงและทำให้สิ่งต่าง ๆ รุนแรงขึ้น ตัวอย่างเช่น หลังจากการดับและอบคืนตัวที่ 550 องศา ความทนทานต่อแรงกระแทกของส่วนที่พิมพ์ออกมาของเพลาส่งกำลังของรถยนต์เปลี่ยนจาก 15J/ซม.² เป็น 35J/ซม.² ซึ่งตรงตามมาตรฐานความปลอดภัยสำหรับการชนกัน
การเพิ่มประสิทธิภาพความล้าสูงสุด: การอบชุบด้วยความร้อนสามารถยืดอายุของวัสดุได้อย่างมากโดยการควบคุมโครงสร้างจุลภาคและความเค้นตกค้าง ตัวอย่างเช่น การอบอ่อนสองเท่า (700 องศา เป็นเวลา 2 ชั่วโมงและ 500 องศา เป็นเวลา 4 ชั่วโมง) ทำให้ขีดจำกัดความล้าของการปลูกถ่ายกระดูกและข้อโลหะผสมไทเทเนียมเพิ่มขึ้นจาก 450 MPa เป็น 600 MPa ซึ่งเพียงพอที่จะรองรับน้ำหนักของร่างกายในระยะยาว-
4. ตรวจสอบให้แน่ใจว่าขนาดคงที่: ตรงกับมาตรฐานสำหรับการประกอบที่แม่นยำ
หลังจากการพิมพ์ ชิ้นส่วนที่พิมพ์ด้วยโลหะ 3 มิติอาจเปลี่ยนขนาดเนื่องจากการปลดปล่อยความเครียดที่ตกค้างหรือการเปลี่ยนแปลงในโครงสร้างจุลภาค ซึ่งจะทำให้ยากต่อการประกอบอย่างถูกต้อง การอบชุบด้วยความร้อนสามารถทำให้ความเสถียรของมิติดีขึ้นมากโดยการรักษาเสถียรภาพของโครงสร้างจุลภาคและกำจัดความตึงเครียด
การเสียรูปต่ำ: การอบอ่อนสามารถลดความแตกต่างของค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนระหว่างชิ้นส่วนและการเสียรูปของเครื่องจักรที่ลดลง ตัวอย่างเช่น หลังจากการอบอ่อน ค่าเบี่ยงเบนเส้นผ่านศูนย์กลางของชิ้นส่วนที่พิมพ์สำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบช่องการไหลที่ซับซ้อนลดลงจาก ± 0.15 มม. เป็น ± 0.05 มม. ซึ่งตรงตามมาตรฐานสำหรับการซีลของเหลว
ความคงตัวเมื่อเวลาผ่านไป: การเสื่อมสภาพตามธรรมชาติและการบำบัดการชราอื่นๆ สามารถกำจัดสารละลายของแข็งที่มีความอิ่มตัวยวดยิ่งในวัสดุ และหยุดการเปลี่ยนแปลงขนาดมากเกินไปเมื่อเวลาผ่านไป ตัวอย่างเช่น อัตราการเปลี่ยนแปลงขนาดของชิ้นส่วนพิมพ์อลูมิเนียมอัลลอยด์ลดลงจาก 0.3% ต่อปีเป็น 0.05% ต่อปี หลังจากบ่มที่อุณหภูมิ 170 องศาเป็นเวลา 8 ชั่วโมง สิ่งนี้ตอบสนองความต้องการการบริการระยะยาว-ของการบินและอวกาศ
5. ตอบสนองความต้องการด้านประสิทธิภาพที่ไม่เหมือนใคร: ขยายขอบเขตการใช้งาน
การอบชุบด้วยความร้อนยังสามารถให้คุณสมบัติเฉพาะของชิ้นงานที่พิมพ์ด้วยโลหะ 3D ซึ่งทำให้มีประโยชน์ในที่ต่างๆ มากขึ้น:
ความต้านทานต่อการกัดกร่อนดีขึ้น: การบำบัดด้วยสารละลายของแข็งสามารถละลายเฟสที่สองในวัสดุได้ ซึ่งทำให้โอกาสที่จะเกิดการกัดกร่อนน้อยลงด้วยวิธีเคมีไฟฟ้า ตัวอย่างเช่น หลังจากได้รับการบำบัดด้วยสารละลายที่อุณหภูมิ 1,050 องศา ศักยภาพการเกิดรูพรุนของส่วนประกอบที่พิมพ์ด้วยสแตนเลส 316L ก็เปลี่ยนจาก 320mV เป็น 450mV ซึ่งดีสำหรับการใช้งานในสภาวะทางทะเล
การควบคุมลักษณะทางแม่เหล็ก: การอบร้อนสามารถเปลี่ยนการวางแนวของเกรนและความเค้นตกค้างของวัสดุแม่เหล็กอ่อนเพื่อทำให้คุณสมบัติทางแม่เหล็กดีขึ้น ตัวอย่างเช่น หลังจากถูกให้ความร้อนถึง 750 องศา การซึมผ่านของแม่เหล็กของชิ้นส่วนที่กำหนดของโซลินอยด์วาล์วจะเพิ่มขึ้น 20% และปริมาณพลังงานที่ใช้จะลดลง 15%
การปรับปรุงความเข้ากันได้ทางชีวภาพ: การปลูกถ่ายทางการแพทย์จำเป็นต้องได้รับความร้อนเพื่อกำจัดสิ่งปนเปื้อนบนพื้นผิวและสร้างฟิล์มสร้างฟิล์ม หลังจากการล้างด้วยกรดและการอบอ่อนที่ 500 องศา ตัวอย่างเช่น ความหยาบของพื้นผิว Ra ของการปลูกถ่ายกระดูกโลหะผสมไทเทเนียมเพิ่มขึ้นจาก 3.2 μm เป็น 0.8 μm และอัตราการยึดเกาะของเซลล์เพิ่มขึ้น 40%