Адитивне виробництво (AM), яке зазвичай називають 3D-друком, набуває популярності як життєздатна техніка прототипування та високоспеціалізованих компонентів складних конструкцій.
Ефект термічної обробки 3D металевих деталей
Металеві 3D-друковані деталі часто вимагають термічної обробки після виготовлення. Він зменшує внутрішні напруги, що утворюються під час виробництва, і може змінити мікроструктуру деталі. Ця мікроструктурна зміна змінює певні властивості, такі як в’язкість, твердість тощо. Серед них одним із методів ретельного ущільнення металевих деталей, надрукованих на 3D-друкі, для зменшення пористості є гаряче ізостатичне пресування (HIP).
Процес HIP вимагає розміщення готового тривимірного виробу в посудину під тиском, а потім заповнення його інертним газом, зазвичай аргоном. Тиск постійно підвищується і може перевищувати межу текучості компонента при збереженні високих температур. Завдяки швидкому гарту більш складний процес HIP використовує регульовані швидкості охолодження та нагрівання та рівні тиску для точного налаштування якості та властивостей розтягування оброблених деталей.
Що дає термічна обробка полімерним 3D-друкованим деталям?
За допомогою 3D-друку можна точно виготовити широкий спектр складних геометрій, однак у нього є один серйозний недолік, який полягає в необхідності термічної пост-обробки. Ці надруковані на 3D-принтері деталі мають погані механічні властивості порівняно з деталями, виготовленими методом лиття під тиском. Недостатнє зчеплення між нитками з покриттям і складеними шарами може призвести до погіршення механічних властивостей компонентів, надрукованих на 3D-друкі.
Останнє дослідження, опубліковане в журналі Polymers, зосереджено на покращенні механічних властивостей, особливо міцності на розтягування та стиск. Дослідники використовували для дослідження нитки PETG діаметром 1,75 мм. Результати показали, що міцність на розрив полімерних 3D-друкованих компонентів значно зросла після термічної обробки. У результаті термічно оброблені деталі мали досить хорошу міцність на розрив, причому повністю оброблені деталі продемонстрували на 41,1 відсотка вищу міцність у горизонтальному напрямку, ніж необроблений зразок, і на 143,9 відсотка вищу міцність у вертикальному напрямку, ніж контроль. Руйнівні випробування на стиск показали значне збільшення значень міцності на стиск для термічно оброблених зразків із напругою стиску до 118 МПа. Це дослідження успішно виявило позитивний ефект термічної обробки полімерних матеріалів після виготовлення.
△ Зразок засобів міцності на стиск
Надруковані на 3D поліпропіленові деталі для термообробки для вакуумних систем
Останнє дослідження в Journal of Manufacturing and Materials Processing досліджує доцільність застосування процесу термічної обробки для інкапсуляції надрукованого на 3D поліпропілену в умовах вакууму. Дослідження показали, що теплова обробка дуже ефективна для процесу пакування.
Дослідники наклали на частину, надруковану з 98-відсотковим заповненням і запечатану після термічної обробки протягом 15 ітерацій із середнім значенням 0,4 м Торр і 95-відсотковим довірчим інтервалом 0,2 м Торр. Дослідження показало успіх із використанням 400-градусної 55-другої теплової гармати для ущільнення чутливих до вакууму поверхонь, підвищуючи мінімальний досягнутий тиск вакууму.
△ Кінцевий тиск, досягнутий до і після нагрівання, і 95-відсотковий довірчий інтервал для кожного відсотка перекриття заповнення
Чи впливає термічна обробка на стабільність розмірів 3D-друкованих компонентів?
Дослідники опублікували дослідження в Composites Part A, в якому досліджували вплив термічної обробки на стабільність і властивості розтягування надрукованих на 3D-принтері композитів, армованих суцільним вуглецевим волокном (CCF). Для оцінки стабільності розмірів зразків використовували морфологічні зміни та дисперсію друкованих шарів. Технологія 3D-друку базується на методі виготовлення плавленої нитки (FFF), відомому як безперервне виготовлення нитки (CFF).
C-CCFRC і S-CCFRC — це назви, що використовуються для зразків, покращених концентрованим і розділеним шарами CCF відповідно. Після термічної обробки при 100 градусах і 150 градусах CCFRC демонстрували відмінні властивості на розтяг, хоча стабільність розмірів була кращою при 100 градусах, особливо для S-CCFRC. Кристалічність матриці зросла з 17,42 відсотка в необробленому зразку до 22,76 відсотка в термообробленому зразку при 100°C, збільшення на 30,65 відсотка. Дослідження також показало, що термічна обробка при 100 градусах і 200 градусах знижує проникність зразків. Тенденція до нижчої проникності матриці після термічної обробки співрозмірна зі зміною її розміру. Тому термообробка до 100 градусів значно покращує стабільність розмірів зразків.
△ Діаграми термічної деформації CCFRC з різними розподілами кількості шарів: (a) C-CCFRC та (b) S-CCFRC до термообробки; (c) C-CCFRC і (d) S-CCFRC після термообробки при 200 градусах протягом 4 годин.
Вплив термообробки на деталі PLA?
Моделювання плавленого осадження (FDM) є популярною технікою адитивного виробництва, серед яких PLA є найпоширенішим матеріалом. У своєму останньому дослідженні, опублікованому в журналі Polymers, дослідники оцінювали продуктивність деталей PLA за допомогою 3-тестів на точковий згин після термообробки та змінюючи орієнтацію конструкції, товщину шару та швидкість.
Дослідники використовували нитки PLA діаметром 1,75 мм. Конфігурація виготовлення xz, температура сопла 190 градусів для запобігання розриву зразка, оптимальні параметри друку — швидкість 90 мм/с і товщина шару 0,3 мм. Термічна додаткова обробка 75 градусів на зразках, виготовлених із застосуванням цих налаштувань, показала збільшення напруги на вигин. Нарешті, результати показують, що пружна деформація та відновлення під час термообробки істотно не обмежують максимальну силу. Дослідження показують, що ортези можна надрукувати на 3D-принтері плоскими, а потім скрутити, щоб відповідати бажаній частині людського тіла.
Загалом термічна обробка допомагає покращити механічні властивості, стабільність розмірів і оптичні властивості деталей, надрукованих на 3D.