Müssen alle 3D-gedruckten Metallteile einer Wärmebehandlung unterzogen werden?

1. Die Hauptaufgabe der Wärmebehandlung besteht darin, Fehler zu beseitigen und die Funktionsfähigkeit zu verbessern.
Heiz-, Isolier- und Kühlprozesse können die Mikrostruktur von 3D-gedruckten Metallteilen durch Wärmebehandlung erheblich verbessern. Dadurch funktionieren die Teile insgesamt besser.
Restspannungen beseitigen: Ungleichmäßiges Abkühlen und Erstarren während des Druckens kann leicht zu Restspannungen im Inneren der Teile führen, die dazu führen können, dass sie sich verbiegen oder zerbrechen. Langsames Abkühlen während des Glühvorgangs kann zum Stressabbau beitragen. Nach dem Glühen kann die Spannungsreduzierungsrate von Strukturteilen in der Luft- und Raumfahrt beispielsweise mehr als 80 % betragen.
Verbesserung der mechanischen Eigenschaften: Durch gemeinsames Abschrecken und Anlassen können Dinge viel härter und fester gemacht werden. Beispielsweise ist Edelstahl 316L nach dem Abschrecken 30 % härter und verschleißfester, wodurch er sich gut für mechanische Teile eignet, die viel Gewicht tragen müssen.
Kornverfeinerung: Der gerichtete Rekristallisationsprozess verwaltet den thermischen Gradienten, um winzige Körner zu säulenförmigen Kristallen zu verschmelzen. Dadurch ist das Material besser gegen Kriechen bei hohen Temperaturen beständig. Untersuchungen des MIT zeigen, dass nach einer gerichteten Rekristallisationsbehandlung die Korngröße von Nickel-basierten Hochtemperaturlegierungen um mehrere Größenordnungen zunimmt und die Kriechlebensdauer viel länger anhält.
Behandlung zur Verdichtung: Heißisostatisches Pressen (HIP) beseitigt innere Poren durch Anwendung hoher Temperatur und hohem Druck. Dadurch beträgt die Materialdichte nahezu 100 %. Beispielsweise hat die HIP-Behandlung die Ermüdungslebensdauer von Turbinenscheiben in Flugzeugtriebwerken bei niedrigen Lastwechselzyklen von 5.000 Zyklen auf 20.000 Zyklen erhöht.
2. Situationen ohne Wärmebehandlung: Verbesserung der Materialeigenschaften und Prozesse
Obwohl die Wärmebehandlung viele Vorteile mit sich bringt, können Bauteile in den folgenden Situationen sofort und ohne zusätzlichen Aufwand verwendet werden:
Teile, die nicht viel Spannung benötigen: Wenn die Struktur des Teils einfach ist, die Größe bescheiden ist und die Restspannung keine Rolle spielt, ist kein Glühen erforderlich. Beispielsweise ist es unwahrscheinlich, dass sich kleinere dekorative oder nicht -tragende-tragende Strukturteile verziehen und eine Wärmebehandlung nicht lohnenswert ist.
Verschiedene Kombinationen von Materialien und Verfahren: Einige Materialien haben beim Drucken perfekte Mikrostrukturen erzeugt. Beispielsweise kühlt die Technik des elektronenstrahlselektiven Schmelzens (EBSM) langsamer ab, was bedeutet, dass gedruckte Teile aus Titanlegierungen (Ti6Al4V) nicht so grob werden, was für medizinische Implantate von Vorteil ist, da sie biokompatibel sein müssen.
Szenario zur Berücksichtigung der Oberflächenqualität: Wenn das Teil sehr glatt sein muss, kann die Wärmebehandlung dazu führen, dass es oxidiert oder seine Form verändert. An diesem Punkt kann die Wärmebehandlung durch Oberflächenbehandlungsmethoden wie chemisches Polieren und Laserpolieren ersetzt werden. Nach dem elektrochemischen Polieren sinkt die Oberflächenrauheit poröser Titanlegierungsimplantate von 6–12 μm auf 0,2–1 μm, ohne dass eine weitere Wärmebehandlung erforderlich ist.
Überprüfung des Rapid Prototyping: Eine Wärmebehandlung kann den Entwicklungszyklus in der Produktdesignphase verlängern. Für das integrierte flexible Scharnier im Bereich der Unterhaltungselektronik müssen beispielsweise die Prototypenteile schnell hergestellt werden, und die direkte Verwendung gedruckter Teile kann den Verifizierungsprozess beschleunigen.
3. Ein Rahmen für die Entscheidungsfindung: Das richtige Gleichgewicht zwischen Leistung, Kosten und Effizienz finden
Um zu entscheiden, ob eine Wärmebehandlung durchgeführt werden soll oder nicht, ist eine gründliche Betrachtung der folgenden Variablen erforderlich:
Funktionale Anforderungen: Teile in der Luft- und Raumfahrt müssen enormen Temperaturen und Belastungen standhalten, weshalb eine Wärmebehandlung wichtig ist.
Medizinische Implantate müssen stark und sicher für den Körper sein, und eine Aushärtung oder HIP-Behandlung kann dazu beitragen, dass sie besser funktionieren.
Wenn es nur darauf ankommt, wie die Kunstskulpturen oder Ausstellungsstücke aussehen, kann auf die Wärmebehandlung verzichtet werden, um Geld zu sparen.
Nickel-basierte Hochtemperaturlegierungen neigen zur Rissbildung und benötigen daher eine Mischkristalllösung und eine Alterungsbehandlung, um sie zäher zu machen.
Teile aus einer Aluminiumlegierung (z. B. AlSi10Mg) enthalten mikroskopisch kleine Körner, was sie sofort leicht macht.
Art des Prozesses: Der Pulverbettschmelzprozess (PBF) muss getempert werden, da er schnell abkühlt und viel Spannung hinterlässt.
Aufgrund des hohen Wärmeeintrags und des geringen Spannungsniveaus reduziert die Directed Energy Deposition (DED)-Technik den Bedarf an Wärmebehandlung.
Kostengrenzen: HIP-Geräte sind teuer in der Anschaffung und im Betrieb, was es für kleine und mittlere Unternehmen schwierig macht, sie sich zu leisten. Sie müssen einen Kompromiss zwischen Leistung und Kosten finden.
Die Wärmebehandlung komplizierter Strukturbauteile kann dazu führen, dass diese ihre Form verändern. Um dies zu vermeiden, sollte die Simulationsoptimierung zur Designunterstützung und Erhöhung der Forschungs- und Entwicklungsaufwendungen eingesetzt werden.