Additive Manufacturing (AM), allgemein als 3D-Druck bezeichnet, gewinnt als praktikable Prototyping-Technik und hochgradig kundenspezifische Komponenten komplexer Strukturen an Popularität.
Auswirkungen der Wärmebehandlung von 3D-Metallteilen
3D-gedruckte Metallteile erfordern nach der Fertigung häufig einen Wärmebehandlungsschritt. Es reduziert die während der Herstellung gebildeten Eigenspannungen und kann die Mikrostruktur des Teils verändern. Diese mikrostrukturelle Veränderung verändert bestimmte Eigenschaften wie Zähigkeit, Härte usw. Eine Methode zur gründlichen Verdichtung von 3D-gedruckten Metallteilen zur Verringerung der Porosität ist das heißisostatische Pressen (HIP).
Beim HIP-Prozess wird das fertige 3D-Produkt in einen Druckbehälter gegeben und dann mit einem Inertgas, normalerweise Argon, gefüllt. Der Druck wird kontinuierlich erhöht und kann bei hohen Temperaturen die Streckgrenze des Bauteils überschreiten. Beim schnellen Abschrecken verwendet der komplexere HIP-Prozess einstellbare Kühl- und Heizraten und Druckniveaus, um die Qualität und die Zugeigenschaften der bearbeiteten Teile genau abzustimmen.
Was bewirkt die Wärmebehandlung bei 3D-gedruckten Polymerteilen?
Durch den 3D-Druck lassen sich eine Vielzahl komplexer Geometrien präzise herstellen, er hat jedoch einen großen Nachteil, nämlich die Notwendigkeit einer thermischen Nachbearbeitung. Diese 3D-gedruckten Teile haben im Vergleich zu durch Spritzguss hergestellten Teilen schlechte mechanische Eigenschaften. Eine unzureichende Haftung zwischen beschichteten Filamenten und gestapelten Schichten kann zu schlechten mechanischen Eigenschaften von 3D-gedruckten Komponenten führen.
Die neueste Forschung, die in der Zeitschrift Polymers veröffentlicht wurde, konzentriert sich auf die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, insbesondere der Zug- und Druckfestigkeit. Für die Studie verwendeten die Forscher PETG-Filamente mit einem Durchmesser von 1,75 mm. Die Ergebnisse zeigten, dass die Zugfestigkeit der Polymer-3D-gedruckten Komponenten nach der Wärmebehandlung signifikant zunahm. Als Ergebnis hatten die wärmebehandelten Teile eine recht gute Zugfestigkeit, wobei die vollständig behandelten Teile eine um 41,1 Prozent höhere Festigkeit in horizontaler Richtung als die unbehandelte Probe und eine um 143,9 Prozent höhere Festigkeit in vertikaler Richtung als die Kontrolle zeigten. Zerstörende Druckprüfungen zeigten einen signifikanten Anstieg der Druckfestigkeitswerte für die wärmebehandelten Proben mit einer Druckspannung von bis zu 118 MPa. Diese Studie zeigte erfolgreich die positive Wirkung der Wärmebehandlung von Polymermaterialien nach der Fertigung.
△ Probenmittel der Druckfestigkeit
Wärmebehandlung von 3D-gedruckten Polypropylenteilen für Vakuumsysteme
Die neueste Forschung im Journal of Manufacturing and Materials Processing untersucht die Machbarkeit der Anwendung eines Wärmebehandlungsprozesses zur Verkapselung von 3D-gedrucktem Polypropylen unter Vakuumbedingungen. Studien haben ergeben, dass die Wärmebehandlung für den Verpackungsprozess sehr effektiv ist.
Die Forscher überlagerten das mit 98 Prozent Füllung gedruckte und nach der Wärmebehandlung versiegelte Teil für 15 Iterationen mit einem Durchschnitt von 0,4 m Torr und einem 95-prozentigen Konfidenzintervall von 0,2 m Torr. Die Studie war mit einer 55-zweiten Heißluftpistole von 400 Grad erfolgreich, um vakuumempfindliche Oberflächen abzudichten und den minimal erreichten Vakuumdruck zu erhöhen.
△ Der vor und nach dem Erhitzen erreichte Enddruck und das 95-Prozent-Konfidenzintervall für jeden Füllüberlappungsprozentsatz
Beeinflusst die Wärmebehandlung die Dimensionsstabilität von 3D-gedruckten Bauteilen?
Die Forscher veröffentlichten eine Studie in Composites Part A, in der sie die Auswirkung der Wärmebehandlung auf die Stabilität und Zugeigenschaften von 3D-gedruckten, mit kontinuierlichen Kohlenstofffasern (CCF) verstärkten Verbundwerkstoffen untersuchten. Morphologische Veränderungen und Dispersion der gedruckten Schichten wurden verwendet, um die Dimensionsstabilität der Proben zu bewerten. Die 3D-Drucktechnologie basiert auf einem Fused Filament Fabrication (FFF)-Verfahren, das als Continuous Filament Fabrication (CFF) bekannt ist.
C-CCFRC und S-CCFRC sind die Namen, die für Proben verwendet werden, die mit konzentrierten bzw. getrennten CCF-Schichten angereichert sind. Nach Wärmebehandlung bei 100 Grad und 150 Grad zeigten CCFRCs ausgezeichnete Zugeigenschaften, obwohl die Dimensionsstabilität bei 100 Grad besser war, insbesondere für S-CCFRC. Die Matrixkristallinität stieg von 17,42 Prozent in der unbehandelten Probe auf 22,76 Prozent in der bei 100 °C wärmebehandelten Probe, eine Steigerung von 30,65 Prozent. Die Studie ergab auch, dass Wärmebehandlungen bei 100 Grad und 200 Grad die Durchlässigkeit der Proben verringerten. Der Trend zur geringeren Permeabilität der Matrix nach der Wärmebehandlung entspricht ihrer Größenverschiebung. Daher verbessert eine Wärmebehandlung bis zu 100 Grad die Dimensionsstabilität der Proben erheblich.
△ Thermische Verformungsdiagramme von CCFRC mit unterschiedlichen Schichtanzahlverteilungen: (a) C-CCFRC und (b) S-CCFRC vor der Wärmebehandlung; (c) C-CCFRC und (d) S-CCFRC nach Wärmebehandlung bei 200 Grad für 4 Stunden.
Die Auswirkung der Wärmebehandlung auf PLA-Teile?
Fused Deposition Modeling (FDM) ist eine beliebte additive Fertigungstechnik, von der PLA das am weitesten verbreitete Material ist. In ihrer neuesten Studie, die in Polymers veröffentlicht wurde, bewerteten die Forscher die Leistung von PLA-Teilen durch 3-Punktbiegetests nach der Wärmebehandlung und durch Variation der Aufbauorientierung, Schichtdicke und Geschwindigkeit.
Die Forscher verwendeten PLA-Filamente mit einem Durchmesser von 1,75 mm. Die xz-Fertigungskonfiguration, Düsentemperatur von 19 0 Grad, um Probenbruch zu verhindern, und optimale Druckparameter sind eine Geschwindigkeit von 90 mm/s und eine Schichtdicke von 0,3 mm. Eine thermische Nachbehandlung von 75 Grad an Proben, die mit diesen Einstellungen hergestellt wurden, zeigte eine Zunahme der Biegespannung. Schließlich zeigen die Ergebnisse, dass elastische Verformung und Erholung während der Wärmebehandlung die maximale Kraft nicht signifikant begrenzen. Die Forschung zeigt, dass Orthesen flach 3D-gedruckt und dann verdreht werden können, um sie an den gewünschten Bereich des menschlichen Körpers anzupassen.
Alles in allem trägt die Wärmebehandlung dazu bei, die mechanischen Eigenschaften, die Dimensionsstabilität und die optischen Eigenschaften von 3D-gedruckten Teilen zu verbessern.