3D打印中的熱處理工藝：技術(shù)原理與重要性解析

南極熊導(dǎo)讀：后處理是增材制造的關(guān)鍵階段。事實(shí)上，行業(yè)中使用了許多不同的方法，這些方法根據(jù)所使用的3D技術(shù)而有所不同：例如除粉、去除支撐和著色等。本文將詳細(xì)介紹增材制造中的另一種方法：熱處理工藝。

后處理對(duì)于3D打印的重要性

后處理工藝可以采用多種形式，具體選擇取決于所需的結(jié)果、使用的材料以及首選的制造技術(shù)。這些包括燒結(jié)、金屬退火、固化和熱等靜壓。這種類型的后處理有一個(gè)明確的目標(biāo)：減少3D打印零件的內(nèi)應(yīng)力并提高其機(jī)械性能。根據(jù)所選擇的技術(shù)，當(dāng)然會(huì)獲得不同的結(jié)果，但目的是影響打印過(guò)程中可能出現(xiàn)的殘余應(yīng)力。

在增材制造中，根據(jù)所選的打印工藝，生產(chǎn)的零件會(huì)受到不同溫度的影響，并經(jīng)歷不同程度的加熱和冷卻階段。這些階段對(duì)積累殘余應(yīng)力的零件有直接影響。因此，打印后的熱處理至關(guān)重要，不僅要消除這些殘余應(yīng)力，還要影響零件的機(jī)械特性，例如彎曲強(qiáng)度、延展性和最終硬度。南極熊將向大家介紹幾種基礎(chǔ)的處理方法及其作用。

△一系列設(shè)備可用于增材制造中的熱處理

燒結(jié)，金屬和陶瓷的關(guān)鍵后處理步驟

燒結(jié)是可用于增材制造的熱處理方法之一。請(qǐng)注意，燒結(jié)更多的是制造過(guò)程中的一個(gè)步驟，而不是其本身的后處理方法。事實(shí)上，在使用粘合劑噴射或間接3D打印時(shí)，這是強(qiáng)制性的。后者是指使用含有金屬顆粒的塑料絲的方法。

通過(guò)燒結(jié)打印后獲得的生坯，我們除去了粘合劑并將金屬顆粒固化在一起。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，需要一個(gè)燒結(jié)爐：將溫度升至略低于所用材料的熔點(diǎn)。該技術(shù)去除了原始粉末顆粒，減少了零件的孔隙率并增加了其硬度。它主要與金屬或陶瓷粉末一起使用。

考慮到最終零件的收縮現(xiàn)象。在燒結(jié)過(guò)程中，材料顆粒結(jié)合在一起并取代粘合劑，從而減小了原始零件的尺寸。這一減少幅度約為15%至20%。

△固化是樹(shù)脂3D打印零件的常見(jiàn)熱處理方法

聚合物3D打印零件的固化、熱處理

如果我們現(xiàn)在將注意力轉(zhuǎn)向增材制造中的聚合物，就會(huì)發(fā)現(xiàn)零件使用了一種特殊的熱處理技術(shù)，以提高其最終性能。這當(dāng)然是固化，主要用于樹(shù)脂3D打印。

樹(shù)脂由幾種在液態(tài)時(shí)不結(jié)合在一起的單體組成。當(dāng)暴露于紫外線源時(shí)，這些相同的單體結(jié)合在一起形成所需的部分。然而，打印后，某些區(qū)域不會(huì)實(shí)現(xiàn)最佳交聯(lián)，從而有損害打印組件整體強(qiáng)度的風(fēng)險(xiǎn)。這是固化階段可能令人感興趣的地方，因?yàn)樗鼘⑹顾�有可能的交�?lián)發(fā)生。

零件制作完成后，將對(duì)其進(jìn)行清潔，以去除多余的非光聚合樹(shù)脂和印刷支撐物，然后可以將零件放置在合適的機(jī)器中。通常，樹(shù)脂3D打印機(jī)制造商會(huì)提供自己的固化站，例如Formlabs及其Form Cure解決方案。這是一個(gè)紫外線室，可硬化打印部件并賦予其最終特性。這降低了脆弱性和破損風(fēng)險(xiǎn)。固化還可以固定樹(shù)脂的顏色，使其處理起來(lái)更安全。

其結(jié)果是零件更加耐用，這在許多領(lǐng)域都至關(guān)重要。所使用的樹(shù)脂類型和零件尺寸等因素將直接影響該熱處理階段。通常情況下，零件越大，硬化所需的時(shí)間就越長(zhǎng)。這是您的制造過(guò)程中需要考慮的一個(gè)因素。

△一些熱塑性塑料與退火兼容，使其能夠用作熱處理方法

退火作為3D打印熱處理方法

這種熱處理方法涉及將3D打印部件暴露在一定溫度下。根據(jù)所使用的材料，熱量可以更高或更低。加熱后，逐漸冷卻以增加其強(qiáng)度。該技術(shù)廣泛用于金屬，也用于玻璃。有些塑料也可以退火，例如PLA和PETG。對(duì)于其它熱塑性塑料，例如ABS，退火是不合適的，因?yàn)闊崃繒?huì)導(dǎo)致翹曲。

但它究竟是如何運(yùn)作的呢？具體而言，退火是將材料加熱到高于其結(jié)晶溫度但低于其熔點(diǎn)的溫度。對(duì)于聚合物，這將使分子重組，從而提高最終部件的穩(wěn)定性。對(duì)于金屬，退火允許晶粒通過(guò)再結(jié)晶而尺寸增大。

在這兩種情況下，退火的持續(xù)時(shí)間都會(huì)影響最終零件的結(jié)構(gòu)。暴露在熱量下的時(shí)間越長(zhǎng)，其結(jié)構(gòu)變化就越大。例如，塑料部件在退火后會(huì)變得更小，因?yàn)闊崃繒?huì)加速其收縮。這是設(shè)計(jì)零件時(shí)需要考慮的重要一。

△熱等靜壓水箱安裝在3D打印部件的頂部

金屬熱處理方法

請(qǐng)注意，3D金屬打印中的退火可提高所創(chuàng)建零件的延展性和強(qiáng)度。該技術(shù)特別適用于鋼材。我們將用一些專門(mén)用于金屬的熱處理方法來(lái)結(jié)束我們的工藝解析。第一種是熱等靜壓（HIP）。它結(jié)合了非常高的溫度和等靜壓惰性氣體壓力，同時(shí)應(yīng)用時(shí)，可以增加零件的密度和強(qiáng)度。具體來(lái)說(shuō)，該部件被封閉在高壓安全殼中并暴露在這種熱/壓力組合下。這消除了所有內(nèi)部空隙和殘余孔隙。該技術(shù)也與陶瓷兼容。

3D打印的金屬部件也可以通過(guò)淬火來(lái)強(qiáng)化：這需要將部件加熱到非常高的溫度，然后快速冷卻。這將對(duì)部件的微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。淬火通常需要使用液體來(lái)冷卻零件。目前還存在許多其他與增材制造兼容的熱處理方法，這里不再詳細(xì)舉例。此外，南極熊最后提醒大家在設(shè)計(jì)階段因考慮一些重要參數(shù)，例如零件的收縮率等。