3D打印中的熱處理：助力成形零部件性能后續(xù)提升的“制勝法寶”

在3D打印的后處理階段中會(huì)使用到了許多不同的方法，這些方法根據(jù)所使用的技術(shù)而有所不同，例如除粉、支撐去除和著色等。此外，增材制造領(lǐng)域還有另一種不可忽視的后處理方法——3D 打印零件的熱處理。

熱處理可以采取多種形式，具體取決于所需的結(jié)果、使用的材料和首選技術(shù)，主要包括燒結(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)所選擇技術(shù)的不同會(huì)獲得不同的結(jié)果，但最終目的是減少打印過(guò)程中可能出現(xiàn)的殘余應(yīng)力。

△一系列設(shè)備可用于增材制造中的熱處理（照片來(lái)源：Markforged）

在增材制造中，所生產(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，這取決于所選擇的打印工藝。這些階段會(huì)直接影響零件，導(dǎo)致零件積累殘余應(yīng)力。因此，打印后的熱處理至關(guān)重要，不僅可以消除這些殘余應(yīng)力，還可以影響零件的機(jī)械特性，如抗彎強(qiáng)度、延展性和最終硬度。我們著眼于不同的熱處理方法以及它們的作用。

燒結(jié)，金屬和陶瓷的關(guān)鍵后處理步驟

燒結(jié)是一種可以用于增材制造的熱處理方法之一。請(qǐng)注意，燒結(jié)更多地是制造過(guò)程中的一步，而不是獨(dú)立的后處理方法。事實(shí)上，在使用粘結(jié)劑噴射或間接三維打印時(shí)，燒結(jié)是強(qiáng)制性的。后者指的是使用包含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，可以去除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。它主要用于金屬或陶瓷粉末。

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%。

聚合物 3D 打印零件的固化、熱處理

下面要討論的是聚合物的增材制造，聚合物零件需要使用到一種特殊的熱處理技術(shù)，以提高其最終性能。這就是固化，主要用于樹脂3D打印。

樹脂由幾種在液態(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)。這有可能是固化階段最有趣的地方，因?yàn)樗�有可能產(chǎn)生各類交聯(lián)模式。

△固化是樹脂 3D 打印零件的常見熱處理方法（照片來(lái)源：Formlabs）

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脂和打印支撐物。然后可以將零件放置在合適的機(jī)器中。通常，3D 樹脂打印機(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)。固化還可以固定樹脂的顏色，使其處理起來(lái)更安全。

固化的結(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。

3D 打印熱處理方法——退火

基于退火的熱處理方法涉及將 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)于其他熱塑性塑料，例如ABS，退火是不合適的，因?yàn)闊崃繒?huì)導(dǎo)致翹曲。

△一些熱塑性塑料與退火兼容，使其能夠用作熱處理方法（照片來(lái)源：UltiMaker）。

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)需要考慮的重要一點(diǎn)。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。

金屬熱處理方法

接下來(lái)將介紹一些專門用于金屬的熱處理方法。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，當(dāng)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)也可與陶瓷材料兼容。

△HIP 槽安裝在 3D 打印部件的頂部（照片來(lái)源：Bodycote）。

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�，F(xiàn)在還有許多其他熱處理方法與增材制造兼容，但此處列舉的并不詳盡。但您現(xiàn)在對(duì)可用技術(shù)及其重要性有了一個(gè)很好的概述！還有一點(diǎn)，就是不要忘記從設(shè)計(jì)階段就考慮某些參數(shù)，例如零件收縮率。