Additive Manufacturing (AM), gewoonlijk 3D-printen genoemd, wint aan populariteit als een levensvatbare prototyping-techniek en sterk op maat gemaakte componenten van complexe structuren.
Effecten van warmtebehandeling van 3D metalen onderdelen
Metalen 3D-geprinte onderdelen vereisen vaak een warmtebehandelingsstap na fabricage. Het vermindert de interne spanningen die tijdens de productie worden gevormd en kan de microstructuur van het onderdeel veranderen. Deze microstructurele verandering verandert bepaalde eigenschappen, zoals taaiheid, hardheid, enz. Een methode om 3D-geprinte metalen onderdelen grondig te verdichten om de porositeit te verminderen, is heet isostatisch persen (HIP).
Het HIP-proces vereist dat het 3D-afgewerkte product in een drukvat wordt geplaatst en vervolgens wordt gevuld met een inert gas, meestal argon. De druk wordt continu verhoogd en kan de vloeigrens van de component overschrijden terwijl hoge temperaturen worden gehandhaafd. Met snel afschrikken maakt het complexere HIP-proces gebruik van instelbare koel- en verwarmingssnelheden en drukniveaus om de kwaliteit en trekeigenschappen van bewerkte onderdelen nauwkeurig af te stemmen.
Wat doet warmtebehandeling voor polymeer 3D-geprinte onderdelen?
Een grote verscheidenheid aan complexe geometrieën kan nauwkeurig worden gefabriceerd door middel van 3D-printen, maar het heeft één groot nadeel, namelijk de noodzaak van thermische nabewerking. Deze 3D-geprinte onderdelen hebben slechte mechanische eigenschappen in vergelijking met onderdelen die door spuitgieten zijn geproduceerd. Onvoldoende hechting tussen gecoate filamenten en gestapelde lagen kan leiden tot slechte mechanische eigenschappen van 3D-geprinte componenten.
Het laatste onderzoek, gepubliceerd in het tijdschrift Polymers, richt zich op het verbeteren van mechanische eigenschappen, met name trek- en druksterkte. De onderzoekers gebruikten voor het onderzoek PETG-filamenten met een diameter van 1,75 mm. De resultaten toonden aan dat de treksterkte van de polymeer 3D-geprinte componenten aanzienlijk toenam na warmtebehandeling. Als resultaat hadden de met warmte behandelde onderdelen een redelijk goede treksterkte, waarbij de volledig behandelde onderdelen 41,1 procent hogere sterkte vertoonden in de horizontale richting dan het onbehandelde monster en 143,9 procent hoger in de verticale richting dan de controle. Destructieve compressietesten toonden een significante toename van de compressiesterktewaarden voor de warmtebehandelde monsters, met een compressiespanning tot wel 118 MPa. Deze studie bracht met succes het positieve effect aan het licht van de warmtebehandeling na de fabricage van polymeermaterialen.
△ Voorbeeld van druksterkte
Warmtebehandeling van 3D-geprinte polypropyleenonderdelen voor vacuümsystemen
Het laatste onderzoek in het Journal of Manufacturing and Materials Processing onderzoekt de haalbaarheid van het toepassen van een warmtebehandelingsproces om 3D-geprint polypropyleen onder vacuümomstandigheden in te kapselen. Studies hebben aangetoond dat warmtebehandeling zeer effectief is voor het verpakkingsproces.
De onderzoekers bedekten het deel dat met 98 procent vulling was afgedrukt en verzegeld na warmtebehandeling gedurende 15 iteraties, met een gemiddelde van 0,4 m Torr en een betrouwbaarheidsinterval van 95 procent van 0,2 m Torr. De studie vond succes met het gebruik van een 400 graden 55-seconde heteluchtpistool om vacuümgevoelige oppervlakken af te dichten, waardoor de minimale vacuümdruk werd verhoogd.
△De uiteindelijke druk bereikt voor en na verwarming en het 95 procent betrouwbaarheidsinterval voor elk vullingsoverlappercentage
Heeft warmtebehandeling invloed op de maatvastheid van 3D-geprinte componenten?
De onderzoekers publiceerden een studie in Composites Part A waarin het effect van warmtebehandeling op de stabiliteit en trekeigenschappen van 3D-geprinte continu koolstofvezel (CCF) versterkte composieten werd onderzocht. Morfologische veranderingen en dispersie van de gedrukte lagen werden gebruikt om de dimensionele stabiliteit van de monsters te evalueren. 3D-printtechnologie is gebaseerd op een fused filament fabricage (FFF) methode die bekend staat als continuous filament fabricage (CFF).
C-CCFRC en S-CCFRC zijn de namen die worden gebruikt voor monsters die zijn verbeterd met respectievelijk geconcentreerde en gescheiden CCF-lagen. Na warmtebehandeling bij 100 graden en 150 graden vertoonden CCFRC's uitstekende trekeigenschappen, hoewel de dimensionale stabiliteit beter was bij 100 graden, vooral voor S-CCFRC. De matrixkristalliniteit nam toe van 17,42 procent in het onbehandelde monster tot 22,76 procent in het 100 ° C warmtebehandelde monster, een toename van 30,65 procent. Uit de studie bleek ook dat warmtebehandelingen bij 100 graden en 200 graden de doorlaatbaarheid van de monsters verminderden. De lagere permeabiliteitstrend van de matrix na warmtebehandeling is evenredig met zijn grootteverschuiving. Daarom verbetert warmtebehandeling tot 100 graden de dimensionale stabiliteit van de monsters aanzienlijk.
△ Thermische vervormingsdiagrammen van CCFRC met verschillende laagnummerverdelingen: (a) C-CCFRC en (b) S-CCFRC vóór warmtebehandeling; (c) C-CCFRC en (d) S-CCFRC na warmtebehandeling bij 200 graden gedurende 4 uur.
Het effect van warmtebehandeling op PLA-onderdelen?
Fused Deposition Modeling (FDM) is een populaire additieve fabricagetechniek, waarvan PLA het meest gebruikte materiaal is. In hun laatste studie, gepubliceerd in Polymers, evalueerden de onderzoekers de prestaties van PLA-onderdelen door 3-puntbuigingstesten na warmtebehandeling en door de bouworiëntatie, laagdikte en snelheid te variëren.
De onderzoekers gebruikten PLA-filamenten met een diameter van 1,75 mm. De xz fabricageconfiguratie, mondstuktemperatuur van 190 graden om breuk van het monster te voorkomen, en optimale printparameters zijn een snelheid van 90 mm/s en een laagdikte van 0,3 mm. Een thermische nabehandeling van 75 graden op monsters die met deze instellingen waren vervaardigd, vertoonde een toename van de buigspanning. Ten slotte laten de resultaten zien dat elastische vervorming en herstel tijdens warmtebehandeling de maximale kracht niet significant beperken. Het onderzoek toont aan dat orthesen plat kunnen worden 3D-geprint en vervolgens gedraaid om te passen bij het gewenste gebied van het menselijk lichaam.
Al met al helpt warmtebehandeling om de mechanische eigenschappen, dimensionale stabiliteit en optische eigenschappen van 3D-geprinte onderdelen te verbeteren.