O tratamento térmico de impressão 3D de metal causará deformação?

一, A Essência Técnica do Tratamento Térmico: Regulação Organizacional e Otimização de Desempenho
O aquecimento, isolamento e resfriamento de materiais metálicos durante o tratamento térmico modifica sua microestrutura, o que melhora suas características mecânicas. Na impressão 3D de metal, os principais objetivos do tratamento térmico são:
Livrar-se do estresse residual: Quando o material é impresso, ele passa por ciclos rápidos de aquecimento e resfriamento, o que faz com que a estrutura interna dobre e crie tensão residual. Para aliviar a tensão, a peça é aquecida abaixo da temperatura de recristalização do material (por exemplo, mantendo a liga de titânio a 800 graus durante 2 horas). Isto relaxa a estrutura e diminui o perigo de deformação durante o processamento ou uso posterior.
Melhorar a estrutura do grão: O tratamento com solução sólida (como a liga de alumínio 7075 a 470 graus) pode quebrar as fases de fortalecimento, enquanto o tratamento de envelhecimento (como 120 graus por 24 horas) pode causar a formação de fases de precipitação em nanoescala, resultando em um aumento combinado de resistência e tenacidade. Esse processo torna os grãos menores e menos propensos a alterar o volume quando a fase muda, o que diminui a propensão à deformação.
Correção de problemas internos: A tecnologia de prensagem isostática a quente (HIP) aumenta sinergicamente a densidade dos materiais para mais de 99,9% com a combinação de alta pressão de 100-150MPa e alta temperatura de 1000-1200 graus, fechando microfissuras e poros e eliminando a concentração de tensão local causada por encolhimento irregular.
2, O mecanismo de deformação causado pelo tratamento térmico são os efeitos combinados do estresse térmico e das mudanças na microestrutura.
O objetivo do tratamento térmico é eliminar o risco de deformação, porém se for feito de maneira errada, novas deformações ainda poderão ocorrer. As principais maneiras pelas quais isso acontece são:
Acúmulo de tensão térmica: Quando uma peça é aquecida e resfriada, a diferença de temperatura entre o exterior e o interior da peça faz com que ela se expanda e contraia de maneira diferente, o que cria tensão térmica. Por exemplo, quando peças-de paredes finas são resfriadas rapidamente, a parte externa encolhe mais rápido que a parte interna. Isso pode fazer com que o item fique distorcido ou torcido.
Mudança no volume da transformação organizacional: Mudanças na densidade do material durante o processo de transição de fase fazem com que o volume diminua ou aumente. Por exemplo, quando ocorre a transformação martensítica, o volume é maior, e se a liberação de tensões não for suave, poderá gerar trincas.
Como a estrutura de suporte afeta: A área onde o suporte de impressão e o substrato se unem provavelmente se tornará um ponto de concentração de tensão durante o tratamento térmico. Se o projeto do suporte não estiver correto, ele poderá entortar quando o suporte for retirado após o tratamento térmico devido à liberação de tensão em uma área.
3, Estratégia para controlar a deformação: Melhorando processos e criando novas tecnologias
Para equilibrar os efeitos do tratamento térmico e o risco de deformação, a indústria elaborou um plano de gestão sistemático que analisa três áreas: materiais, processos e equipamentos:
1. Escolhendo os materiais e preparando-os
Ligas à base de níquel-, como Inconel 718, têm um coeficiente de expansão térmica mais baixo (12,5 × 10 ⁻⁶/grau) do que ligas de titânio (8,6 × 10 ⁻⁶/grau). Isso significa que eles podem ajudar a prevenir o acúmulo de estresse térmico.
Projete antes da deformação: use software de simulação como VoxelDance Engineering para prever como o tratamento térmico mudaria a forma do material. Em seguida, use a pré-deformação reversa no modelo original para deixar o modelo compensado no tamanho certo após o tratamento térmico. Por exemplo, após o ajuste de pré-distorção, a precisão de impressão de uma peça-de parede fina com uma superfície curva específica melhorou em 66,2% e 98,6% da área de deformação significativa foi removida.
2. Melhorando os parâmetros do processo
Aquecimento e resfriamento em peças: Usando uma estratégia de aquecimento gradual (como manter a 50 graus por 30 minutos) e resfriamento retardado (como resfriamento do ar após o resfriamento do forno a 200 graus) para diminuir o estresse térmico produzido pelas mudanças de temperatura. Por exemplo, após o tratamento HIP, as pás das turbinas dos motores de aeronaves GE duram três vezes mais e não mudam de forma mais do que 0,05% do tempo.
Tecnologia para cristalização direcional: O processo de cristalização direcional do MIT ajusta a taxa de aquecimento (por exemplo, 2,5 cm/h) e a temperatura (1235 graus) para fazer crescer grãos em uma determinada direção em formações colunares. Isso torna o material mais resistente à fluência e menos propenso a distorcer em altas temperaturas.
3. Novas ferramentas e acessórios
Sistema de fixação adaptável: o laboratório Fraunhofer ILPT na Alemanha criou uma fixação flexível que usa molas a gás nitrogênio para fornecer força de fixação dinâmica, compensa diferenças na expansão térmica durante a impressão e evita que estruturas de paredes finas-de 3m × 2m se deformem em mais de ± 0,3 mm.
Tecnologia de tratamento térmico local: O aquecimento por indução ou tratamento térmico local a laser é usado em peças grandes para evitar que se deformem quando são totalmente aquecidas. Por exemplo, um determinado suporte de aviação atingiu uma resistência à tração de 520MPa e estabilidade dimensional superior a ± 0,1 mm graças ao tratamento com solução local.
4, Caso Frontier: Um Novo Uso para Deformação por Tratamento Térmico
A Boeing emprega uma solução sólida e uma técnica de tratamento de envelhecimento na indústria aeroespacial para tornar os suportes de aeronaves impressos em 3D mais fortes, com uma resistência à tração de 520MPa. Ao mesmo tempo, o projeto de pré-{3}}deformação mantém a deformação dentro de ± 0,05 mm para atender aos rígidos padrões aerodinâmicos.
Implantes médicos: Uma certa empresa criou uma nova maneira de fabricar copos acetabulares de liga de titânio, combinando “recozimento para alívio de tensão” com “gravura ácida”. Este processo remove o estresse interno por meio de recozimento e, em seguida, cria uma estrutura microporosa com tamanho de 5 a 10 μm por meio de ataque ácido. Isso ajuda as células ósseas a crescerem sem alterar o tamanho das xícaras.
Equipamentos de energia: A Siemens Energy fabrica pás de turbinas a gás usando tecnologia de cristalização direcional HIP+. Isso torna o material 99,95% denso e 40% mais resistente à fluência. Ele pode funcionar por 100.000 horas sem mudar de forma a uma temperatura de 1.200 graus.