3D打印中的熱處理

魔猴君  知識堂   131天前

后處理是增材制造的關鍵步驟，到目前為止，無論使用哪種3D打印工藝，我們都已經看到了行業中使用的幾種方法：除粉、去除支撐、著色等。現在是時候解決另一點了：3D打印零件的熱處理。根據預期結果、使用的材料和首選技術，這可以采取多種形式。然后我們將討論燒結、金屬退火、硬化（固化）甚至熱等靜壓。此后處理步驟有一個特定目標：減少3D打印零件的內應力并提高其機械性能。根據所選擇的技術，我們顯然會得到不同的結果，但目標是影響打印過程中可能出現的殘余應力。我們邀請您回顧增材制造中存在的熱處理方法并了解它們各自的挑戰。

在增材制造中，生產的零件會受到不同的溫度影響，并根據所選的打印工藝經歷或多或少重要的加熱和冷卻階段。這些階段對積累殘余應力的零件有直接影響。打印后進行熱處理至關重要，因為它不僅涉及消除這些缺陷，而且還影響零件的機械特性，例如抗彎曲性、延展性甚至最終硬度。

不同的設備允許在增材制造中進行熱處理（照片來源：Markforged）

燒結

燒結或燒結是可用于增材制造的熱處理之一。我們提請您注意，嚴格來說，這更多的是制造過程中的一個步驟，而不是后處理方法。事實上，在使用粉末粘合甚至間接3D打印時，這是強制性的。我們指的是使用摻有金屬顆粒的塑料絲的方法。通過燒結打印后獲得的生坯，我們去除了粘合劑并將金屬顆粒固化在一起。為此，需要一個燒結爐：溫度升高，略低于所用材料的熔化溫度。該技術可以去除原始粉末顆粒，減少零件的孔隙率并增加其硬度。它將主要與金屬粉末或陶瓷一起使用。

考慮到最終件的回縮現象。事實上，在燒結過程中，材料顆粒會粘合在一起并取代粘合劑，這將減小原始零件的尺寸。這一減少幅度約為15%至20%。

聚合物固化

如果我們現在看看增材制造中的聚合物，就會發現有一種處理零件并改善其最終性能的技術。這是一個硬化或固化階段。這主要用于樹脂3D打印。您應該知道，樹脂是由幾種在液態下不連接在一起的單體組成的。當暴露于紫外線源時，這些相同的單體將結合在一起形成所需的部件。然而，打印后，某些區域不會實現最佳交聯，從而有損害打印組件整體電阻的風險。這就是硬化步驟有趣的地方，因為它將允許進行所有可能的交聯。

照片來源：Formlabs

零件創建完成后，將對其進行清潔，以去除多余的非光聚合樹脂并去除印刷支撐件。然后就可以將零件放入合適的機器中——通常，樹脂3D打印機制造商會提供固化站，例如Formlabs及其Form Cure解決方案。這是一個紫外線室，可硬化打印部件并賦予其最終特性。這降低了其脆弱性并降低了破損的風險。固化還可以固定樹脂的顏色，使其處理起來更安全。我們獲得的零件隨著時間的推移具有更強的抵抗力，這在許多領域都是一個至關重要的方面。

所使用的樹脂類型或零件尺寸等因素將直接影響該熱處理步驟。大多數情況下，零件越大，固化所需的時間就越長。這是您在制造過程中需要考慮的事情。

3D打印中的退火

顧名思義，這種熱處理方法涉及將3D打印部件暴露在一定溫度下，該溫度或多或少取決于所使用的材料。加熱后，逐漸冷卻以增加其強度。這是一種廣泛用于金屬和玻璃的技術。某些塑料也可以進行這種退火，例如PLA和PETG。對于其他熱塑性塑料，例如ABS，它并不適用，因為熱量往往會產生過多的翹曲或變形。

一些熱塑性塑料適合退火（照片來源：UltiMaker）

具體而言，退火包括將材料加熱到高于其結晶溫度但低于其熔點的溫度。對于聚合物，這將使分子能夠自我重組，從而提高最終部件的穩定性。對于金屬，退火將有可能由于其再結晶而增加晶粒尺寸。在這兩種情況下，退火的持續時間都會對最終零件的結構產生影響：暴露在熱量下的時間越長，其結構變化就越大。例如，在退火步驟后可以獲得更小的塑料部件，因為熱量加速了它們的收縮。設計房間時要考慮的重要一點。

請注意，金屬3D打印中的退火將提高所制造零件的延展性及其強度。這是一種特別適用于鋼材的技術。

金屬熱處理方法

我們將用一些專門用于金屬的附加熱處理方法來完成我們的指南。首先，我們可以引用熱等靜壓（HIP）。它結合了非常高的溫度和惰性氣體的等靜壓，同時施加，增加了零件的密度及其電阻。具體來說，我們將零件封裝在高壓密封容器中，該容器將暴露在這種熱/壓力組合下。這將消除所有內部空隙并消除殘余孔隙。請注意，該技術也適用于陶瓷。

HIP水箱安裝在3D打印部件的頂部（照片來源：Bodycote）

我們還可以使用回火強化3D打印金屬零件：這是一種將零件加熱到非常高的溫度并快速冷卻的操作。這將影響部件的微觀結構。淬火通常需要使用液體來冷卻零件。

編譯整理：3dnatives