3D打印中的热处理：助力成形零部件性能后续提升的“制胜法宝”
时间:2023-12-28 09:26 来源:南极熊 作者:admin 点击:次
在3D打印的后处理阶段中会使用到了许多不同的方法，这些方法根据所使用的技术而有所不同，例如除粉、支撑去除和着色等。此外，增材制造领域还有另一种不可忽视的后处理方法——3D 打印零件的热处理。
热处理可以采取多种形式，具体取决于所需的结果、使用的材料和首选技术，主要包括烧结、金属退火、固化和热等静压。这种类型的后处理有一个明确的目标：减少
3D 打印零件的内应力并提高其机械性能。根据所选择技术的不同会获得不同的结果，但最终目的是减少打印过程中可能出现的残余应力。
△一系列设备可用于增材制造中的热处理（照片来源：Markforged）
在增材制造中，所生产的零件会受到不同温度的影响，并经历不同程度的加热和冷却阶段，这取决于所选择的打印工艺。这些阶段会直接影响零件，导致零件积累残余应力。因此，打印后的热处理至关重要，不仅可以消除这些残余应力，还可以影响零件的机械特性，如抗弯强度、延展性和最终硬度。我们着眼于不同的热处理方法以及它们的作用。
烧结，金属和陶瓷的关键后处理步骤
烧结是一种可以用于增材制造的热处理方法之一。请注意，烧结更多地是制造过程中的一步，而不是独立的后处理方法。事实上，在使用粘结剂喷射或间接三维打印时，烧结是强制性的。后者指的是使用包含金属颗粒的塑料丝的方法。
通过烧结打印后获得的生坯，可以去除粘合剂并将金属颗粒固化在一起。为了实现这一点，需要一个烧结炉：将温度升至略低于所用材料的熔点。该技术去除了原始粉末颗粒，减少了零件的孔隙率并增加了其硬度。它主要用于金属或陶瓷粉末。
考虑到最终零件的收缩现象。在烧结过程中，材料颗粒结合在一起并取代粘合剂，从而减小了原始零件的尺寸。这一减少幅度约为 15% 至 20%。
聚合物 3D 打印零件的固化、热处理
下面要讨论的是聚合物的增材制造，聚合物零件需要使用到一种特殊的热处理技术，以提高其最终性能。这就是固化，主要用于树脂3D打印。
树脂由几种在液态时不结合在一起的单体组成。当暴露于紫外线源时，这些相同的单体结合在一起形成所需的部分。然而，打印后，某些区域不会实现最佳交联，从而有损害打印组件整体强度的风险。这有可能是固化阶段最有趣的地方，因为它有可能产生各类交联模式。
△固化是树脂 3D 打印零件的常见热处理方法（照片来源：Formlabs）
零件制作完成后，将对其进行清洁，以去除多余的非光聚合树脂和打印支撑物。然后可以将零件放置在合适的机器中。通常，3D
树脂打印机制造商会提供自己的固化站，例如 Formlabs 及其 Form Cure
解决方案。这是一个紫外线室，可硬化打印部件并赋予其最终特性。这降低了脆弱性和破损风险。固化还可以固定树脂的颜色，使其处理起来更安全。
固化的结果是零件更加耐用，这在许多领域都至关重要。所使用的树脂类型和零件尺寸等因素将直接影响该热处理阶段。通常情况下，零件越大，硬化所需的时间就越长。这是您的制造过程中需要考虑的一个因素。
3D 打印热处理方法——退火
基于退火的热处理方法涉及将 3D
打印部件暴露在一定温度下，根据所使用的材料，热量可以更高或更低。加热后，逐渐冷却以增加其强度。该技术广泛用于金属，也用于玻璃。有些塑料也可以退火，例如PLA和PETG。对于其他热塑性塑料，例如ABS，退火是不合适的，因为热量会导致翘曲。
△一些热塑性塑料与退火兼容，使其能够用作热处理方法（照片来源：UltiMaker）。
但它究竟是如何运作的呢？具体而言，退火是将材料加热到高于其结晶温度但低于其熔点的温度。对于聚合物，这将使分子重组，从而提高最终部件的稳定性。对于金属，退火允许晶粒通过再结晶而尺寸增大。
在这两种情况下，退火的持续时间都会影响最终零件的结构：暴露在热量下的时间越长，其结构变化就越大。例如，塑料部件在退火后会变得更小，因为热量会加速其收缩。这是设计零件时需要考虑的重要一点。请注意，3D
金属打印中的退火可提高所创建零件的延展性和强度。该技术特别适用于钢材。
金属热处理方法
接下来将介绍一些专门用于金属的热处理方法。第一种是热等静压
(HIP)。它结合了非常高的温度和等静压惰性气体压力，当同时应用时，可以增加零件的密度和强度。具体来说，该部件被封闭在高压安全壳中并暴露在这种热/压力组合下。这消除了所有内部空隙和残余孔隙。该技术也可与陶瓷材料兼容。
△HIP 槽安装在 3D 打印部件的顶部（照片来源：Bodycote）。
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打印的金属部件也可以通过淬火来强化：这需要将部件加热到非常高的温度，然后快速冷却。这将对部件的微观结构产生影响。淬火通常需要使用液体来冷却零件。现在还有许多其他热处理方法与增材制造兼容，但此处列举的并不详尽。但您现在对可用技术及其重要性有了一个很好的概述！还有一点，就是不要忘记从设计阶段就考虑某些参数，例如零件收缩率。
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