ما هو دور المعالجة الحرارية لتخفيف الضغط في الطباعة المعدنية ثلاثية الأبعاد؟

1. طريقة تكوين ومخاطر الإجهاد المتبقي
الطبيعة الفيزيائية لتراكم الإجهاد الحراري
تخلق أشعة الليزر أو الإلكترون درجات حرارة عالية جدًا (أكثر من 2000 درجة) في مواقع صغيرة أثناء عملية الطباعة المعدنية ثلاثية الأبعاد. يؤدي ذلك إلى إذابة المسحوق المعدني وتكوين بركة من المعدن المنصهر. عندما يتم إزاحة شعاع الليزر بعيدًا، يبرد المجمع المنصهر ويتصلب بسرعة، مما يؤدي إلى تغير درجة الحرارة في الأماكن القريبة. يؤدي هذا التمدد والانكماش الحراري غير المتساوي إلى إنشاء مجال إجهاد معقد داخل الجزء. عند طباعة أقواس الطيران المصنوعة من سبائك التيتانيوم، لا يتمتع الهيكل المعلق بأي دعم، ويمكن أن يصل الضغط المحلي إلى 80% من قوة إنتاج المادة، وهو أعلى بكثير من حد تحمل المادة.
المشاكل الشائعة التي يسببها التوتر
إذا لم يتم التخلص من التوتر المتبقي بسرعة، فسوف يؤدي ذلك إلى ثلاث مشاكل رئيسية:
عدم الاستقرار الهندسي: عندما يكون التوتر أكبر من أن تتمكن المادة من الارتباط بالركيزة، فإن الجزء سوف ينحني ويتغير شكله. وجدت دراسة حالة لشفرة محرك طائرة أن الشفرة التي لم تتم معالجتها تنحني بمقدار 3.2 ملم بعد الطباعة، وهو ما يزيد بكثير عن نسبة التسامح البالغة 0.1 ملم اللازمة للتجميع.
بدء الشقوق: من المرجح أن يكون الموقع الذي يتراكم فيه التوتر هو المكان الذي تبدأ فيه الشقوق. عند طباعة أقراص توربينية من سبائك النيكل-عالية الحرارة-، يكون معدل حدوث التشققات في الأجزاء غير المعالجة 42%، ولكن بعد المعالجة الحرارية، ينخفض ​​المعدل إلى أقل من 2%.
تدهور الأداء: يمكن أن يؤدي الإجهاد المتبقي إلى تقصير عمر المواد. أثبتت التجارب أن الحالة غير المعالجة لمكونات الفولاذ المقاوم للصدأ 316L تؤدي إلى انخفاض بنسبة 60% في عمر كلال الدورة العالية مقارنة بحالة ما بعد المعالجة الحرارية-.
2. النظرية الفنية وعملية تنفيذ المعالجة الحرارية لتخفيف الإجهاد
الطريقة الجسدية للتخلص من التوتر
المعالجة الحرارية لتخفيف الإجهاد تعني تسخين الجزء إلى نطاق درجة حرارة معين (عادةً 0.4 إلى 0.6 مرة من نقطة الانصهار) لجعل المادة مرنة للغاية. عند درجة الحرارة هذه، تتحسن قدرة الذرات على التحرك، ويتم إعادة تنظيم العيوب الصغيرة مثل الانخلاعات والثقوب، مما يؤدي ببطء إلى إطلاق الضغط الداخلي عن طريق تشوه بلاستيكي صغير. بأخذ سبيكة Inconel 718 القائمة على النيكل كمثال، بعد 4 ساعات من العزل عند درجة حرارة 620 درجة، يمكن خفض الضغط المتبقي من 380 ميجا باسكال إلى أقل من 50 ميجا باسكال.
التحكم الدقيق في معلمات العملية
الأشياء الرئيسية التي تؤثر على المعالجة الحرارية لتخفيف الضغط هي معدل التسخين، ودرجة حرارة العزل، والوقت الذي يستغرقه العزل، وطريقة تبريده:
معدل التسخين: يجب ألا تقوم بالتسخين بسرعة كبيرة، لأن ذلك قد يؤدي إلى مزيد من التوتر. يجب أن يبقى معدل التسخين لأجزاء سبائك الألومنيوم أقل من أو يساوي 10 درجة / دقيقة.
درجة حرارة العزل: عادة ما تكون مصممة لتكون أقل من درجة الحرارة التي تتشكل عندها البلورات. نطاق درجة الحرارة الطبيعي لسبائك التيتانيوم المعالجة حرارياً Ti6Al4V هو 593 إلى 649 درجة مئوية. هذه هي أفضل طريقة لتخفيف التوتر وتحسين بنية الحبوب.
كيفية التبريد: استخدم تبريد الفرن أو معدل التبريد المتحكم به لتجنب الضغط الإضافي الناتج عن التبريد بسرعة كبيرة. يوضح مثال الغرسة الطبية أن تقنية التبريد المرحلي (600 درجة → 400 درجة → درجة حرارة الغرفة) قد تنظم تشوه المكونات في حدود 0.05 مم.
فوائد بيئة الفراغ
لقد أصبحت المعالجة الحرارية الفراغية هي الخيار الأفضل-للتصنيع عالي الجودة نظرًا لأنها تتخلص من مخاطر الأكسدة والتلوث. كشفت اختبارات شركة TAV Vacuum Furnace Company أن مكونات الفولاذ المقاوم للصدأ 316L التي يتم معالجتها بالحرارة-في الفراغ تتمتع بسطح أكثر نعومة بنسبة 40% ومقاومة أفضل للتآكل بنسبة 25% مقارنة بالأجزاء التي تتم معالجتها بالحرارة-في الهواء. كما أن الجو الفراغي يمكن أن يوقف مشاكل مثل تقصف الهيدروجين، مما يجعله مثاليًا لصناعة الطائرات، حيث يكون نقاء المواد مهمًا جدًا.
3. فائدة المعالجة الحرارية لتخفيف التوتر في العالم الحقيقي وفي الأعمال التجارية
ضمان الأداء في صناعة الطيران
تعتبر المعالجة الحرارية لتخفيف الضغط خطوة مهمة في تصنيع شفرات محرك الطيران لأنها تتأكد من أن الأجزاء موثوقة. قامت GE Aviation بتحسين تقنية المعالجة الحرارية بحيث تقلل الضغط المتبقي في الشفرات المصنوعة من سبائك النيكل البلورية- الأحادية بنسبة 75% وتجعلها تدوم لفترة أطول ثلاث مرات. لقد ارتفع عمر الكلال المنخفض للدورة لقرص التوربين في نوع معين من المحركات التوربينية من 500 دورة إلى 2000 دورة بعد المعالجة الحرارية. وهذا يلبي احتياجات التصميم-طويل العمر.
تحسين التوافق الحيوي للزراعات الطبية
يجب أن تكون الغرسات العظمية المصنوعة من سبائك التيتانيوم قوية جدًا ومرنة جدًا. يمكن للمعالجة الحرارية لتخفيف الإجهاد أن تقلل من معامل المرونة للزرعات وتتخلص من إجهاد المعالجة، مما قد يساعد في تقليل "تأثير الحماية من الإجهاد". تشير الأدلة التجريبية إلى أن معامل Ti6Al4V بعد المعالجة الحرارية يتضاءل من 110 GPa إلى 85 GPa، مما يتماشى بشكل وثيق مع أنسجة العظام البشرية (10-30 GPa) ويعزز بشكل كبير تكامل العظام.
تصنيع القوالب مع التحكم الدقيق
عند الطباعة ثلاثية الأبعاد لقالب الفولاذ، فإن المعالجة الحرارية لتخفيف الضغط يمكن أن تمنع حدوث التشوه الحراري أثناء عملية الطباعة والتأكد من أن تجويف القالب بالحجم الصحيح. تشير حالة معينة من قوالب السيارات إلى أنه بعد المعالجة الحرارية، فإن التسامح الأبعاد لتجويف القالب يتراوح من ± 0.1 مم إلى ± 0.02 مم، وهو ما هو مطلوب لقولبة الحقن الدقيقة. وفي الوقت نفسه، يمكن للمعالجة الحرارية أن تجعل القالب أكثر مقاومة للتآكل، مما يمكن أن يضاعف أو يضاعف عمره الافتراضي.