淺析為什么3D打印組件要進(jìn)行熱處理工藝？

南極熊導(dǎo)讀：增材制造通常被稱為3D打印，作為一種可行的原型制作技術(shù)和可定制高復(fù)雜結(jié)構(gòu)的組件，而越來越受歡迎。本文將淺析3D打印組件為什么需要熱處理。

△金屬3D打印制造過程示意圖

熱處理對金屬3D打印部件的作用
金屬3D打印元件在制造后通常需要經(jīng)過熱處理工藝。尤其是在航空航天和軍工領(lǐng)域，對零件的性能有著非常嚴(yán)格的要求。它減少了制造過程中形成的內(nèi)應(yīng)力并改變了元件的形態(tài)。這種微觀結(jié)構(gòu)的改變會改變某些屬性，例如韌性、硬度等。

為消除金屬3D打印部件的孔隙率，需要一種被稱為熱等靜壓(HIP)的熱處理技術(shù)。

熱等靜壓需要將3D打印制成品放置在壓力容器中，然后用惰性氣體（通常是氬氣）填充它。隨著壓力的增加，同時保持非常高的溫度，超過了組件的屈服強(qiáng)度。通過快速淬火，更復(fù)雜的HIP變體可調(diào)節(jié)的冷卻和加熱速度，以及壓力水平來準(zhǔn)確調(diào)節(jié)加工部件的質(zhì)量和拉伸屬性。

△提高聚合物3D打印部件的機(jī)械性能的研究:抗壓強(qiáng)度的樣本平均值

熱處理對聚合物3D打印零件有什么作用？
通過3D打印技術(shù)精確制造各種復(fù)雜的幾何形狀。然而，它有一個主要缺點，即需要進(jìn)行熱后處理。與通過注塑成型生產(chǎn)的部件相比，這些3D打印部件的機(jī)械性能較差。涂層細(xì)絲和堆疊層之間的粘附不足，會導(dǎo)致3D打印組件的機(jī)械特性較差。

通過已發(fā)表在《聚合物》雜志上的最新研究表明，經(jīng)過熱處理的部件具有相當(dāng)出色的抗拉強(qiáng)度，完全處理的部件在水平位置上的強(qiáng)度比未處理的樣品高 41.1%，在垂直方向上的強(qiáng)度比對照組高 143.9%。徹底熱處理的水平排列樣品的楊氏彈性模量增加了 13.3%，楊氏彈性模量增加了 22.1%。

根據(jù)破壞性壓縮測試顯示抗壓強(qiáng)度值顯著提高，熱處理試樣的壓縮應(yīng)力高達(dá)118 MPa。

結(jié)果表明，采用熱處理工藝，聚合物3D打印組件的拉伸強(qiáng)度顯著增加。

△帶有泵、FFF元件、真空計、真空計顯示控制器和USB攝像頭的實驗裝置

熱處理用于真空系統(tǒng)的3D打印聚丙烯零件
根據(jù)《制造與材料加工雜志》上的最新研究成果，調(diào)查了熱處理工藝在真空條件下封裝3D打印聚丙烯的可行性。發(fā)現(xiàn)熱處理對于封裝過程非常有效。

熱處理使每個重疊部分達(dá)到的最小壓力減少了一半以上。最大重疊度和熱處理產(chǎn)生了最好的性能。以98%的填充物重疊率打印的部件，在熱處理后密封的15次迭代中，平均為0.4m Torr，95%的置信區(qū)間為0.2m Torr。

發(fā)現(xiàn)使用設(shè)置為400攝氏度，55秒的熱風(fēng)槍來密封易受真空影響的表面是成功的，并提高了所達(dá)到的最小真空壓力。這些結(jié)果證實了3D打印部件適用于真空系統(tǒng)。

△碳纖維復(fù)合材料3D打印機(jī)系統(tǒng)

熱處理是否會影響3D打印組件尺寸的穩(wěn)定性？
研究人員在Composites Part A中發(fā)表了一項研究，探討了熱處理對3D打印連續(xù)碳纖維(CCF) 增強(qiáng)復(fù)合材料的穩(wěn)定性和拉伸性能的影響。打印層的形態(tài)變化和分散用于評估樣品的尺寸穩(wěn)定性。該3D打印技術(shù)基于熔絲制造(FFF)方法，也被稱為連續(xù)長絲制造(CFF)。

CCFRC和S-CCFRC分別是用于集中CCF層和分離CCF層增強(qiáng)樣品的名稱。在100°C和150°C的熱加工后，CCFRC具有優(yōu)越的拉伸性能，盡管在 100°C 時尺寸穩(wěn)定性更好，尤其是 S-CCFRC�；�質(zhì)結(jié)晶度從未處理樣品中的17.42%提高到100 C熱處理后，樣品中的22.76%，提高了30.65%。

100°C和200°C的熱處理降低了試樣的滲透性。熱處理后基質(zhì)的較低滲透率趨勢與其尺寸偏移相稱。因此，高達(dá)100°C的熱處理提高了樣品的尺寸穩(wěn)定性。

△聚乳酸似乎是一種比化石燃料衍生的聚合物更環(huán)保的替代品

熱處理對聚乳酸零件的影響
熔融沉積成型(FDM)是一種流行的3D打印技術(shù)，其中聚乳酸(PLA)是使用最廣泛的材料。研究人員在《聚合物》上發(fā)表的最新研究中，通過熱處理后的3點彎曲測試，以及通過改變構(gòu)建方向、層厚度和速度來評估PLA部件的性能。

采用直徑1.75 mm的PLA纖維長絲進(jìn)行3D打印。x-z制造結(jié)構(gòu)、噴嘴溫度為190℃以防止試樣破裂、制造速度為90 mm/s和涂層厚度為0.3 mm是評估數(shù)據(jù)中的最佳參數(shù)。

對使用這些設(shè)置制造的樣品進(jìn)行75°C的熱后處理，導(dǎo)致彎曲時的最大力略有增強(qiáng)。最后，結(jié)果表明，熱處理過程中的彈性變形和恢復(fù)并沒有顯著限制最大力。

總而言之，熱處理有助于增強(qiáng)3D打印部件的機(jī)械特性、尺寸穩(wěn)定性和光學(xué)特性。

參考文獻(xiàn)和延伸閱讀
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