Aditivna proizvodnja (AM), koja se obično naziva 3D ispis, postaje sve popularnija kao održiva tehnika izrade prototipova i visoko prilagođenih komponenti složenih struktura.
Učinci toplinske obrade 3D metalnih dijelova
Metalni 3D tiskani dijelovi često zahtijevaju korak toplinske obrade nakon izrade. Smanjuje unutarnja naprezanja nastala tijekom proizvodnje i može promijeniti mikrostrukturu dijela. Ova mikrostrukturna promjena mijenja određena svojstva kao što su žilavost, tvrdoća, itd. Među njima, jedna metoda temeljitog zgušnjavanja 3D ispisanih metalnih dijelova radi smanjenja poroznosti je vruće izostatičko prešanje (HIP).
HIP proces zahtijeva stavljanje 3D gotovog proizvoda u tlačnu posudu i zatim njegovo punjenje inertnim plinom, obično argonom. Tlak se neprestano povećava i može premašiti granicu tečenja komponente uz održavanje visokih temperatura. S brzim kaljenjem, složeniji HIP proces koristi podesive stope hlađenja i zagrijavanja i razine tlaka za precizno podešavanje kvalitete i rasteznih svojstava strojno obrađenih dijelova.
Što toplinska obrada čini za polimerne 3D ispisane dijelove?
Širok izbor složenih geometrija može se precizno proizvesti 3D ispisom, međutim, on ima jedan veliki nedostatak, a to je potreba za toplinskom naknadnom obradom. Ovi 3D ispisani dijelovi imaju loša mehanička svojstva u usporedbi s dijelovima proizvedenim injekcijskim prešanjem. Nedovoljno prianjanje između presvučenih filamenata i naslaganih slojeva može dovesti do loših mehaničkih svojstava 3D ispisanih komponenti.
Najnovije istraživanje, objavljeno u časopisu Polymers, usredotočeno je na poboljšanje mehaničkih svojstava, posebice vlačne i tlačne čvrstoće. Istraživači su za istraživanje koristili PETG filamente promjera 1,75 mm. Rezultati su pokazali da se vlačna čvrstoća polimernih 3D ispisanih komponenti značajno povećala nakon toplinske obrade. Kao rezultat toga, toplinski obrađeni dijelovi imali su dosta dobru vlačnu čvrstoću, pri čemu su potpuno tretirani dijelovi pokazali 41,1 posto veću čvrstoću u vodoravnom smjeru od neobrađenog uzorka i 143,9 posto veću čvrstoću u okomitom smjeru od kontrolnog uzorka. Ispitivanje tlakom razaranjem pokazalo je značajno povećanje vrijednosti tlačne čvrstoće za toplinski obrađene uzorke, s tlačnim naprezanjem od čak 118 MPa. Ova je studija uspješno otkrila pozitivan učinak toplinske obrade polimernih materijala nakon proizvodnje.
△ Uzorak srednjih vrijednosti tlačne čvrstoće
Toplinska obrada 3D tiskanih polipropilenskih dijelova za vakuumske sustave
Najnovije istraživanje u časopisu Journal of Manufacturing and Materials Processing istražuje izvedivost primjene procesa toplinske obrade za kapsuliranje 3D tiskanog polipropilena pod vakuumskim uvjetima. Istraživanja su pokazala da je toplinska obrada vrlo učinkovita za proces pakiranja.
Istraživači su preklopili dio ispisan s 98 posto ispune i zapečaćen nakon toplinske obrade tijekom 15 ponavljanja, s prosjekom od 0.4 m Torr i 95-postotnim intervalom pouzdanosti od 0.2 m Torr. Studija je pokazala uspjeh korištenjem 400 stupnjeva, 55-drugog toplinskog pištolja za brtvljenje površina osjetljivih na vakuum, povećavajući minimalni postignuti tlak vakuuma.
△Konačni tlak postignut prije i nakon zagrijavanja i 95-postotni interval pouzdanosti za svaki postotak preklapanja punjenja
Utječe li toplinska obrada na dimenzijsku stabilnost 3D tiskanih komponenti?
Istraživači su objavili studiju u Composites Part A ispitujući učinak toplinske obrade na stabilnost i vlačna svojstva kompozita ojačanih kontinuiranim ugljičnim vlaknima (CCF) ispisanim u 3D tehnologiji. Morfološke promjene i disperzija otisnutih slojeva korišteni su za procjenu dimenzijske stabilnosti uzoraka. Tehnologija 3D ispisa temelji se na metodi izrade spojenih niti (FFF) poznatoj kao kontinuirana izrada niti (CFF).
C-CCFRC i S-CCFRC nazivi su koji se koriste za uzorke poboljšane koncentriranim odnosno odvojenim CCF slojevima. Nakon toplinske obrade na 100 stupnjeva i 150 stupnjeva, CCFRC su pokazali izvrsna vlačna svojstva, iako je dimenzijska stabilnost bila bolja na 100 stupnjeva, posebno za S-CCFRC. Kristalnost matrice povećala se sa 17,42 posto u neobrađenom uzorku na 22,76 posto u uzorku toplinski obrađenom na 100 C, povećanje od 30,65 posto. Studija je također otkrila da toplinski tretmani na 100 stupnjeva i 200 stupnjeva smanjuju propusnost uzoraka. Trend manje propusnosti matrice nakon toplinske obrade razmjeran je pomaku veličine. Stoga toplinska obrada do 100 stupnjeva uvelike poboljšava dimenzionalnu stabilnost uzoraka.
△ Dijagrami toplinske deformacije CCFRC s različitim raspodjelama broja slojeva: (a) C-CCFRC i (b) S-CCFRC prije toplinske obrade; (c) C-CCFRC i (d) S-CCFRC nakon toplinske obrade na 200 stupnjeva tijekom 4 sata.
Učinak toplinske obrade na PLA dijelove?
Fused Deposition Modeling (FDM) popularna je tehnika aditivne proizvodnje, od koje je PLA najrašireniji materijal. U svojoj posljednjoj studiji, objavljenoj u časopisu Polymers, istraživači su procijenili izvedbu PLA dijelova pomoću 3-testova savijanja u točkama nakon toplinske obrade i mijenjanjem orijentacije izrade, debljine sloja i brzine.
Istraživači su koristili PLA filamente promjera 1,75 mm. Konfiguracija izrade xz, temperatura mlaznice od 190 stupnjeva kako bi se spriječilo lomljenje uzorka, a optimalni parametri ispisa su brzina od 90 mm/s i debljina sloja od 0,3 mm. Toplinska naknadna obrada od 75 stupnjeva na uzorcima proizvedenim ovim postavkama pokazala je povećanje naprezanja na savijanje. Konačno, rezultati pokazuju da elastična deformacija i oporavak tijekom toplinske obrade ne ograničavaju značajno maksimalnu silu. Istraživanje pokazuje da se ortoze mogu 3D printati ravne i zatim uvijati kako bi odgovarale željenom dijelu ljudskog tijela.
Sve u svemu, toplinska obrada pomaže u poboljšanju mehaničkih svojstava, dimenzionalne stabilnosti i optičkih svojstava 3D tiskanih dijelova.