Akankah perlakuan panas pencetakan 3D logam menyebabkan deformasi?

一, Esensi Teknis Perlakuan Panas: Regulasi Organisasi dan Optimalisasi Kinerja
Pemanasan, isolasi, dan pendinginan bahan logam selama perlakuan panas mengubah struktur mikronya, sehingga meningkatkan karakteristik mekanisnya. Dalam pencetakan 3D logam, tujuan utama perlakuan panas adalah:
Menghilangkan tegangan sisa: Saat bahan dicetak, bahan tersebut mengalami siklus pemanasan dan pendinginan yang cepat, yang menyebabkan kisi bagian dalam menekuk dan menciptakan tegangan sisa. Untuk meredakan ketegangan, bagian tersebut dipanaskan di bawah suhu rekristalisasi material (misalnya, menjaga paduan titanium pada suhu 800 derajat selama 2 jam). Hal ini akan melemaskan kisi-kisi dan menurunkan bahaya perubahan bentuk selama pemrosesan atau penggunaan selanjutnya.
Memperbaiki struktur butiran: Perlakuan larutan padat (seperti paduan aluminium 7075 pada suhu 470 derajat) dapat memecah fase penguatan, sedangkan perlakuan penuaan (seperti suhu 120 derajat selama 24 jam) dapat menyebabkan terbentuknya fase pengendapan skala nano, sehingga menghasilkan gabungan peningkatan kekuatan dan ketangguhan. Proses ini membuat butiran menjadi lebih kecil dan kecil kemungkinannya untuk mengubah volume ketika fase berubah, sehingga kecenderungan deformasi menjadi lebih rendah.
Memperbaiki masalah internal: Teknologi pengepresan isostatik panas (HIP) secara sinergis meningkatkan kepadatan material hingga lebih dari 99,9% dengan kombinasi tekanan tinggi 100-150MPa dan suhu tinggi 1000-1200 derajat, menutup retakan mikro dan pori-pori serta menghilangkan konsentrasi tegangan lokal yang disebabkan oleh penyusutan yang tidak merata.
2, Mekanisme deformasi yang disebabkan oleh perlakuan panas merupakan efek gabungan dari tekanan termal dan perubahan struktur mikro.
Tujuan dari perlakuan panas adalah untuk menghilangkan resiko terjadinya deformasi, namun jika dilakukan secara salah, deformasi baru masih dapat terjadi. Cara utama hal ini terjadi adalah:
Penumpukan tegangan termal: Ketika suatu bagian dipanaskan dan didinginkan, perbedaan suhu antara bagian luar dan bagian dalam menyebabkan bagian tersebut mengembang dan berkontraksi secara berbeda, yang menciptakan tekanan termal. Misalnya, ketika bagian-berdinding tipis didinginkan dengan cepat, bagian luarnya akan menyusut lebih cepat daripada bagian dalamnya. Hal ini dapat menyebabkan benda tersebut terdistorsi atau terpelintir.
Perubahan volume transformasi organisasi: Perubahan kepadatan material selama proses transisi fase menyebabkan volume menyusut atau bertambah. Misalnya ketika terjadi transformasi martensit, volumenya menjadi lebih besar, dan pelepasan tegangan yang tidak lancar dapat menimbulkan retakan.
Pengaruh struktur pendukung: Area tempat penyangga pencetakan dan media bergabung kemungkinan besar akan menjadi titik konsentrasi tegangan selama perlakuan panas. Jika desain penyangga tidak tepat, maka penyangga dapat bengkok saat penyangga dilepas setelah perlakuan panas karena pelepasan tegangan di satu area.
3, Strategi untuk mengendalikan deformasi: Memperbaiki proses dan menghasilkan teknologi baru
Untuk menyeimbangkan dampak perlakuan panas dan risiko deformasi, industri telah menyusun rencana manajemen sistematis yang memperhatikan tiga bidang: bahan, proses, dan peralatan:
1. Memilih bahan dan menyiapkannya
Paduan berbahan dasar nikel seperti Inconel 718 memiliki koefisien muai panas yang lebih rendah (12,5 × 10 ⁻⁶/ derajat ) dibandingkan paduan titanium (8,6 × 10 ⁻⁶/ derajat ). Artinya, bahan-bahan tersebut dapat membantu mencegah penumpukan tekanan termal.
Desain sebelum deformasi: Gunakan perangkat lunak simulasi seperti VoxelDance Engineering untuk memprediksi bagaimana perlakuan panas akan mengubah bentuk material. Kemudian, gunakan pra-deformasi terbalik pada model asli untuk membuat model kompensasi memiliki ukuran yang tepat setelah perlakuan panas. Misalnya, setelah penyesuaian pra-distorsi, akurasi pencetakan bagian-berdinding tipis dengan permukaan melengkung tertentu meningkat sebesar 66,2%, dan 98,6% area deformasi signifikan dihilangkan.
2. Memperbaiki parameter proses
Pemanasan dan pendinginan di beberapa bagian: Menggunakan strategi pemanasan bertahap (seperti menahan suhu 50 derajat selama 30 menit) dan pendinginan tertunda (seperti pendinginan udara setelah pendinginan tungku hingga 200 derajat) untuk mengurangi tekanan termal yang diakibatkan oleh perubahan suhu. Misalnya, setelah perawatan HIP, bilah turbin mesin pesawat GE bertahan tiga kali lebih lama dan tidak berubah bentuk lebih dari 0,05% setiap saat.
Teknologi untuk kristalisasi terarah: Proses kristalisasi terarah MIT menyesuaikan laju pemanasan (misalnya, 2,5 cm/jam) dan suhu (1235 derajat ) untuk menumbuhkan butiran dalam arah tertentu menjadi formasi kolom. Hal ini membuat material lebih tahan terhadap mulur dan kecil kemungkinannya untuk terdistorsi pada suhu tinggi.
3. Peralatan dan perlengkapan baru
Sistem perlengkapan adaptif: Laboratorium Fraunhofer ILPT di Jerman menciptakan perlengkapan fleksibel yang menggunakan pegas gas nitrogen untuk memberikan gaya penjepitan dinamis, mengimbangi perbedaan ekspansi termal selama pencetakan, dan menjaga struktur berdinding tipis 3m × 2m-dari perubahan bentuk lebih dari ± 0,3 mm.
Teknologi perlakuan panas lokal: Pemanasan induksi atau perlakuan panas lokal laser digunakan pada potongan besar untuk mencegahnya berubah bentuk saat dipanaskan seluruhnya. Misalnya, braket penerbangan tertentu telah mencapai kekuatan tarik 520MPa dan stabilitas dimensi lebih besar dari ± 0,1 mm berkat perlakuan solusi lokal.
4, Kasus Frontier: Penggunaan Baru untuk Deformasi Perlakuan Panas
Boeing menggunakan solusi solid dan teknik perawatan penuaan di industri dirgantara untuk membuat braket pesawat cetak 3D lebih kuat, dengan kekuatan tarik 520MPa. Pada saat yang sama, desain pra-deformasi menjaga deformasi dalam ± 0,05 mm untuk memenuhi standar aerodinamis yang ketat.
Implan medis: Sebuah perusahaan telah menemukan cara baru untuk membuat cangkir asetabular paduan titanium dengan menggabungkan "anil pelepas stres" dengan "etsa asam". Proses ini menghilangkan tekanan internal melalui anil dan kemudian menciptakan struktur mikropori dengan ukuran 5 hingga 10 μm melalui etsa asam. Ini membantu sel-sel tulang tumbuh tanpa mengubah ukuran cangkir.
Peralatan energi: Siemens Energy membuat bilah turbin gas menggunakan teknologi kristalisasi terarah HIP+. Hal ini membuat material menjadi 99,95% padat dan 40% lebih tahan terhadap mulur. Dapat berjalan selama 100.000 jam tanpa berubah bentuk pada suhu 1200 derajat.