干货满满！一文说透3D打印零件的热处理和后处理技术

2022-11-02 16:40:52  信息编号：K225850  浏览次数：153

增材制造 (AM)，通常被称为 3D 打印，作为一种可行的原型制作技术和高度定制的复杂结构的组件而越来越受欢迎。

那么，热处理会对3D打印零件产生什么样的影响呢？最新的研究情况是怎么样的？另外，3D打印零件的后处理技术有哪些？

最新研究汇总

1.热处理 3D 金属部件的效果

金属3D打印的零件通常在制造后还需要经过热处理这一步骤。它减少了制造过程中形成的内应力并可以改变零件的微观结构。这种微观结构的改变会改变某些属性，例如韧性、硬度等。其中，将3D打印金属部件彻底致密化以减少孔隙率的一种方法是热等静压 (HIP) 处理。

HIP过程需要将3D制成品放置在压力容器中，然后用惰性气体（通常是氩气）填充它。压力不断增加，可以超过组件的屈服强度，同时保持高温。通过快速淬火，更复杂的HIP过程采用可调节的冷却和加热速度以及压力水平来准确调节加工部件的质量和拉伸属性。

热处理对聚合物3D打印零件有什么作用？

通过3D打印技术能够精确制造各种复杂的几何形状，然而，它有一个主要缺点，即需要进行热后处理。与通过注塑成型生产的部件相比，这些 3D 打印部件的机械性能较差。涂层细丝和堆叠层之间的粘附不足会导致3D打印组件的机械特性较差。

发表在《Polymers》杂志上的最新研究侧重于提高机械性能，特别是拉伸和压缩强度。研究人员使用直径为 1.75 毫米的 PETG 长丝进行研究。结果表明，聚合物 3D 打印组件经过热处理后，拉伸强度显着增加。具体结果为，经过热处理的部件具有相当出色的抗拉强度，完全处理的部件在水平方向上的强度比未处理的样品高 41.1%，在垂直方向上的强度比对照组高143.9%。破坏性压缩测试显示热处理试样的的抗压强度值显着提高，压缩应力高达 118 MPa。该研究成功地揭示了聚合物材料制造后热处理的积极作用。

2.热处理用于真空系统的 3D 打印聚丙烯零件

《Journal of Manufacturing and Materials Processing》上的最新研究调查了应用热处理工艺在真空条件下封装3D打印聚丙烯的可行性。研究发现热处理对于封装过程非常有效。

研究人员以 98% 的填充重叠打印并在热处理后密封的零件进行15次迭代，其平均值为 0.4 m Torr，95% 的置信区间为 0.2 m Torr。研究发现使用400摄氏度，55 秒的热风gun来密封易受真空影响的表面是成功的，此举提高了所达到的最小真空压力。

3.热处理是否会影响 3D 打印组件的尺寸稳定性？

研究人员在《Composites Part A》中发表了一项研究，探讨了热处理对3D打印连续碳纤维 (CCF) 增强复合材料的稳定性和拉伸性能的影响。打印层的形态变化和分散用于评估样品的尺寸稳定性。3D 打印技术基于熔丝制造 (FFF) 方法，称为连续长丝制造 (CFF)。

C-CCFRC 和 S-CCFRC 分别是用于用浓缩 CCF 层和分离 CCF 层增强的样品的名称。在 100°C 和 150°C 热处理后，CCFRCs 具有优异的拉伸性能，尽管在 100°C 时尺寸稳定性更好，尤其是 S-CCFRC。基质结晶度从未处理样品中的 17.42% 提高到 100 C 热处理后样品中的 22.76%，提高了 30.65%。研究还发现，100°C 和 200°C 的热处理降低了试样的渗透性。热处理后基质的较低渗透率趋势与其尺寸偏移相称。因此，高达100°C的热处理极大提高了样品的尺寸稳定性。

4.热处理对PLA零件的影响？

熔融沉积成型 (FDM) 是一种流行的增材制造技术，其中PLA是使用最广泛的材料。研究人员在《Polymers》上发表的最新研究中通过热处理后的3点弯曲测试以及通过改变构建方向、层厚度和速度来评估 PLA 部件的性能。

研究人员使用的是直径为1.75 mm的PLA灯丝。xz 制造配置，190°C 的喷嘴温度以防止试样破损，最佳打印参数为速度 90 mm/s 和层厚为 0.3 mm。研究者对使用这些设置制造的样品进行 75°C 的热后处理，结果表明弯曲应力有增加。最后，结果表明，热处理过程中的弹性变形和恢复并没有显着限制最大力。这项研究表明，可以对矫形器进行平面 3D 打印，然后将它们扭曲以匹配人体所需的区域。

打印的手指矫形器(a)打印后；(b)在一个手指周围弯曲后。

5.热处理工艺可以提升金属3D打印件的质量

近日，金属3D打印公司AddUp和热处理解决方案公司ECM集团签署了一项合作协议，共同开发3D打印金属零件的热处理解决方案。

AddUp擅长两种3D打印技术，粉末床融合技术（PBF）和定向能沉积技术（DED）。其中PBF 3D打印技术常用来制造具有复杂几何形状和改进性能的金属零件，DED 3D打印技术则常用来修复零件，或与CNC加工联动，制造一些金属零件。

在使用PBF技术3D打印时，零件的热处理是至关重要的。因此，AddUp和ECM集团进行了合作，结合双方的经验和知识，共同开发高附加值的解决方案。

在打印过程中，激光不断移动，使材料快速加热和冷却，这可能导致膨胀或收缩。这往往会在生产的零件内部产生应力。为了改善材料的均匀性，减少其内部应力以获得正确的机械性能，通常有必要在打印后对金属部件进行一次或多次热处理循环。

AddUp的零件生产经理让-里弗尔（Jean Rivoire）说：“对于3D打印的金属零件来说，热处理非常重要，既要减少打印阶段产生的内部应力，又要适应材料的微观结构及其特性。”

ECM集团将以他们的真空炉为基础，开发专门用于3D打印金属零件的热处理真空炉，从而降低AddUp的制造成本和交货时间。

总而言之，热处理有助于增强 3D 打印部件的机械特性、尺寸稳定性和光学特性。

另外，3D 打印零件的后处理技术有哪些？

3D 打印零件的后处理

所有 3D 打印件都是逐层制作的，这会导致凹口的表面纹理在打印分辨率较低的情况下更加明显。如果您的零件需要支撑结构，则其接触点可能存在其他缺陷。本指南涵盖零件精加工的第一步、 支撑去除以及后处理的三类： 减材、 增材和 材料改变。

除非您的打印 针对无支撑 3D 打印进行了优化，否则您可能会使用支撑结构进行打印。这些通常很容易折断，但即使是设计良好的支撑也会在它们曾经连接的地方留下缺陷。为了平滑这些区域，建议通过下面列出的任意数量的方法对整个零件进行后处理。

通过双重挤压，您可以打印在水中分解且不会留下痕迹的可溶性支撑结构。当不需要后期处理时，它们特别有用。

最常见的后处理类别，减法后处理是从零件表面去除材料 以使其更 均匀 和 更光滑的行为。

增材后处理将 附加材料直接放在打印部件上。添加剂技术对于平滑 零件同时增加 强度 和其他机械性能非常有效。

既不去除也不添加材料，改变属性的后处理重新分配 3D 打印的分子。通过热处理和化学处理可以获得更光滑和更坚固的零件。

1.减法后处理方法

可能是最常见的后处理类别，减法后处理是去除部分材料的行为。通常这是对零件进行打磨或抛光的形式，但还有多种其他方法，包括翻滚、铣削、喷砂和化学磨料浸渍。

打磨和抛光

打磨和抛光技术都通过用研磨材料摩擦去除表面层。打磨需要较粗的砂纸和打磨工具，而抛光可以使用较细的砂纸、钢丝绒、抛光膏或布。

打磨可去除较大的瑕疵，例如支撑残留物或打印不规则性，并降低打印层的可见性。打磨过程会留下砂砾，虽然表面纹理更均匀，而且非常粗糙的砂纸会留下表面划痕。打磨后抛光零件会产生更光滑的表面。

简单性和经济性使打磨和抛光成为最常见的后处理方法，但对于较大的零件和批量来说，两者都需要耗费大量时间的劳动力。这些方法可能不适用于难以触及型腔的零件。

喷砂

喷砂，也称为喷砂，是一种减材后处理方法，其中磨料在高压下喷砂到 3D 打印部件上。对于大型零件，这可以在开放环境中完成，但较小的零件通常在收集和重复使用磨料的密闭室中进行处理。与其他基于砂砾的减法方法一样，有一系列可用的砂砾，并且必须根据零件几何形状和所需的光洁度选择砂砾。沙子是一种常用的研磨材料，但也可以使用其他小的粗糙物体，例如塑料珠，以获得不同的效果。

由于磨料比滚磨材料小，因此喷砂在非常粗糙的零件或高层高度上效果较差。这种方法只处理喷砂材料流可到达的表面，因此复杂的几何形状和空腔可能不可行。此外，爆破工具只能在给定时间处理有限的区域，因此这种方法可能更慢并且难以同时处理多个零件。

数控加工（铣削）

CNC 铣削，也称为 CNC 加工，是 3D 打印的逆向 – 它使用计算机可编程钻头在三个轴上移动（有时旋转）来雕刻几何形状。与 3D 打印机一样，该技术使用“G 代码”来编程工具运动，在这种情况下是铣刀而不是细丝挤出机。

虽然 CNC 加工被认为从 0.005” 到 0.00005”高度精确，但它不能生产某些几何形状并浪费材料，这通常很昂贵。相反，大幅面 3D 打印无法达到相同的精度，但可以实现更复杂的几何形状，并且浪费很少的材料。

铣削 3D 打印件的整个表面通常不会节省时间或成本，并且可能难以将铣削工具校准到打印位置。但是，虽然这两种生产方法看似不一致，但在某些情况下它们可以一起使用。如果 3D 打印零件的一部分必须非常光滑或精确，则可以铣削该特定区域。或者，制造商可以通过 3D 打印粗加工零件来节省材料，然后再将其铣削至完美。

化学浸渍

化学浸渍，也称为辅助浸渍，是将零件浸入腐蚀表面的化学浴中的过程。该过程涉及腐蚀性材料，例如碱液、氢氧化钠或二氯甲烷，并且只能由具有必要安全特性的设施中的专家完成。适当的化学物质选择完全取决于 3D 打印的材料，因为化学物质必须对打印材料具有磨蚀性。

需要一些专业知识来确定零件应该浸入水中多长时间：太短，零件不够光滑，太长，可能会完全损坏。应注意避免气泡被困在 3D 打印件内，因为它们会阻止对表面进行化学处理。通常，将浸没的部分轻轻移动以搅动化学浴并释放任何气泡。

该工艺是复杂几何形状的理想选择，因为化学浴可以同时处理浸没零件的所有表面。然而，化学浸渍容器的尺寸决定了可处理印刷品的有限零件尺寸。

2.属性更改后处理方法

既不去除也不添加材料，改变属性的后处理重新分配 3D 打印的分子。通过热处理和化学处理可以获得更光滑和更坚固的零件。

局部熔化

局部熔化是一种简单的方法，可以减少因损坏、去除支撑物或打磨后处理（如打磨）而造成的表面划痕。粗糙的表面在深色 3D 打印件上尤为明显，看起来是白色的。使用设置为高温的热风gun，将热风快速吹过需要处理的区域，使热风gun与零件保持 10-20 厘米的距离。在几秒钟内，表面将融化，类似于原始打印表面质量。热风gun还可以在打印过程中从移动中移除字符串。使用与上述相同的方法将熔化和收缩琴弦。如果琴弦很大，小的残留物可能会粘在零件上，但通常很容易通过刷掉或剪掉它们来去除。

此方法不适用于较深的划痕，因为它仅对轻微的表面粗糙度有效。它也很容易使零件变形，因此请注意限制加热区域的时间。将热空气吹过表面几秒钟可获得最佳效果。局部熔化不建议用于整体表面平滑，但可以轻松有效地平滑小缺陷和划痕。

退火

退火是加热印刷品以重组其 分子结构的过程， 从而产生不易翘曲的 更 坚固的 部件。未经处理的 3D 打印具有无定形分子结构，这意味着分子是无组织的且较弱。作为一种不良的热导体，挤出的塑料在印刷过程中会迅速且不均匀地冷却，从而导致内部应力，尤其是在印刷层之间。这些应力点最容易断裂。

为了在分子水平上强化零件，将其加热到 玻璃化转变温度，但低于其熔点。达到玻璃化转变温度允许分子重新分布成半晶体结构，而不会使零件熔化到变形点。玻璃化转变和熔化温度因材料而异，需要一些 专业知识才能 将零件加热到正确的温度并持续适当的时间。3D打印 在退火过程中会收缩，可以通过相应增加原始打印尺寸来纠正。

蒸汽平滑

蒸汽平滑是平滑 3D 打印的化学过程，其中部件暴露于封闭室中的蒸发溶剂。与化学浸渍类似，必须根据 3D 打印材料使用正确的溶剂。溶剂云溶解了印刷品的表面，而它的表面张力重新分配了溶解的材料，从而使表面更光滑。与化学浸渍不同，实际上不会从零件中去除任何材料。

溶剂可以加热至气态或通过超声波雾化蒸发。3D 打印件暴露在汽化溶剂中一段特定的时间：太短，零件不够光滑，太长，零件可能变形并变脆。最合适的溶剂具有腐蚀性和可燃性，因此需要极其小心、充分的化学控制和处置，并且只能由合格的人员处理。

许多蒸汽平滑机可与适用于不同印刷材料的各种溶剂一起使用。这些机器使过程自动化并且更安全，但由于腔室的尺寸有限，大多数机器只能处理较小的零件。