增材制造 （AM），通常被稱為 3D 打印，作為一種可行的原型制作技術(shù)和高度定制的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的組件而越來(lái)越受歡迎。

熱處理 3D 金屬部件的效果

金屬3D打印的零件通常在制造后還需要經(jīng)過(guò)熱處理這一步驟。它減少了制造過(guò)程中形成的內(nèi)應(yīng)力并可以改變零件的微觀結(jié)構(gòu)。這種微觀結(jié)構(gòu)的改變會(huì)改變某些屬性，例如韌性、硬度等。其中，將3D打印金屬部件徹底致密化以減少孔隙率的一種方法是熱等靜壓 （HIP） 處理。

HIP過(guò)程需要將3D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。壓力不斷增加，可以超過(guò)組件的屈服強(qiáng)度，同時(shí)保持高溫。通過(guò)快速淬火，更復(fù)雜的HIP過(guò)程采用可調(diào)節(jié)的冷卻和加熱速度以及壓力水平來(lái)準(zhǔn)確調(diào)節(jié)加工部件的質(zhì)量和拉伸屬性。

熱處理對(duì)聚合物3D打印零件有什么作用？

通過(guò)3D打印技術(shù)能夠精確制造各種復(fù)雜的幾何形狀，然而，它有一個(gè)主要缺點(diǎn)，即需要進(jìn)行熱后處理。與通過(guò)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(huì)導(dǎo)致3D打印組件的機(jī)械特性較差。

發(fā)表在《Polymers》雜志上的最新研究側(cè)重于提高機(jī)械性能，特別是拉伸和壓縮強(qiáng)度。研究人員使用直徑為 1.75 毫米的 PETG 長(zhǎng)絲進(jìn)行研究。結(jié)果表明，聚合物 3D 打印組件經(jīng)過(guò)熱處理后，拉伸強(qiáng)度顯著增加。具體結(jié)果為，經(jīng)過(guò)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方向上的強(qiáng)度比未處理的樣品高 41.1%，在垂直方向上的強(qiáng)度比對(duì)照組高143.9%。破壞性壓縮測(cè)試顯示熱處理試樣的的抗壓強(qiáng)度值顯著提高，壓縮應(yīng)力高達(dá) 118 MPa。該研究成功地揭示了聚合物材料制造后熱處理的積極作用。

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

熱處理用于真空系統(tǒng)的 3D 打印聚丙烯零件

《Journal of Manufacturing and Materials Processing》上的最新研究調(diào)查了應(yīng)用熱處理工藝在真空條件下封裝3D打印聚丙烯的可行性。研究發(fā)現(xiàn)熱處理對(duì)于封裝過(guò)程非常有效。

研究人員以 98% 的填充重疊打印并在熱處理后密封的零件進(jìn)行15次迭代，其平均值為 0.4 m Torr，95% 的置信區(qū)間為 0.2 m Torr。研究發(fā)現(xiàn)使用400攝氏度，55 秒的熱風(fēng)槍來(lái)密封易受真空影響的表面是成功的，此舉提高了所達(dá)到的最小真空壓力。

△每個(gè)填充物重疊百分比在加熱前后達(dá)到的最終壓力以及95%的置信區(qū)間

熱處理是否會(huì)影響 3D 打印組件的尺寸穩(wěn)定性？

研究人員在《Composites Part A》中發(fā)表了一項(xiàng)研究，探討了熱處理對(duì)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(píng)估樣品的尺寸穩(wěn)定性。3D 打印技術(shù)基于熔絲制造 （FFF） 方法，稱為連續(xù)長(zhǎng)絲制造 （CFF）。

C-CCFRC 和 S-CCFRC 分別是用于用濃縮 CCF 層和分離 CCF 層增強(qiáng)的樣品的名稱。在 100°C 和 150°C 熱處理后，CCFRCs 具有優(yōu)異的拉伸性能，盡管在 100°C 時(shí)尺寸穩(wěn)定性更好，尤其是 S-CCFRC。基質(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%。研究還發(fā)現(xiàn)，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(shì)與其尺寸偏移相稱。因此，高達(dá)100°C的熱處理極大提高了樣品的尺寸穩(wěn)定性。

△不同層數(shù)分布的CCFRC的熱變形圖：（a）熱處理前的C-CCFRC和（b）S-CCFRC；（c）200℃熱處理4小時(shí)后的C-CCFRC和（d）S-CCFRC。

熱處理對(duì)PLA零件的影響？

熔融沉積成型 （FDM） 是一種流行的增材制造技術(shù)，其中PLA是使用最廣泛的材料。研究人員在《Polymers》上發(fā)表的最新研究中通過(guò)熱處理后的3點(diǎn)彎曲測(cè)試以及通過(guò)改變構(gòu)建方向、層厚度和速度來(lái)評(píng)估 PLA 部件的性能。

研究人員使用的是直徑為1.75 mm的PLA燈絲。xz 制造配置，190°C 的噴嘴溫度以防止試樣破損，最佳打印參數(shù)為速度 90 mm/s 和層厚為 0.3 mm。研究者對(duì)使用這些設(shè)置制造的樣品進(jìn)行 75°C 的熱后處理，結(jié)果表明彎曲應(yīng)力有增加。最后，結(jié)果表明，熱處理過(guò)程中的彈性變形和恢復(fù)并沒有顯著限制最大力。這項(xiàng)研究表明，可以對(duì)矯形器進(jìn)行平面 3D 打印，然后將它們扭曲以匹配人體所需的區(qū)域。

△打印的手指矯形器（a）打印后；（b）在一個(gè)手指周圍彎曲后。

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。

審核編輯 ：李倩