すべての金属 3D プリント部品には熱処理が必要ですか?

1. 熱処理の主な仕事は、欠陥を取り除き、動作を改善することです。
加熱、絶縁、冷却のプロセスにより、熱処理によって金属 3D プリント部品の微細構造を大幅に改善できます。これにより、部品の全体的な動作が向上します。
残留応力の除去: 印刷中の不均一な冷却と固化により、部品内部に残留応力が発生しやすくなり、曲がったり割れたりする可能性があります。アニーリングプロセス全体を通してゆっくりと冷却すると、応力を軽減できる可能性があります。たとえば、アニーリング後の航空宇宙構造部品の応力減少率は 80% を超える場合があります。
機械的特性の強化: 焼き入れと焼き戻しを一緒に行うと、物をより硬く、より強くすることができます。たとえば、316L ステンレス鋼は焼き入れ後、硬度が 30% 向上し、耐摩耗性が向上するため、大量の重量を支える必要がある機械部品に適しています。
結晶粒の微細化: 方向性再結晶プロセスにより熱勾配が管理され、小さな結晶粒が柱状結晶に融合されます。これにより、材料は高温でのクリープに対する耐性が向上します。 MIT の研究によると、方向性再結晶処理後、ニッケル-基の高温-合金の粒径は数桁大きくなり、クリープ寿命ははるかに長くなります。
緻密化処理: 熱間静水圧プレス (HIP) は、高温と高圧を使用して内部の細孔を除去します。これにより、材料密度はほぼ 100% になります。たとえば、HIP 処理により、航空機エンジンのタービン ディスクの低サイクル疲労寿命が 5000 サイクルから 20000 サイクルに向上しました。
2. 熱処理を行わない場合：材料特性とプロセスの改善
熱処理には多くの利点がありますが、次の場合には追加の作業を行わずにコンポーネントをすぐに使用できます。
大きな応力を必要としない部品: 部品の構造が基本的で、サイズが控えめで、残留応力が気にならない場合は、焼きなましを行う必要はありません。たとえば、軽微な装飾部品や耐荷重性のない構造部品は変形する可能性が低く、熱処理にお金をかける価値はありません。
材料とプロセスのさまざまな組み合わせ: 一部の材料は、印刷中に完璧な微細構造を作成します。たとえば、電子ビーム選択溶解 (EBSM) 技術は冷却がより遅いため、チタン合金 (Ti6Al4V) の印刷部品が粗くなりにくく、生体適合性が必要な医療用インプラントに適しています。
表面品質に注意を払うシナリオ: 部品を非常に滑らかにする必要がある場合、熱処理により部品が酸化したり、形状が変化したりする可能性があります。この時点で、熱処理は化学研磨やレーザー研磨などの表面処理方法に置き換えることができます。電気化学研磨後、多孔質チタン合金インプラントの表面粗さは、それ以上の熱処理を必要とせずに 6 ～ 12 μm から 0.2 ～ 1 μm に低下します。
ラピッドプロトタイピングの検証：熱処理により製品設計段階での開発サイクルが長くなる可能性があります。たとえば、家庭用電化製品分野の統合フレキシブル ヒンジでは、プロトタイプ部品を迅速に作成する必要があり、印刷部品を直接採用することで検証プロセスをスピードアップできます。
3. 意思決定のためのフレームワーク: パフォーマンス、コスト、効率の適切なバランスを見つける
熱処理を行うかどうかを決定するには、次の変数を徹底的に検討する必要があります。
機能要件: 航空宇宙部品は、膨大な温度と歪みに耐えることができる必要があるため、熱処理が重要です。
医療用インプラントは強度があり、身体にとって安全である必要があり、アニーリングまたは HIP 処理によりその機能を向上させることができます。
美術彫刻や展示品の見た目だけが重要な場合は、熱処理を省略してコストを節約できます。
ニッケル-基の高温合金は亀裂が入りやすいため、靭性を高めるために固溶体と時効処理が必要です。
アルミニウム合金 (AlSi10Mg など) で作られた部品には微細な粒子が含まれているため、すぐに軽量になります。
プロセスの種類: 粉末床溶解 (PBF) プロセスは急速に冷却され、多くの張力が残るため、アニールする必要があります。
入熱量が高く応力レベルが低いため、指向性エネルギー蒸着 (DED) 技術により熱処理の必要性が削減されます。
コストの制限: HIP 機器の購入と運用には費用がかかるため、中小企業には余裕がありません。{0}}パフォーマンスとコストの間で妥協点を見つける必要があります。
複雑な構造部品を熱処理すると形状が変化する場合があります。これを回避するには、シミュレーションの最適化を使用して設計をサポートし、研究開発費を増やす必要があります。