Le traitement thermique de l’impression 3D métallique provoquera-t-il une déformation ?

一, L'essence technique du traitement thermique : régulation organisationnelle et optimisation des performances
Chauffer, isoler et refroidir les matériaux métalliques lors du traitement thermique modifie leur microstructure, ce qui améliore leurs caractéristiques mécaniques. En impression 3D métal, les principaux objectifs du traitement thermique sont :
Se débarrasser des contraintes résiduelles : lorsque le matériau est imprimé, il subit des cycles rapides de chauffage et de refroidissement, ce qui provoque la flexion du réseau interne et crée une contrainte résiduelle. Pour relâcher la tension, la pièce est chauffée en dessous de la température de recristallisation du matériau (par exemple en maintenant l'alliage de titane à 800 degrés pendant 2 heures). Cela détend le treillis et réduit le risque de déformation lors d'un traitement ou d'une utilisation ultérieure.
Améliorer la structure du grain : le traitement en solution solide (comme l'alliage d'aluminium 7075 à 470 degrés) peut décomposer les phases de renforcement, tandis que le traitement de vieillissement (comme 120 degrés pendant 24 heures) peut provoquer la formation de phases de précipitation à l'échelle nanométrique, entraînant une augmentation combinée de la résistance et de la ténacité. Ce processus rend les grains plus petits et moins susceptibles de changer de volume lorsque la phase change, ce qui réduit la propension à la déformation.
Résolution des problèmes internes : la technologie de pressage isostatique à chaud (HIP) améliore de manière synergique la densité des matériaux à plus de 99,9 % grâce à la combinaison d'une haute pression de 100 à 150 MPa et d'une température élevée de 1 000 à 1 200 degrés, fermant les microfissures et les pores et éliminant la concentration de contraintes locales causée par un retrait inégal.
2, Le mécanisme de déformation provoqué par le traitement thermique est l’effet combiné de la contrainte thermique et des modifications de la microstructure.
Le but du traitement thermique est d'éliminer les risques de déformation, mais s'il est mal effectué, de nouvelles déformations peuvent encore se produire. Les principales façons dont cela se produit sont :
Accumulation de contraintes thermiques : lorsqu'une pièce est chauffée et refroidie, la différence de température entre l'extérieur et l'intérieur de la pièce provoque une dilatation et une contraction différentes de la pièce, ce qui crée une contrainte thermique. Par exemple, lorsque-des pièces à parois minces sont refroidies rapidement, l'extérieur rétrécit plus rapidement que l'intérieur. Cela pourrait entraîner une déformation ou une torsion de l'article.
Modification du volume de la transformation organisationnelle : les changements de densité matérielle au cours du processus de transition de phase entraînent une diminution ou une augmentation du volume. Par exemple, lors d'une transformation martensitique, le volume est plus grand, et si la libération des contraintes n'est pas douce, cela peut générer des fissures.
Comment la structure de support affecte : La zone où le support d'impression et le substrat se rejoignent est susceptible de devenir un point de concentration de contraintes pendant le traitement thermique. Si la conception du support n'est pas correcte, celui-ci pourrait se plier lorsque le support est retiré après le traitement thermique en raison de la libération des contraintes dans une zone.
3, Stratégie de contrôle des déformations : Améliorer les processus et proposer de nouvelles technologies
Pour équilibrer les effets du traitement thermique et le risque de déformation, l'industrie a conçu un plan de gestion systématique qui examine trois domaines : les matériaux, les processus et les équipements :
1. Choisir les matériaux et les préparer
Les alliages à base de nickel-comme l'Inconel 718 ont un coefficient de dilatation thermique inférieur (12,5 × 10 ⁻⁶/degré) à celui des alliages de titane (8,6 × 10 ⁻⁶/degré). Cela signifie qu’ils peuvent aider à prévenir l’accumulation de stress thermique.
Conception avant déformation : utilisez un logiciel de simulation comme VoxelDance Engineering pour prédire comment le traitement thermique modifierait la forme du matériau. Ensuite, utilisez la pré-déformation inversée sur le modèle d'origine pour donner au modèle compensé la bonne taille après le traitement thermique. Par exemple, après un ajustement de pré-distorsion, la précision d'impression d'une pièce à paroi mince-avec une surface incurvée spécifique s'est améliorée de 66,2 % et 98,6 % de la zone de déformation importante a été supprimée.
2. Améliorer les paramètres du processus
Chauffage et refroidissement par parties : utilisation d'une stratégie de chauffage par étapes (comme le maintien à 50 degrés pendant 30 minutes) et d'un refroidissement différé (comme le refroidissement par air après le refroidissement du four à 200 degrés) pour réduire le stress thermique produit par les changements de température. Par exemple, après un traitement HIP, les aubes de turbine des moteurs d'avion GE durent trois fois plus longtemps et ne changent pas de forme plus de 0,05 % du temps.
Technologie de cristallisation directionnelle : le processus de cristallisation directionnelle du MIT ajuste la vitesse de chauffage (par exemple, 2,5 cm/h) et la température (1 235 degrés) pour faire pousser les grains dans une certaine direction en formations en colonnes. Cela rend le matériau plus résistant au fluage et moins susceptible de se déformer à haute température.
3. Nouveaux outils et accessoires
Système de fixation adaptatif : le laboratoire Fraunhofer ILPT en Allemagne a créé une fixation flexible qui utilise des ressorts à gaz à l'azote pour fournir une force de serrage dynamique, compense les différences de dilatation thermique pendant l'impression et empêche les structures à parois minces de 3 m × 2 m-de se déformer de plus de ± 0,3 mm.
Technologie de traitement thermique local : Le chauffage par induction ou le traitement thermique local au laser est utilisé sur les grandes pièces pour éviter qu'elles ne se déforment lorsqu'elles sont entièrement chauffées. Par exemple, un certain support d'aviation a atteint une résistance à la traction de 520 MPa et une stabilité dimensionnelle supérieure à ± 0,1 mm grâce à un traitement local par solution.
4, Cas frontière : une nouvelle utilisation de la déformation par traitement thermique
Boeing utilise une solution solide et une technique de traitement de vieillissement dans l'industrie aérospatiale pour rendre les supports d'avion imprimés en 3D plus solides, avec une résistance à la traction de 520 MPa. Dans le même temps, la conception de pré-déformation maintient la déformation à ± 0,05 mm pour répondre à des normes aérodynamiques strictes.
Implants médicaux : Une certaine entreprise a mis au point une nouvelle façon de fabriquer des cupules acétabulaires en alliage de titane en combinant le « recuit de soulagement des contraintes » avec la « gravure à l'acide ». Ce processus élimine les contraintes internes par recuit puis crée une structure microporeuse d'une taille de 5 à 10 μm par gravure acide. Cela aide les cellules osseuses à se développer sans modifier la taille des cupules.
Équipements énergétiques : Siemens Energy fabrique des aubes de turbines à gaz en utilisant la technologie de cristallisation directionnelle HIP+. Cela rend le matériau dense à 99,95 % et le rend 40 % plus résistant au fluage. Il peut fonctionner pendant 100 000 heures sans changer de forme à une température de 1 200 degrés.