浅析为什么3D打印组件要进行热处理工艺？

南极熊导读：增材制造通常被称为3D打印，作为一种可行的原型制作技术和可定制高复杂结构的组件，而越来越受欢迎。本文将浅析3D打印组件为什么需要热处理。

△金属3D打印制造过程示意图

热处理对金属3D打印部件的作用
金属3D打印元件在制造后通常需要经过热处理工艺。尤其是在航空航天和军工领域，对零件的性能有着非常严格的要求。它减少了制造过程中形成的内应力并改变了元件的形态。这种微观结构的改变会改变某些属性，例如韧性、硬度等。

为消除金属3D打印部件的孔隙率，需要一种被称为热等静压(HIP)的热处理技术。

热等静压需要将3D打印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。随着压力的增加，同时保持非常高的温度，超过了组件的屈服强度。通过快速淬火，更复杂的HIP变体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。

△提高聚合物3D打印部件的机械性能的研究:抗压强度的样本平均值

热处理对聚合物3D打印零件有什么作用？
通过3D打印技术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。

通过已发表在《聚合物》杂志上的最新研究表明，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位置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%。彻底热处理的水平排列样品的杨氏弹性模量增加了 13.3%，杨氏弹性模量增加了 22.1%。

根据破坏性压缩测试显示抗压强度值显着提高，热处理试样的压缩应力高达118 MPa。

结果表明，采用热处理工艺，聚合物3D打印组件的拉伸强度显着增加。

△带有泵、FFF元件、真空计、真空计显示控制器和USB摄像头的实验装置

热处理用于真空系统的3D打印聚丙烯零件
根据《制造与材料加工杂志》上的最新研究成果，调查了热处理工艺在真空条件下封装3D打印聚丙烯的可行性。发现热处理对于封装过程非常有效。

热处理使每个重叠部分达到的最小压力减少了一半以上。最大重叠度和热处理产生了最好的性能。以98%的填充物重叠率打印的部件，在热处理后密封的15次迭代中，平均为0.4m Torr，95%的置信区间为0.2m Torr。

发现使用设置为400摄氏度，55秒的热风枪来密封易受真空影响的表面是成功的，并提高了所达到的最小真空压力。这些结果证实了3D打印部件适用于真空系统。

△碳纤维复合材料3D打印机系统

热处理是否会影响3D打印组件尺寸的稳定性？
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。该3D打印技术基于熔丝制造(FFF)方法，也被称为连续长丝制造(CFF)。

CCFRC和S-CCFRC分别是用于集中CCF层和分离CCF层增强样品的名称。在100°C和150°C的热加工后，CCFRC具有优越的拉伸性能，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%。

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的热处理提高了样品的尺寸稳定性。

△聚乳酸似乎是一种比化石燃料衍生的聚合物更环保的替代品

热处理对聚乳酸零件的影响
熔融沉积成型(FDM)是一种流行的3D打印技术，其中聚乳酸(PLA)是使用最广泛的材料。研究人员在《聚合物》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。

采用直径1.75 mm的PLA纤维长丝进行3D打印。x-z制造结构、喷嘴温度为190℃以防止试样破裂、制造速度为90 mm/s和涂层厚度为0.3 mm是评估数据中的最佳参数。

对使用这些设置制造的样品进行75°C的热后处理，导致弯曲时的最大力略有增强。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。

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。

参考文献和延伸阅读
Mayville, P.J等人(2022)年。题目为“用于真空系统的3D打印聚丙烯零件的热后处理”https ://doi.org/10.3390/jmmp6050098（传送门）
Chalgham, A等人(2021)年。题目为“FDM打印的PLA零件在热处理前后的机械性能”https ://doi.org/10.3390/polym13081239（传送门）
Wang, K等人(2021)年。题目为“热处理对3D打印连续碳纤维增强复合材料尺寸稳定性和力学性能的影响”https ://doi.org/10.1016/j.compositesa.2021.106460（传送门）
Amza, C.G等人(2021)年。题目为“增强聚合物3D打印部件的机械性能”https ://doi.org/10.3390/polym13040562（传送门）