3D プリントされたコンポーネントを熱処理する理由

はじめに: 一般的に 3D プリンティングと呼ばれる付加製造 (AM) は、複雑な構造の高度にカスタマイズされたコンポーネントを実現可能なプロトタイピング技術として人気が高まっています。 Antarctic Bear はここで 3D プリントされたコンポーネントの熱処理について説明しています。見てみましょう。

3D 金属部品の熱処理の効果<br /> 金属 3D プリント部品は通常、製造後に熱処理工程を経る必要があります。製造中に形成される内部応力を軽減し、部品の微細構造を変えることができます。この微細構造の変化により、靭性、硬度などの特定の特性も変化します。 3D プリントされた金属部品を完全に高密度化して多孔性を減らす方法の 1 つは、熱間等方圧プレス (HIP) です。

HIP プロセスでは、3D 製品を圧力容器に入れ、不活性ガス (通常はアルゴン) を充填する必要があります。圧力が高まり、高温を維持しながら部品の降伏強度を超える可能性があります。より複雑な HIP プロセスでは、調整可能な冷却および加熱速度と圧力レベルを採用し、急速冷却によって処理されたコンポーネントの品質と引張特性を正確に調整します。

ポリマー 3D プリント部品の熱処理はどのような効果をもたらしますか?
3D プリント技術は、さまざまな複雑な形状を正確に生成できますが、熱による後処理が必要になるという大きな欠点があります。これらの 3D プリント部品の機械的特性は、射出成形で製造された部品に比べて劣ります。コーティングされたフィラメントと積層層間の接着が不十分だと、3D プリントされたコンポーネントの機械的特性が低下する可能性があります。

ポリマー誌に掲載された最新の研究は、機械的特性、特に引張強度と圧縮強度の向上に焦点を当てています。研究者らは研究に直径1.75mmのPETGフィラメントを使用した。結果は、ポリマー 3D プリント部品の引張強度が熱処理後に大幅に増加したことを示しました。具体的な結果は、熱処理された部品は優れた引張強度を有することです。完全に処理された部品は、未処理のサンプルよりも水平方向に 41.1% 強く、対照群よりも垂直方向に 143.9% 強くなります。破壊圧縮試験では、熱処理された試験片の圧縮強度値が大幅に向上し、圧縮応力が最大 118 MPa に達することが示されました。この研究では、ポリマー材料の製造後の熱処理のプラスの効果が明らかにされました。

△圧縮強度のサンプル平均値。研究: ポリマー 3D プリント部品の機械的特性の改善オリジナルリンク: https://doi.org/10.3390/polym13040562

真空システム用の 3D プリントされたポリプロピレン部品の熱処理『Journal of Manufacturing and Materials Processing』に掲載された最近の研究では、熱処理プロセスを適用して、真空条件下で 3D プリントされたポリプロピレンをカプセル化する可能性を調査しました。研究では、熱処理がカプセル化プロセスに非常に効果的であることがわかりました。

研究者らは、98 パーセントの充填オーバーラップで印刷され、熱処理後に密封された部品の 15 回の反復で、平均 0.4 mTorr、95 パーセント信頼区間 0.2 mTorr を発見しました。研究では、真空に敏感な表面を密封するためにヒートガンを400℃で55秒間使用すると、達成可能な最小真空圧が上昇し、成功することが判明した。

△ 各フィラーオーバーラップ率における加熱前後の最終圧力と 95% 信頼区間オリジナルリンク: https://doi.org/10.3390/jmmp6050098

熱処理は 3D プリント部品の寸法安定性に影響しますか?
研究者らは、3D プリントされた連続炭素繊維 (CCF) 強化複合材料の安定性と引張特性に対する熱処理の影響を調査した研究を Composites Part A に発表しました。印刷層の形態変化と分散を利用して、サンプルの寸法安定性を評価しました。 3D 印刷技術は、連続フィラメント製造 (CFF) として知られる溶融フィラメント製造 (FFF) 方式に基づいています。

C-CCFRC と S-CCFRC は、それぞれ濃縮 CCF 層と分離 CCF 層で強化されたサンプルに使用される名前です。 100°C および 150°C で熱処理した後、CCFRC は優れた引張特性を示しましたが、寸法安定性は 100°C の方が優れており、特に S-CCFRC ではその傾向が顕著でした。マトリックスの結晶化度は、未処理サンプルの 17.42% から、100 ℃ で熱処理した後のサンプルでは 22.76% に増加し、30.65% 増加しました。また、100°C および 200°C での熱処理により、試験片の透過性が低下することも判明しました。熱処理後のマトリックスの透過性が低下する傾向は、そのサイズの変化に比例します。したがって、100 °C までの熱処理により、サンプルの寸法安定性が大幅に向上します。

△異なる層数分布を持つCCFRCの熱変形図：熱処理前の（a）C-CCFRCと（b）S-CCFRC、200℃で4時間熱処理した後の（c）C-CCFRCと（d）S-CCFRC。
オリジナルリンク: https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2021.106460

PLA 部品に対する熱処理の効果は何ですか?
FDM (熱溶解積層法) は人気の高い積層造形技術で、最も広く使用されている材料は PLA です。『Polymers』誌に掲載された最新の研究で、研究者らは熱処理後の3点曲げ試験と、構築方向、層の厚さ、速度の変化によるPLA部品の性能を評価した。

研究者らは直径1.75mmのPLAフィラメントを使用した。 xz製造構成、試料の破損を防ぐためのノズル温度190°C、最適な印刷パラメータは速度90 mm/s、層厚0.3 mmでした。これらのセットアップを使用して製造されたサンプルは、75°C で熱処理後処理され、曲げ応力の増加が示されました。最後に、結果は、熱処理中の弾性変形と回復が最大力を大幅に制限しないことを示しています。研究によると、矯正器具を平らな形で 3D プリントし、それをひねって体の必要な部分に合わせて調整することが可能だという。

△印刷された指装具（a）印刷後、（b）指に巻き付けた後。
オリジナルリンク: https://doi.org/10.3390/polym13081239

要約すると、熱処理は 3D プリント部品の機械的特性、寸法安定性、光学特性の向上に役立ちます。

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