Leitfaden zur Nachbearbeitung beim 3D-Druck: Glühen

Was ist Glühen?

In der traditionellen Fertigung bezeichnet Glühen einen Wärmebehandlungsprozess, der die physikalischen und manchmal auch chemischen Eigenschaften eines Materials, meist Metall, verändert, um seine Duktilität zu erhöhen und seine Härte zu verringern. Bei diesem Prozess wird das Metall auf eine bestimmte Temperatur erhitzt, diese Temperatur für einen bestimmten Zeitraum gehalten und anschließend langsam abgekühlt.

Das Glühen ist im 3D-Metalldruck eine Nachbearbeitungstechnik zur Verbesserung der physikalischen Eigenschaften der 3D-gedruckten Metallteile. Dabei wird ein 3D-gedrucktes Metallteil auf eine bestimmte Temperatur knapp unterhalb seines Schmelzpunkts erhitzt und anschließend langsam abgekühlt. Das Glühen zielt darauf ab, innere Spannungen zu reduzieren, die Festigkeit zu erhöhen und die Dimensionsstabilität zu verbessern.

Bildquelle: Rapid Metals

Welche 3D-gedruckten Metallteile können geglüht werden?

● Edelstahl: Edelstahlteile werden häufig wegen ihrer Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit verwendet und können geglüht werden, um Spannungen abzubauen und die Duktilität zu verbessern.

● Titan: Titanteile sind für ihr hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht bekannt. Durch das Glühen können ihre Ermüdungsbeständigkeit und allgemeine Zähigkeit verbessert werden.

● Aluminium: Leichte und vielseitige Aluminiumteile können geglüht werden, um ihre Verarbeitbarkeit zu verbessern und das Risiko von Rissen bei der Weiterverarbeitung zu verringern.

● Nickellegierungen: Diese Legierungen, wie z. B. Inconel, werden aufgrund ihrer außergewöhnlichen Hitze- und Korrosionsbeständigkeit verwendet. Durch Glühen kann ihre Leistung in extremen Umgebungen optimiert werden.

● Kobalt-Chrom: Kobalt-Chrom wird häufig in medizinischen Implantaten und Luft- und Raumfahrtkomponenten verwendet. Durch Glühen kann die Verschleißfestigkeit und Biokompatibilität verbessert werden.

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Wann sollte Tempern angewendet werden?

● Spannungsabbau: Nach dem 3D-Druck enthalten Metallteile aufgrund der schnellen Abkühlung und Verfestigung des Materials häufig Restspannungen. Durch Glühen werden diese Spannungen abgebaut und Verformungen und Verzug vermieden.

● Verbesserte Duktilität: Wenn ein Teil anschließend mechanisch bearbeitet werden muss, beispielsweise gebogen oder geformt werden muss, kann durch Glühen seine Duktilität erhöht werden, sodass es bei diesen Vorgängen weniger wahrscheinlich reißt oder bricht.

● Verbesserte Zähigkeit: Bei Anwendungen, bei denen Teile Stößen ausgesetzt sind oder Energie absorbieren müssen, wie etwa bei Automobil- oder Luftfahrtkomponenten, kann das Glühen die Zähigkeit erhöhen und so für eine bessere Bruchfestigkeit sorgen.

● Verfeinerte Mikrostruktur: Der Glühprozess kann die Mikrostruktur des Metalls homogenisieren, was zu verbesserten und konsistenten Materialeigenschaften im gesamten Teil führt.

● Erhöhte Festigkeit: Bestimmte Metalle können durch Kaltverfestigung gehärtet werden. Glühen kann als Zwischenschritt verwendet werden, um das Material weicher zu machen, bevor es durch zusätzliche Kaltverfestigung weiter verstärkt wird.

● Thermische Stabilität: Teile, die bei erhöhten Temperaturen betrieben werden, können vom Glühen profitieren, da es ihre thermische Stabilität und Kriechfestigkeit erhöhen kann.

● Maßgenauigkeit: Durch Glühen kann auch die Maßgenauigkeit eines Teils verbessert werden, indem es vor der endgültigen Bearbeitung oder Endbearbeitung eine stabile Größe und Form erreicht.

Bildquelle: Rapid Metals

Wie funktioniert das Glühen?

Erhitzen: Das Metallteil wird auf eine Temperatur erhitzt, bei der sich seine Atome freier bewegen können, die jedoch unter dem Schmelzpunkt liegt. Diese Temperatur wird oft als Rekristallisationstemperatur bezeichnet.

Einweichen: Das Teil wird für einen bestimmten Zeitraum bei dieser Temperatur gehalten, damit sich die Atomstruktur neu anordnen kann. Dieser Schritt ist entscheidend für die Gleichmäßigkeit des Prozesses.

Abkühlen: Das Teil wird dann langsam, typischerweise kontrolliert, abgekühlt. Durch die langsame Abkühlung können sich im Metall neue Körner bilden, die kleiner und gleichmäßiger sind, was zu verbesserten Materialeigenschaften führt.

Bildquelle: tec-science

Glühstufen

Der Glühprozess umfasst im Allgemeinen drei Hauptphasen:

Erholungsphase

In dieser ersten Phase wird das Material auf eine niedrigere Temperatur erhitzt, um innere Spannungen abzubauen, ohne die Gesamtstruktur zu verändern. Bei Metallen reduziert es Versetzungen, und bei Kunststoffen beginnt es, die durch den Schichtaufbau des 3D-Drucks verursachten Spannungen abzubauen.

Rekristallisationsphase

In dieser Phase wird das Material auf eine höhere Temperatur erhitzt, was zur Bildung neuer, spannungsfreier Körner führt. Bei Metallen bedeutet dies die Entwicklung einer neuen Kornstruktur, die die deformierten Körner ersetzt.

Kornwachstumsphase

Nach der Rekristallisation wird das Material bei hoher Temperatur gehalten oder langsam abgekühlt, wodurch neue Körner entstehen können. Ziel ist die Kontrolle der Korngröße, da größere Körner die Duktilität von Metallen verbessern und die Sprödigkeit von Kunststoffen verringern können. Übermäßiges Kornwachstum kann jedoch zu schwächeren Materialien führen.

Bildquelle: Mechdaily

Vor- und Nachteile des Glühens

Vorteile

1. Verbesserte mechanische Eigenschaften: Geglühte Teile weisen eine erhöhte Festigkeit und Steifigkeit auf, wodurch sie haltbarer und weniger anfällig für Verformungen unter Belastung sind.

2. Verbesserte Wärmebeständigkeit: Das Verfahren kann die Wärmestabilität von Materialien verbessern, sodass geglühte Teile höheren Temperaturen standhalten können, ohne ihre Form zu verlieren.

3. Spannungsabbau: Durch das Glühen werden die während des Druckvorgangs entstehenden inneren Spannungen abgebaut, wodurch das Risiko von Verformungen oder Rissen verringert wird.

4. Bessere Dimensionsstabilität: Nach dem Glühen ist es weniger wahrscheinlich, dass sich die Abmessungen der Teile im Laufe der Zeit ändern, und sie behalten ihre beabsichtigte Form und Größe.

5. Verfeinerte Mikrostruktur: Die Wärmebehandlung kann zu einer gleichmäßigeren Kornstruktur bei Metallen und einer geordneteren Molekülanordnung bei Thermoplasten führen.

Nachteile

1. Zeitaufwendig: Der Glühprozess erfordert zusätzliche Zeit, da die Teile langsam erhitzt und abgekühlt werden müssen, um die gewünschten Effekte zu erzielen.

2. Verformungspotenzial: Wenn der Erhitzungsprozess nicht sorgfältig gesteuert wird, kann er dazu führen, dass sich Teile verziehen oder Details verlieren, insbesondere bei komplexen Geometrien.

3. Anforderungen an die Ausrüstung : Eine genaue Temperaturkontrolle ist für ein erfolgreiches Glühen unerlässlich und erfordert die Verwendung präziser Öfen oder Brennöfen.

4. Eingeschränkte Materialeignung: Nicht alle 3D-Druckmaterialien eignen sich zum Glühen, und manche profitieren möglicherweise überhaupt nicht von diesem Verfahren.

5. Fähigkeiten und Kenntnisse: Richtiges Glühen erfordert ein gutes Verständnis der Materialeigenschaften und des Glühprozesses, was für Anfänger ein Hindernis darstellen kann.

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