Leitfaden zur Nachbearbeitung von 3D-Drucken: Tempern

Was ist Glühen?

In der traditionellen Fertigung bezeichnet Glühen ein Wärmebehandlungsverfahren, mit dem die physikalischen und mitunter auch die chemischen Eigenschaften eines Werkstoffs, meist eines Metalls, verändert werden, um dessen Duktilität zu erhöhen und seine Härte zu verringern. Dabei wird das Metall auf eine bestimmte Temperatur erhitzt, diese Temperatur für eine bestimmte Zeit gehalten und anschließend langsam abgekühlt.

Beim Glühen, einer Nachbearbeitungstechnik im 3D-Metalldruck, werden die physikalischen Eigenschaften der 3D-gedruckten Metallteile verbessert. Dabei wird das Metallteil auf eine bestimmte Temperatur knapp unterhalb seines Schmelzpunktes erhitzt und anschließend langsam abgekühlt. Ziel des Glühens ist es, innere Spannungen abzubauen, 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. Durch Glühen lassen sich Spannungen abbauen und die Duktilität verbessern.

● Titan: Titan ist bekannt für sein hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis. Durch das Glühen von Titanbauteilen lassen sich deren Dauerfestigkeit und die allgemeine Zähigkeit verbessern.

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

● Nickellegierungen: Diese Legierungen, wie beispielsweise Inconel, werden aufgrund ihrer außergewöhnlichen Hitze- und Korrosionsbeständigkeit eingesetzt. Durch Glühen lässt sich ihre Leistungsfähigkeit in extremen Umgebungen optimieren.

● Kobalt-Chrom: Kobalt-Chrom wird häufig für medizinische Implantate und Luft- und Raumfahrtkomponenten verwendet. Durch Glühen kann seine Verschleißfestigkeit und Biokompatibilität verbessert werden.

Bildquelle: Rapids Reproduction

Wann sollte man Glühen anwenden?

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

● Verbesserte Duktilität: Wenn ein Bauteil einer nachfolgenden mechanischen Bearbeitung wie Biegen oder Formen bedarf, kann Glühen seine Duktilität erhöhen und somit die Wahrscheinlichkeit von Rissen oder Brüchen während dieser Vorgänge verringern.

● Erhöhte Zähigkeit: Bei Anwendungen, bei denen Teile Stößen ausgesetzt sind oder Energie absorbieren müssen, wie z. B. bei Automobil- oder Luftfahrtkomponenten, kann durch Glühen die Zähigkeit erhöht und eine bessere Bruchfestigkeit erzielt werden.

● Verfeinertes Mikrogefüge: Durch den Glühprozess kann das Mikrogefüge des Metalls homogenisiert werden, was zu verbesserten und gleichmäßigen Materialeigenschaften im gesamten Bauteil führt.

● Erhöhte Festigkeit: Bestimmte Metalle lassen sich durch Kaltverfestigung härten. Glühen kann als Zwischenschritt eingesetzt werden, um das Material vor der weiteren Festigung durch zusätzliche Kaltverfestigung zu erweichen.

● Thermische Stabilität: Bauteile, die bei erhöhten Temperaturen betrieben werden, profitieren vom Glühen, da dadurch ihre thermische Stabilität und Kriechfestigkeit erhöht werden können.

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

Bildquelle: Rapid Metals

Wie funktioniert das Glühen?

Erhitzen: Das Metallteil wird auf eine Temperatur erhitzt, bei der sich seine Atome freier bewegen können, die aber unterhalb des Schmelzpunktes liegt. Diese Temperatur wird oft als Rekristallisationstemperatur bezeichnet.

Einweichen: Das Bauteil wird für eine bestimmte Zeit bei dieser Temperatur gehalten, damit sich die Atomstruktur neu anordnen kann. Dieser Schritt ist entscheidend für die Gleichmäßigkeit des Prozesses.

Abkühlung: Das Bauteil wird anschließend langsam, typischerweise mit kontrollierter Geschwindigkeit, abgekühlt. Durch diese langsame Abkühlung können sich im Metall neue, kleinere und gleichmäßigere Körner bilden, was zu verbesserten Materialeigenschaften führt.

Bildquelle: tec-science

Glühphasen

Der Glühprozess umfasst im Allgemeinen drei Hauptphasen:

Erholungsphase

In dieser ersten Phase wird das Material auf eine niedrigere Temperatur erwärmt, um innere Spannungen abzubauen, ohne die Gesamtstruktur zu verändern. Bei Metallen werden dadurch Versetzungen reduziert, und bei Kunststoffen werden die durch den schichtweisen Aufbau beim 3D-Druck entstehenden Spannungen gemildert.

Rekristallisationsphase

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

Getreidewachstumsstadium

Nach der Rekristallisation wird das Material entweder auf hoher Temperatur gehalten oder langsam abgekühlt, wodurch neue Körner wachsen können. Ziel ist es, die Korngröße zu kontrollieren, da größere Körner die Duktilität von Metallen verbessern und die Sprödigkeit von Kunststoffen verringern können. Übermäßiges Kornwachstum kann jedoch zu schwächeren Werkstoffen 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 Last sind.

2. Verbesserte Wärmebeständigkeit: Durch das Verfahren kann die Wärmebeständigkeit der Materialien verbessert werden, sodass geglühte Teile höheren Temperaturen standhalten können, ohne ihre Form zu verlieren.

3. Spannungsabbau: Durch das Glühen werden innere Spannungen abgebaut, die während des Druckprozesses entstehen, wodurch das Risiko von Verformungen oder Rissen verringert wird.

4. Bessere Dimensionsstabilität: Nach dem Glühen unterliegen die Teile im Laufe der Zeit weniger Dimensionsänderungen und behalten ihre beabsichtigte Form und Größe bei.

5. Verfeinertes Mikrogefüge: Die Wärmebehandlung kann zu einem gleichmäßigeren Korngefüge bei Metallen und einer geordneteren Molekülanordnung bei Thermoplasten führen.

Nachteile

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

2. Verformungsgefahr: Wird der Erwärmungsprozess nicht sorgfältig gesteuert, kann er dazu führen, dass sich Teile verziehen oder Details verloren gehen, insbesondere bei komplexen Geometrien.

3. Geräteanforderungen : Eine genaue Temperaturregelung ist für ein erfolgreiches Glühen unerlässlich und erfordert den Einsatz präziser Öfen oder Brennöfen.

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

5. Geschick und Wissen: Für ein ordnungsgemäßes Glühen ist ein gutes Verständnis der Materialeigenschaften und des Glühprozesses erforderlich, was für Anfänger eine Hürde darstellen kann.

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