8 کاربرد چاپ سه بعدی فلزی

آخرین به روزرسانی

مقدمه

استفاده تجاری از خدمات چاپ سه بعدی فلزی در اکثر صنایع با ارزش، به طور گسترده پذیرفته شده است. حتی قطعات فلزی سفارشی پیچیده نیز نسبتاً ساده، تولید می‌شوند.

روش‌های متعددی برای چاپ سه بعدی اشیاء فلزی وجود دارد. شناخته‌شده‌ترین آن‌ها، همجوشی پودر بستر (PBF) نام دارد. این اصطلاح کلی شامل ذوب پرتوی الکترونی (EBM)، همجوشی مستقیم لیزری فلز (DMLS) و همجوشی انتخابی لیزری (SLS) و برخی دیگر می‌شود.

هر تکنیک، پودر فلز را لایه به لایه در یک بستر پودر سست، ذوب یا جوش می‌دهد. فناوری جدیدتر، رسوب انرژی مستقیم (DED) است که پودر فلز (پودر DED) یا سیم فلزی (سیم DED) را به طور مستقیم از طریق نازل‌ها اعمال می‌کند. رویکرد سوم، جت‌ بایندر است که بستر پودر را با چسبی پیوند می‌دهد که بعداً در مرحله پس‌پردازش پخت، سوزانده می‌شود و تنها فلز جامد باقی می‌ماند. رویکردی که به طور فزاینده‌ای رایج است، استفاده از ساخت رشته‌ای فیوژن یا مدل‌سازی رسوب فیوژن (FFF/FDM) برای چاپ قطعات از پودرهای فلزی با پایه پلیمری است که بعداً برای ساخت اجزای فلزی با چگالی بالا و استحکام کامل، پخت می‌شوند.

این فرایندها مزایایی مانند انعطاف‌پذیری طراحی، حداقل ضایعات و توانایی ایجاد ساختارهای پیچیده هندسی و سبک‌وزن را ارائه می‌دهند. در حالی که این فناوری‌ها قدرتمند هستند، کنترل کیفیت دقیق و نظارت بر یکپارچگی مواد بسیار مهم است.

هشت کاربرد رایج چاپ سه بعدی فلز

1. ابزارهای سفارشی

چاپ سه بعدی فلز، انقلابی آرام در ساخت ابزارهای سفارشی(Custom Tools) در بسیاری از بخش‌های صنعت ایجاد کرده است. شما می‌توانید به سرعت و به سادگی چندین عملکرد را ادغام کنید، کارهای دشوار را ساده کنید و عملکرد تولید و نگهداری را با چاپ سه بعدی ابزارها بهبود بخشید. در بخش‌هایی به تنوع نگهداری موتور جت و ابزار جراحی، ابزارهای سفارشی چاپ شده سه بعدی فلز مزایایی مانند قابلیت افزایش‌یافته، افزایش بهره‌وری و کاهش هزینه‌ها را ارائه می‌دهند. با بهبود قیمت‌ها و دسترسی، طیف گسترده‌ای از کاربردها به صورت تصاعدی در حال رشد است.

2. ابزار انتهای بازو

ابزار انتهای بازوی چاپ شده سه بعدی فلزی (EoAT – End-of-Arm Tooling) یک کاربرد فزاینده گسترده و ارزشمند از ساخت افزودنی فلز است. EoAT توصیف کلی الحاقات تخصصی، محرک‌ها یا ابزارآلات در انتهای بازوهای/محرک‌های ربات است. این ابزارها برای تعامل با اشیاء طراحی شده‌اند. EoAT می‌تواند شامل سنسورها، دوربین‌ها و سایر تجهیزات خاص کاربردی باشد که به عملکردهای خودکار اجازه می‌دهد تا با دنیای واقعی ارتباط برقرار کنند.

دستگاه‌های EoAT فلزی چاپ شده سه بعدی در بخش‌هایی مانند تولید، جراحی و نگهداری مداری که ربات‌ها و اتوماسیون در آن‌ها اهمیت فزاینده‌ای پیدا کرده‌اند، حیاتی هستند. تطبیق ابزارهای چاپ شده با وظایف در حال تکامل سریع‌تر و آسان‌تر است. و این کار را می‌توان به روشی ساده، کارآمد و مقرون به صرفه انجام داد.

3. قطعات کم‌حجم و تخصصی

چاپ سه بعدی فلز یک روش ایده‌آل برای تولید تعداد کمی از قطعات تخصصی در طیف گسترده‌ای از صنایع است. بخش‌هایی به تنوع مهندسی ماشین های مسابقه، توسعه ماهواره، بازسازی عتیقه و ابزار پزشکی از فرآیندهای ساخت افزودنی فلز بهره‌مند می‌شوند. قطعات سفارشی طیف بسیار متنوعی از نیازهای فوری و حساس به هزینه را برطرف می‌کنند.

چاپ سه بعدی فلز دقیق است، آزادی طراحی قابل توجهی به شما می‌دهد و لجستیک را ساده می‌کند. حتی با حجم تولید کم. این امر به تولیدکنندگان و طراحان اجازه می‌دهد از طرح‌های عجیب و غریب استفاده کنند که نیازهای مونتاژ را ساده می‌کند.

4. ایمپلنت‌های جراحی و دندانپزشکی

چاپ سه بعدی فلز برای درمان آسیب نخاعی، پروتزهای مفصلی، بازسازی آسیب و ایمپلنت‌ها/پل‌های دندانپزشکی یک نعمت بوده است. توانایی ساخت هندسه‌های پیچیده و سفارشی در مواد زیست‌سازگار، آماده‌سازی برای درمان را تسریع می‌کند. ایمپلنت‌ها نه تنها بهتر جا می‌افتند، بلکه جراحی‌های کاشت سریع‌تر انجام می‌شوند زیرا پزشکان نیازی به صرف زمان زیاد برای تطبیق قطعات با بدن بیمار ندارند. مزیت دیگر برای ادغام بافت نرم یا استخوان است. بافت‌ها می‌توانند در ساختارهای ایمپلنت متخلخل رشد کرده و با آن ادغام شوند.

چاپ سه بعدی فلز به طور مستقیم در گردش کارهای دیجیتالی ادغام می‌شود که با اسکن‌های سه‌بعدی پزشکی مانند تصویربرداری رزونانس مغناطیسی(MRI) آغاز می‌شود. اسکن‌ها داده‌های بیمار را به فرآیندهای دقیقی تغذیه می‌کنند که می‌توانند مستقیماً تولید را آغاز کنند.

ایمپلنت‌های جراحی و دندانپزشکی تولید شده از طریق چاپ سه بعدی فلز، نتایج بهتر بیمار، زمان جراحی و راه‌حل‌های منحصر به فرد بیمار را نسبت به سایر روش‌ها ارائه می‌دهند. این دنباله از فناوری‌ها با راه‌حل‌های بیمار محور، زمینه پزشکی و ایمپلنت دندان را متحول می‌کند.

5. جواهرات و هنرهای تزئینی

چاپ سه بعدی فلز در حال تأثیرگذاری بر زمینه‌های جواهرات و هنرهای تزئینی است. هنرمندان می‌توانند قطعات منحصر به فرد، پیچیده و شخصی‌سازی شده طراحی کنند. اکنون امکان تولید اشیاء کامل، منحصر به فرد، پیچیده و دقیق به روش‌های سریع و قابل تکرار وجود دارد که هزینه کمتری نسبت به فرآیند تولید دستی ماهرانه دارند. همه اینها به حداقل ضایعات مواد، انتخاب گسترده‌تر مواد، تفسیر مجدد کمتر طراحی و هزینه‌های پایین منجر می‌شود. فراتر از منافع تجاری خالص، چاپ سه بعدی فلز اکنون برای تکثیر مصنوعات تاریخی یا بازسازی اقلام آسیب‌دیده با دقت بالا نیز استفاده می‌شود.

6. براکت‌های پیچیده

هنگامی که اجزا و دستگاه‌های مختلف باید به یکدیگر متصل شوند، اغلب به براکت‌های تخصصی نیاز دارید. آن‌ها می‌توانند به شکل براکت‌های قفسه ساده، نقاط نصب در ایستگاه فضایی بین‌المللی، اتصال جراحی ستون فقرات و بسیاری از موارد دیگر باشند. صرف نظر از اینکه تمرکز بر سرعت تولید، پیچیدگی یا استحکام باشد، اگر هدف سفارشی‌سازی است، آنگاه قطعات چاپ شده سه بعدی به گزینه اصلی تبدیل می‌شوند.

7. نمونه‌های اولیه فلزی کاربردی

چاپ سه بعدی قطعات فلزی در ساخت نمونه‌های اولیه کوچک کاربردی بسیار مهم است. آن‌ها شامل همه چیز از اتصالات کنترل اتومبیل‌های مسابقه‌ای تا قطعات جعبه دنده دست مصنوعی و اتصالات مبلمان تا گیره‌های رباتیک می‌شوند. این تکنیک “فلز فوری”(instant metal) پتانسیل بالایی برای تسریع فرآیند توسعه و آزمایش محصول دارد.

در حالی که دقت ابعادی برای قطعات کوچک می‌تواند خوب باشد، پرداخت‌های سطحی چاپ شده اغلب درشت هستند. ماشین‌کاری بعدی معمولاً برای قطعات متحرک مانند یاتاقان‌ها و سطوح دنده مورد نیاز است. پاسخ قطعات به سایش به فرآیند چاپ بستگی دارد، بنابراین قبل از انتخاب یک روش باید روش‌های چاپ را با دقت ارزیابی کنید.

برای قطعات کاربردی بزرگ‌تر، اقتصاد چاپ سه بعدی متفاوت است. هزینه قطعات با اندازه به طور نامتناسبی افزایش می‌یابد. با این حال، فرآیندهای با وضوح پایین‌تر و درشت‌تر هنوز می‌توانند قطعات قابل استفاده‌ای تولید کنند که حساسیت به هزینه محرک اصلی نیست.

8. قطعات یدکی و منسوخ شده

قطعات فلزی چاپ شده سه بعدی نقش مهمی در تعویض یا بازسازی قطعات دارند. آن‌ها اغلب اجزای سازنده ساختمان‌های قدیمی مانند اسلحه‌های آتشین قدیمی، اتومبیل‌ها یا هواپیما هستند.

مزایای چاپ سه بعدی فلزی چیست؟

چاپ سه بعدی فلز دارای مزایای چشمگیری است، به ویژه با توجه به افزایش دسترسی‌پذیری این فناوری. در ادامه به برخی از این مزایا اشاره می‌کنیم:

1. چاپ سه بعدی امکان ساخت هندسه‌های بسیار پیچیده و دشواری را فراهم می‌کند که با روش‌های تولید سنتی دستیابی به آن‌ها دشوار و حتی غیرممکن است.
2. طراحان آزادی بیشتری در خلق قطعات نوآورانه از جمله ساختارهای مشبک، کانال‌های داخلی و قطعات سبک وزن دارند که در غیر این صورت ماشینکاری آن‌ها امکان‌پذیر نبود.
3. این خانواده از فرایندهای تولید امکان ساخت قطعات کاملاً سفارشی و منحصر به فرد را برای نیازهای خاص فراهم می‌کند. این امر به ویژه در حوزه‌هایی مانند مراقبت‌های بهداشتی (ایمپلنت‌های سفارشی)، هوافضا (قطعات پیچیده موتور) و بازسازی خودرو (قطعات منحصربه‌فرد و منسوخ شده) اهمیت دارد.
4. چاپ، نمونه‌سازی سریع و مقرون به صرفه را تسهیل می‌کند و زمان و هزینه‌های توسعه را کاهش می‌دهد.
5. وزن قطعات را می‌توان با استفاده از ساختارهای مشبک داخلی تنظیم کرد و وزن را در جایی که ارزش افزوده ایجاد نمی‌کند کاهش داد، بدون اینکه به استحکام آن لطمه وارد شود.
6. طیف وسیعی از فلزات و آلیاژها از جمله تیتانیوم، آلومینیوم، فولاد ضد زنگ، برنز و بریلیوم-مس قابل چاپ سه بعدی هستند.
7. مجموعه‌های پیچیده اغلب می‌توانند به قطعات تکی چاپ شده سه بعدی تبدیل شوند که با روش‌های دیگر امکان‌پذیر نیست. حذف پیچیدگی از مونتاژها و انتقال آن به قطعات منفرد تولید شده دیجیتالی می‌تواند مشکلات مونتاژ را کاهش داده و کیفیت/عملکرد محصول نهایی را بهبود بخشد.
8. تولید درخواستی در برخی زمینه‌ها مزیت قابل توجهی است و نیاز به موجودی‌های بزرگ و هزینه‌های ذخیره‌سازی مرتبط را کاهش می‌دهد. به عنوان مثال، استفاده از چاپ قطعات در محل برای مراکز تعمیر نظامی به طور فزاینده‌ای رایج شده است.
9. توانایی ساخت قطعات به صورت افزایشی به جای کاستی، امکان بهینه‌سازی نسبت استحکام به وزن را به شیوه‌ای فراهم می‌کند که در غیر این صورت غیرممکن است.
10. چاپ سه بعدی فلز روشی مقرون به صرفه برای تولید حجم کم از قطعات تخصصی است. اگرچه ممکن است قیمت قطعات به اندازه یا بیشتر از قطعات تولید شده با فرآیندهای کاستی باشد، اما زمان راه‌اندازی و برنامه‌های تحویل می‌توانند یک مزیت چشمگیر باشند.
11. این فرآیند عمدتاً بدون ابزار است و هزینه‌های راه‌اندازی را کاهش می‌دهد.

معایب چاپ سه بعدی فلزی

در ادامه به برخی از معایب چاپ سه بعدی فلز اشاره می‌شود:

1. هزینه‌های بالای سرمایه‌گذاری و عملیاتی: چاپگرهای سه بعدی فلز، به ویژه آن‌هایی که قادر به تولید قطعات بزرگ یا با دقت بالا هستند، تمایل به داشتن هزینه‌های سرمایه‌گذاری و عملیاتی بسیار بالایی دارند. به ویژه هزینه اولیه سرمایه‌گذاری برای کسب‌وکارهایی با تقاضای پایین یا ناپایدار برای چنین تجهیزاتی یک مانع محسوب می‌شود.
2. هزینه بالای مواد اولیه: مواد اولیه مورد استفاده در چاپ سه بعدی فلز مانند پودر فلز یا سیم، اغلب به طور قابل توجهی گران‌تر از مواد اولیه مناسب برای ماشین‌کاری CNC مانند شمش یا ورق هستند.
3. محدودیت در انتخاب آلیاژها: انتخاب آلیاژها نیز محدود است. دلیل این امر آن است که بازار هنوز نسبتا کوچک است و اکثر آلیاژهای تخصصی در فرم‌های مناسب برای این فناوری تولید نمی‌شوند.
4. نیاز به پردازش پس از ساخت: قطعات فلزی چاپ شده اغلب نیاز به پردازش پس از ساخت گسترده دارند، از جمله عملیات حرارتی، پرداخت سطح و ماشین‌کاری برای دستیابی به تلرانس‌های دقیق و مناسب برای کاربری. این نیازمندی‌های ماشین‌کاری در برخی موارد می‌تواند هزینه را تا سطح ماشین‌کاری CNC کاستی افزایش دهد و ارزش پیشنهادی را به شدت تغییر دهد.
5. سرعت پایین تولید: در حالی که زمان راه‌اندازی کوتاه است و نیاز به برنامه‌نویسی یا تجهیزات تخصصی محدود دارد، چاپ سه بعدی فلز در مقایسه با ماشین‌کاری CNC و قالب‌گیری تزریقی فلز برای هر قطعه کندتر است. در واقع، گاهی اوقات حتی از ریخته‌گری نیز زمان بیشتری می‌برد. فراتر از حجم تولید مشخص، روش‌های سنتی مقرون به صرفه‌تر می‌شوند.
6. چالش در تضمین کیفیت: اطمینان از کیفیت و یکنواختی قطعات فلزی چاپ شده سه بعدی حتی برای متخصصان می‌تواند چالش‌برانگیز باشد. تغییرات در پارامترهای چاپ، چسبندگی لایه‌ها و تخلخل ممکن است نیاز به مهارت قابل توجهی برای شناسایی و تشخیص داشته باشد.
7. حجم ساخت محدود: حجم ساخت چاپگرهای سه بعدی فلز می‌تواند محدود باشد. چاپگرهای با دقت بالا معمولاً کوچک هستند.
8. مصرف بالای انرژی: فرآیندهای چاپ سه بعدی فلز به طور کلی انرژی بسیار بیشتری نسبت به معادل‌های معمول CNC برای هر قطعه مصرف می‌کنند.
9. خطرات ایمنی مواد اولیه: پودرهای فلزی مورد استفاده در چاپ سه بعدی در صورت عدم رعایت صحیح ایمنی، خطرات قابل توجهی دارند. این پودرها اساساً نانومواد هستند و در صورت استنشاق می‌توانند عواقب جدی برای سلامتی داشته باشند. مواد استفاده نشده از بستر پودر نیز باید پس از پردازش برای تمیز کردن پودر و بازگرداندن آن به شرایط قابل استفاده مجدد انجام شود.
10. نیاز به نیروی کار ماهر: هزینه‌های نیروی کار عملیاتی برای چاپگرهای سه بعدی فلز بالا است و نیاز به تکنسین‌های ماهر و باتجربه دارد که بتوانند مشکلات را به طور موثر رفع کنند. این مهارت‌ها هنوز گسترده نیستند.

چگونه چاپ سه بعدی در صنعت فلزات کار می‌کند؟

صنعت چاپ سه بعدی فلزات یک بخش پویا با ظرفیت رشد بسیار است. فناوری چاپ سه بعدی می‌تواند قطعات و اجزای فلزی را برای طیف گسترده‌ای از کاربردها تولید کند. شرکت‌ها به طور فزاینده‌ای به دنبال قابلیت‌های چاپ داخلی هستند. با این حال، به دلیل هزینه بالای چاپگرها و تخصص چاپ، تجهیزات باید به صورت ۲۴ ساعته مشغول به کار باشند تا سرمایه‌گذاری توجیه‌پذیر باشد. این امر صنایع را به تمرکز خدمات چاپ خود برای حفظ رقابت‌پذیری سوق داده است. کاربران داخلی معمولاً یا نسبت به هزینه بی‌تفاوت هستند (مانند ناسا و ارتش ایالات متحده) یا با حجم بسیار زیاد و با نیازهای مواد قابل پیش‌بینی و ساده تولید می‌کنند (همانطور که در بخش خودرو وجود دارد).

پیشرفت‌های مداوم در فناوری‌های چاپ سه بعدی فلزی منجر به بهبود مستمر دقت، توان عملیاتی، گزینه‌های مواد و حجم ساخت بالقوه شده است. این پیشرفت‌ها به گسترش قابلیت‌های تولید افزایشی فلز ادامه می‌دهند، اما کاربران را نیز به روز رسانی تجهیزات خود برای بهینه‌سازی کیفیت و بهره‌وری سوق می‌دهند.

بخش چاپ سه بعدی فلزات همچنان در حال گسترش، نوآوری و تغییر روش‌شناسی طراحی است. تعداد فزاینده‌ای از شرکت‌ها و موسسات پتانسیل متحول کردن فرآیندهای تولید و توسعه محصول را تشخیص می‌دهند. این روند با پیشرفت تدریجی فناوری‌های نوظهور در خط تولید و کاهش هزینه‌ها ادامه خواهد یافت.

چگونه چاپ سه بعدی با فناوری فلز کار می‌کند؟

جریان کار چاپ سه بعدی فلزی تقریباً مشابه با پلیمرها است. این فرآیندها عمدتاً از نظر نیازهای انرژی و فرآیندهای پرداخت متفاوت هستند.

با این وجود، فرآیندهای چاپ سه بعدی فلزی به طور قابل توجهی با یکدیگر متفاوت هستند. فرآیند کلی با طراحی آغاز می‌شود. ممکن است به ظرفیت های داخلی یا برون‌سپاری مراجعه کند. به طور کلی، قطعه طراحی شده یا اسکن شده به یک نرم‌افزار برش برای ایجاد فرمت STL لازم که قطعه را به صورت لایه‌ لایه می‌سازد، انتقال داده می‌شود. جهت‌گیری لایه‌ها اغلب تأثیر زیادی بر کیفیت، استحکام و هزینه قطعه دارد. فایل قطعه دیجیتال در یک محیط کنترل مجازی روی یک میز ساخت قرار داده می‌شود و به جهت صحیح تر ساخت فایل STL تنظیم می‌شود.

فرآیند واقعی چاپ سه بعدی می‌تواند اشکال مختلفی داشته باشد، اما نتیجه نهایی یک قطعه چاپ شده آماده برای فرآیند پس‌پردازش خواهد بود. سپس قطعه از دستگاه خارج می‌شود، یا با استخراج آن از بستر پودر یا به عنوان یک جزء مستقل از جمله تکیه‌گاه‌ها. سپس هرگونه تکیه‌گاه و پودر باقیمانده حذف می‌شود. سپس پس‌پردازش بیشتر برای دقت موضعی، پرداخت سطح یا عملیات حرارتی اعمال خواهد شد.

چاپگرهای سه بعدی چگونه می‌توانند فلز را چاپ کنند؟

سه خانواده اصلی فرآیندها بخش چاپ سه بعدی را تشکیل می‌دهند. PBF یا همجوشی بستر پودر(powder-bed fusion)، از لایه‌های متوالی پودر به عنوان محیط ساخت استفاده می‌کند. انرژی برای ذوب انتخابی یا جوشاندن پودر برای تشکیل یک برش از قطعه اعمال می‌شود. پس از جوش خوردن هر برش، یک لایه پودر جدید اضافه و تراز می‌شود تا آن هم بتواند به لایه قبلی جوش بخورد. انرژی جوشکاری تفاوت اصلی در این کلاس است – معمولاً به شکل لیزر یا پرتو الکترونی است.

نوعی از PBF از پودرهای فلزی استفاده می‌کند که با یک عامل چسبنده پوشیده شده‌اند که هنگام گرم شدن برای جوش دادن لایه‌ها ذوب می‌شود. این منجر به یک قطعه “سبز” می‌شود که سپس باید در کوره پخته شود تا ذرات فلز به طور کامل ذوب شوند و عامل چسبنده بسوزد. نوع دیگری از PBF بر اساس پرتاب اتصال‌دهنده است، که در آن پودرها فلز خالص هستند و عامل اتصال‌دهنده برای اتصال ذرات برش به یکدیگر و به برش زیرین به صورت دو بعدی چاپ می‌شود. این نیز منجر به یک قطعه “سبز” می‌شود که برای تکمیل جوش نیاز به پخت دارد.

رسوب انرژی مستقیم(Direct energy deposition) یا (DED) از یک قوس الکتریکی، لیزر یا پرتو الکترونی برای ذوب فلز استفاده می‌کند که مستقیماً به نقطه کاربرد تغذیه می‌شود. برخلاف ماشین‌های PBF، مواد ساخت فقط در ناحیه ساخت اعمال می‌شوند، بنابراین تقریباً تمام مواد اولیه به داخل قطعه جوش داده می‌شوند.

دو کلاس DED وجود دارد. اولی سیم DED است که مشابه جوشکاری MIG است، زیرا مواد اولیه به صورت سیم به منطقه ساخت تغذیه می‌شود و توسط یک قوس DC، لیزر یا تخلیه پرتو الکترونی جوش داده می‌شود. دوم پودر DED است که در آن پودر فلزی مشابه با آنچه در PBF استفاده می‌شود، در نقطه ساخت تغذیه و اعمال می‌شود و با لیزر یا پرتو الکترونی در جای خود جوش داده می‌شود.

دسته سوم فناوری، نسخه اصلاح شده‌ای از سبک‌های چاپ ساخت مدل رسوب فیلامنت(FDM) یا فیوژن است. یک مواد اولیه پلیمری بارگذاری شده با پودر فلز در یک اکسترودر نازل گرم به صورت حرارتی ذوب می‌شود. لایه‌ها از طریق پلیمر به یکدیگر متصل می‌شوند، اما بیشتر خود مواد فلزی است. این فرآیند منجر به یک قطعه “سبز” می‌شود که باید برای جوش دادن ذرات فلز به هم و سوزاندن عامل اتصال پلیمری پخته شود.

چه نوع چاپگرهای سه بعدی برای چاپ سه بعدی فلزی بهترین هستند؟

برای قطعات بزرگ، یکی از دو فرآیند DED معمولاً بهترین انتخاب است. این ممکن است دقت ابعاد کلی را محدود کند، اما دقت مکانی(local precision) معمولاً قابل وصول خواهد بود. قطعات ساخته شده به این روش معمولاً حداقل به اندازه قطعات ساخته شده با روش‌های سنتی قوی هستند و با مزایای لجستیکی و برنامه‌ریزی با چنین روش‌هایی رقابت می‌کنند.

در بسیاری از موارد، چنین قطعاتی تنها به پس‌پردازش محدودی برای حذف تکیه‌گاه‌ها نیاز دارند که منجر به توان عملیاتی سریع می‌شود. سایر فرآیندهای پس از پردازش مانند ماشین‌کاری دقیق می‌توانند بارهای اضافی قابل توجهی اضافه کنند.

برای قطعات کوچک یا با دقت بالا، چاپگرهای PBF معمولاً بهترین هستند. سبکی را انتخاب کنید که تامین‌کنندگان شما می‌توانند آن را تامین کنند و نیازهای مواد شما را برآورده کند.

تمیز کردن پس از فرآیند برای اپراتورها یک خطر سلامتی است. با این حال، در صورت تجهیز مناسب، تمیز کردن کار سریع و ساده‌ای است و معمولاً کارهای بعدی کمی برای انجام وجود دارد. با این حال، راه‌اندازی داخلی نیاز به اختصاص قابل توجه منابع برای توسعه مهارت‌ها و حفظ ایمنی اپراتورها دارد. باز هم، ماشین‌کاری پس از ساخت می‌تواند یک نیاز سنگین باشد که زمان و هزینه را به قطعات اضافه می‌کند. اما در سطح یک‌بار مصرف، چنین اجزایی می‌توانند با گزینه‌های ماشین‌کاری CNC رقابت کنند، به ویژه در مواردی که برنامه زمانی کوتاه حیاتی است.

برای کاربردهای داخلی، تجهیزات PBF هزینه اولیه خرید(CAPEX) پایین‌تر اما هزینه‌های جاری(OPEX) بالاتری نسبت به تجهیزات مشابه DED دارند. نوع FFF/FDM کمترین هزینه اولیه خرید را در بین همه دارد، اما فرآیند پخت پس از ساخت مدیریت آن دشوار است و برای دستیابی به سطح قابل قبولی از دقت به مهارت بالایی نیاز دارد.

CAPEX و OPEX در چاپ سه بعدی فلزی

CAPEX و OPEX دو اصطلاح مهم در حوزه مالی و مدیریت هستند که به طور گسترده در صنایع مختلف، از جمله چاپ سه بعدی فلزی استفاده می‌شوند. این دو اصطلاح به ترتیب به هزینه‌های سرمایه‌ای و هزینه‌های عملیاتی اشاره دارند.

CAPEX (هزینه سرمایه‌ای – Capital Expenditure)

• تعریف: به هزینه‌هایی گفته می‌شود که یک کسب‌وکار برای خرید دارایی‌های ثابت و بلندمدت انجام می‌دهد. این دارایی‌ها معمولاً برای بیش از یک دوره مالی مورد استفاده قرار می‌گیرند و ارزش آنها در ترازنامه شرکت ثبت می‌شود.
• مثال در چاپ سه بعدی فلزی: هزینه خرید یک چاپگر سه بعدی فلز، نرم‌افزارهای تخصصی، تجهیزات جانبی و همچنین هزینه نصب و راه‌اندازی آن.

OPEX (هزینه‌های عملیاتی – Operational Expenditure)

• تعریف: به هزینه‌های روزمره و جاری یک کسب‌وکار گفته می‌شود که برای حفظ عملیات روزانه و تولید محصول یا خدمات مورد نیاز است. این هزینه‌ها معمولاً در صورت سود و زیان شرکت ثبت می‌شوند.
• مثال در چاپ سه بعدی فلزی: هزینه‌های مواد اولیه (پودر فلز، گاز)، هزینه برق مصرفی، هزینه تعمیر و نگهداری تجهیزات، دستمزد پرسنل، هزینه‌های تعمیرات و همچنین هزینه‌های مرتبط با فرآیند پس از ساخت مانند پخت.

چه موادی برای چاپ سه بعدی فلزی استفاده می‌شود؟

رایج‌ترین موادی که برای چاپ سه بعدی فلزی استفاده می‌شوند عبارتند از:

1. آلومینیوم آلیاژی
2. سوپر آلیاژهای نیکل
3. تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم/استیل ضد زنگ
4. کبالت کروم
5. مس
6. برنز
7. اینکونل
8. استیل ضد زنگ 17-4PH و 316L
9. طلا، نقره و پلاتین

مواد قابل استفاده برای چاپ سه بعدی با روش اتصال‌دهنده (Binder Jet) و سپس پخت قطعات فلزی مشابه موادی است که در فرآیندهای همجوشی بستر پودر (PBF) با انرژی بالا و همجوشی درون پروسه استفاده می‌شود. سیم‌های مورد استفاده در رسوب انرژی مستقیم (DED) تنوع بیشتری دارند، بنابراین احتمال یافتن مواد اولیه خاص و کمیاب بیشتر است. دلیل این امر آن است که آماده‌سازی و پردازش سیم‌ها برای این تجهیزات به تخصص خاصی نیاز ندارد. این امر باعث می‌شود مواد مورد استفاده در این روش پردازش نسبتا ارزان باشند. موادی که برای پردازش قطعات فلزی با روش ساخت افزایشی مدل رسوب فیلامنت (FFF/FDM) در دسترس هستند عبارتند از:

1. فولاد ضد زنگ 316L و 17-4PH
2. مس
3. تیتانیوم

آیا چاپ سه بعدی فلزی گران است؟

بله، اکثر جنبه‌های چاپ پرهزینه هستند. راه‌اندازی و تجهیز فرآیند می‌تواند بسیار پرهزینه باشد. ماشین‌های با قابلیت بالا تا چند میلیون دلار هزینه دارند و تجهیزات جانبی و کنترل محیط به هزینه‌ها اضافه می‌شوند. هزینه‌های عملیاتی از نظر نیروی کار ماهر، برق و موجودی مواد نیز سنگین است. ماشین‌های پودری کوچک‌تر و با ظرفیت پایین‌تر می‌توانند هزینه‌های اولیه را کاهش دهند، اما به هیچ وجه ارزان نیستند. تجهیزات DED بزرگ‌تر نیز به همان اندازه گران هستند، اگرچه تجهیزات جانبی کمتری دارند.

تنها روش نسبتاً کم‌هزینه، سبک FFF/FDM است که مدل‌های “سبز” را چاپ می‌کند. این کار حتی می‌تواند روی چاپگرهای رومیزی ساده انجام شود، اگرچه بعداً باید پخته شوند. با این حال، این فرآیند غیرمعمولی است و از فراوانی بالایی برخوردار نیست و برای دستیابی به نتایج مفید از مرحله پخت به تجربه و مهارت قابل توجهی نیاز دارد.

آیا محصولات چاپ شده سه بعدی فلز بادوام هستند؟

بله، به طور کلی، قطعات فلزی چاپ شده سه بعدی بسیار بادوام هستند. به طور معمول، قطعات فلزی با کیفیت چاپ سه بعدی، 80 تا 100 درصد استحکام و دوام فلز جامد را دارا هستند. نتیجه نهایی این است که قطعات فلزی چاپ شده سه بعدی را می‌توان از نظر استحکام معادل قطعات یکسانی دانست که از همان مواد ساخته شده‌اند. دوام چنین قطعاتی تحت تأثیر عواملی مانند مشخصات طراحی، تخلخل و انتخاب مواد قرار دارد.

برای درک بهتر این موضوع، به نکات زیر توجه کنید:

• استحکام بالا: قطعات فلزی چاپ سه بعدی به دلیل فرآیند تولید لایه به لایه، ساختاری بسیار متراکم و یکنواخت دارند که باعث می‌شود استحکام آن‌ها به فلز جامد بسیار نزدیک باشد.
• دوام طولانی مدت: با انتخاب مواد مناسب و رعایت اصول طراحی، می‌توان قطعاتی با طول عمر بالا تولید کرد که در برابر خوردگی، سایش و سایر عوامل محیطی مقاوم باشند.
• تخلخل: یکی از عواملی که می‌تواند بر دوام قطعات چاپ سه بعدی تأثیر بگذارد، وجود تخلخل در ساختار آن‌ها است. هرچه میزان تخلخل کمتر باشد، قطعه قوی‌تر و بادوام‌تر خواهد بود.
• طراحی: طراحی مناسب قطعه نقش مهمی در استحکام و دوام آن دارد. اجتناب از گوشه‌های تیز، استفاده از ضخامت‌های مناسب و توزیع یکنواخت بار، از جمله مواردی هستند که باید در طراحی قطعات چاپ سه بعدی در نظر گرفته شوند.
• مواد مصرفی: انتخاب مواد مناسب برای چاپ سه بعدی فلزی بسیار مهم است. هر ماده دارای خواص مکانیکی و شیمیایی خاص خود است و انتخاب آن باید بر اساس کاربرد نهایی قطعه انجام شود.

در نتیجه، می‌توان گفت که چاپ سه بعدی فلزی توانایی تولید قطعاتی با استحکام و دوام بالا را دارد. این فناوری به دلیل مزایایی مانند طراحی سفارشی، تولید سریع و کاهش هزینه‌ها، به طور گسترده‌ای در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد.

آیا می‌توان در خانه چاپ سه بعدی فلزی انجام داد؟

از نظر تئوری، بله. استفاده از چاپگرهای رومیزی FFF/FDM امکان تولید قطعات فلزی را در خانه با هزینه بسیار کم فراهم می‌کند. با این حال، ملاحظاتی وجود دارد. قطعات اغلب پس از پخت متخلخل می‌شوند، بنابراین قطعات احتمالاً بسیار ضعیف‌تر از قطعات ماشینکاری شده هستند. فرآیندهای FFF/FDM می‌توانند دقت نسبتاً خوبی را از تجهیزات ارزان قیمت ارائه دهند، اما فرآیند پخت تمایل به تغییر ابعاد قطعات چاپ شده دارد. در نظر گرفتن این اعوجاج‌ها نیازمند مهارت و تجربه است. نیاز به پخت در دمای بالا یک بار سنگین است که ممکن است برای استفاده خانگی مناسب نباشد – تجهیزات درجه کوره باید به دمای 600 تا 1000 درجه سانتی‌گراد برای پخت مس، برنز یا فولاد ضد زنگ برسند.

سوالات متداول

خلاصه

این مقاله به بررسی کاربردهای چاپ سه بعدی فلزی پرداخته، هر یک از آن‌ها را توضیح داده و دلایل برتری چاپ سه بعدی در این زمینه را تشریح کرده است.این مقاله برای اولین بار در سایت بازارگاه ساخت و تولید ایران به نشانی Digimfg.ir منتشر شده است.

منابع

xometry.com/resources/3d-printing/metal-3d-printing-applications

سلب مسئولیت

محتوای ارائه شده در این صفحه وب صرفا جنبه اطلاع رسانی دارد. DIGIMFG هیچگونه ضمانت یا مسئولیتی، چه به صورت صریح یا ضمنی، در خصوص صحت، کامل بودن یا اعتبار اطلاعات بر عهده نمی گیرد. پارامترهای عملکرد، تلرانس های هندسی، ویژگی‌های طراحی خاص، کیفیت یا نوع مواد، یا فرایندها را نباید نمایانگر آنچه توسط تأمین کنندگان یا تولیدکنندگان شخص ثالث در شبکه DIGIMFG ارائه می‌شود، دانست. خریدارانی که به دنبال دریافت قیمت هستند موظفند تا الزامات فنی ویژه موردنیاز برای قطعات را تعریف کنند. برای کسب اطلاعات بیشتر، لطفاً به شرایط و ضوابط ما مراجعه کنید.