چاپ سه بعدی فلز چیست و چگونه کار می کند؟

مقدمه

چاپ سه بعدی فلز چیست؟ این فناوری ساخت افزایشی (additive manufacturing) چگونه کار می کند؟ در این مقاله، اصول اولیه روش های SLM (ذوب لیزری انتخابی) و DMLS(زینترینگ لیزری مستقیم فلز) و چرایی ارتباط آنها با مزایا و محدودیت های اصلی چاپ سه بعدی فلز بررسی خواهد شد.

چاپ سه بعدی فلز چیست؟

ذوب لیزری انتخابی (SLM) و زینترینگ لیزری مستقیم فلز (DMLS) دو فرآیند ساخت افزایشی با فلز هستند که به خانواده چاپ سه بعدی فیوژن بستر پودری تعلق دارند. این دو فناوری شباهت های زیادی دارند: هر دو از یک لیزر برای اسکن و ذوب گزینشی (یا همجوشی) ذرات پودر فلز استفاده می کنند تا آنها را به هم بچسبانند و لایه به لایه یک قطعه بسازند. همچنین مواد مورد استفاده در هر دو فرآیند به شکل پودر هستند.

تفاوت بین روش های SLM و DMLS

تفاوت های بین SLM و DMLS به اصول فرآیند اتصال ذرات (و همچنین ثبت اختراع ها) باز می گردد: SLM از پودرهای فلزی با دمای ذوب واحد استفاده می کند و ذرات را کاملاً ذوب می کند، در حالی که در DMLS، پودر از موادی با نقاط ذوب متغیر تشکیل شده است که در دماهای بالا در سطح مولکولی فیوز می شوند. در اصل SLM قطعات را از یک فلز منفرد تولید می کند، در حالی که DMLS قطعات را از آلیاژهای فلزی تولید می کند.

فرآیند چاپ سه بعدی فلز به دو روش SLM و DMLS

هر دو فرایند SLM و DMLS در کاربردهای صنعتی برای ساخت محصولات مهندسی نهایی استفاده می شوند. در این مقاله از عبارت چاپ سه بعدی فلز برای اشاره به هر دو فرآیند به طور کلی استفاده می کنیم و مکانیسم های اساسی فرآیند ساخت (که برای مهندسان و طراحان در جهت درک مزایا و محدودیت های این فناوری ضروری است) را شرح می دهیم.

فرآیندهای ساخت افزایشی دیگری نیز وجود دارند که می توانند برای تولید قطعات فلزی متراکم مانند ذوب پرتو الکترونی (EBM) و ساخت افزایشی اولتراسونیک (UAM) استفاده شوند. با این حال، در دسترس بودن و کاربرد آنها محدود است، بنابراین در اینجا ارائه نخواهند شد.

چاپ سه بعدی فلز چگونه کار می کند؟

فرآیند ساخت اولیه برای SLM و DMLS مشابه است. طرز کار به این صورت است:

1. محفظه ساخت ابتدا با گاز بی اثر (مثلاً آرگون) پر می شود تا اکسیداسیون پودر فلز به حداقل برسد و سپس تا دمای بهینه ساخت گرم می شود.
2. یک لایه نازک از پودر فلز روی بستر ساخت پخش می شود و یک لیزر پرقدرت سطح مقطع قطعه را اسکن می کند، ذرات فلز را به هم ذوب (یا فیوز) می کند و لایه بعدی را شکل می دهد. کل سطح مدل اسکن می شود، بنابراین کل قطعه کاملاً جامد ساخته می شود.
3. هنگامی که فرآیند اسکن کامل شد، بستر ساخت به اندازه ضخامت یک لایه به سمت پایین حرکت می کند و دستگاه پوشش دهنده (recoater) لایه نازک دیگری از پودر فلز را پخش می کند. این روند تا زمانی که کل قطعه تکمیل شود تکرار می شود.
4. پس از پایان فرآیند ساخت، قطعات به طور کامل در پودر فلز محصور می شوند. بر خلاف فرآیند فیوژن بستر پودری برای پلیمر ها (مانند SLS یا MJF)، قطعات از طریق ساختارهای نگهدارنده به بستر ساخت متصل می شوند. نگهدارنده در چاپ سه بعدی فلز با همان مواد قطعه ساخته شده و همیشه برای کاهش تابیدگی و اعوجاج (ناشی از دمای بالای فرآوری) مورد نیاز است.
5. هنگامی که محفظه تا دمای اتاق خنک شد، پودر اضافی به صورت دستی برداشته می‌شود و قطعات معمولاً در حالی که هنوز به بستر ساخت متصل هستند، عملیات حرارتی می‌شوند تا تنش‌های پسماند کاهش یابد. سپس قطعات از طریق برش، ماشینکاری یا وایر EDM (برش با سیم) از بستر جدا می شوند و آماده استفاده یا پس پردازش بیشتر هستند.

پارامترهای پرینترهای SLM و DMLS

در SLM و DMLS تقریباً تمامی پارامترهای فرآیند توسط سازنده دستگاه تعیین می شود. ارتفاع لایه مورد استفاده در چاپ سه بعدی فلز بین 20 تا 50 میکرون متغیر است و به خواص پودر فلز (قابلیت جریان پذیری، توزیع اندازه ذرات، شکل و غیره) بستگی دارد.

ابعاد ساخت معمول یک سیستم چاپ سه بعدی فلز 250 x 150 x 150 میلی متر است، اما دستگاه‌های بزرگتر نیز در دسترس هستند (تا 500 x 280 x 360 میلی متر). دقت ابعادی که یک چاپگر سه بعدی فلز می تواند به دست آورد تقریباً ± 0.1 میلی متر است.

پرینترهای فلزی را می توان برای تولید در مقیاس های کوچک مورد استفاده قرار داد، اما در مقایسه با چاپگرهای SLS، قابلیت های سیستم های چاپ سه بعدی فلز بیشتر شبیه به قابلیت های تولید انبوه ماشین های FDM یا SLA می باشد. سیستم های چاپ سه بعدی فلز به دلیل محدودیت فضای چاپ (XY جهت) که قطعات باید به آن متصل گردند دارای برخی محدودیت ها هستند.

پودر فلز در SLM و DMLS قابلیت بازیافت بالایی دارد. به طور معمول، کمتر از 5٪ هدر می رود. پس از هر چاپ، پودر استفاده نشده جمع آوری و الک می شود و سپس با مواد تازه تا سطح مورد نیاز برای ساخت بعدی مخلوط می گردد.

ضایعات در چاپ فلز به شکل ساختارهای نگهدارنده است که برای تکمیل موفقیت آمیز ساخت قطعات بسیار مهم هستند ولی می توانند مقدار مواد مورد نیاز (و هزینه) را به شدت افزایش دهند.

چسبندگی لایه ها

قطعات فلزی SLM و DMLS تقریباً دارای خواص مکانیکی و حرارتی همسانگرد هستند. آنها جامد هستند با تخلخل داخلی بسیار کم (کمتر از 0.2٪ – 0.5٪ در حالت چاپ، و نزدیک به صفر پس از پردازش حرارتی).

قطعات چاپی فلز دارای استحکام و سختی بالاتر و اغلب انعطاف پذیرتر از قطعاتی هستند که با روش های سنتی ساخته می شوند و در عین حال مستعد خستگی نیز هستند.

به عنوان مثال، به خواص مکانیکی آلیاژ پرینت سه بعدی فلز AlSi10Mg EOS و آلیاژ دایکاست A360 نگاهی بیندازید. این دو ماده بسیار مشابه و هر دو غنی از سیلیکون و منیزیم هستند. قطعات چاپ شده دارای خواص مکانیکی برتر و سختی بالاتری در مقایسه با مواد ساخته شده با فرآیند های متداول هستند.

به دلیل دانه ای شکل بودن ماده اولیه، زبری سطح (Ra) قطعه ی چاپ سه بعدی فلزی ساخته شده بین 10-6 میکرون است. این زبری سطح نسبتاً بالا می تواند تا حدی کاهش استحکام خستگی را توضیح دهد.

مواد متداول در پرینت سه بعدی فلز

SLM و DMLS می توانند قطعاتی را از طیف وسیعی از فلزات و آلیاژهای فلزی از جمله آلومینیوم، فولاد ضد زنگ، تیتانیوم، کبالت کروم و اینکونل تولید کنند. این مواد طیف وسیعی از نیازهای صنعتی از جمله هوافضا تا پزشکی را پوشش می دهند. فلزات گرانبها مانند طلا، پلاتین، پالادیوم و نقره نیز قابل چاپ هستند، اما کاربرد آنها عمدتاً به جواهرسازی محدود می شود.

همانطور که می توانید تصور کنید، پودر برای چاپ سه بعدی فلز بسیار گران است. به عنوان مثال، یک کیلوگرم پودر فولاد ضد زنگ 316L تقریباً 350 تا 450 دلار قیمت دارد. به همین دلیل، به حداقل رساندن حجم قطعه و حذف نیاز به ساختارهای نگهدارنده برای پایین نگه داشتن هزینه تا حد امکان ضروری است.

یکی از نقاط قوت چاپ سه بعدی فلز، سازگاری آن با مواد با استحکام بالا مانند سوپرآلیاژهای نیکل یا کبالت کروم است که پردازش آنها با روش های سنتی ساخت بسیار دشوار است. با استفاده از چاپ سه بعدی فلز می توان با ایجاد قطعه ای با شکل نزدیک به نهایی و سپس انجام عملیات پس پردازش بر روی آن به سطح نهایی بسیار بالایی رسید، در نتیجه صرفه جویی قابل توجهی در زمان و هزینه انجام می شود.

مواد	خواص و ویژگی ها
آلیاژهای آلومینیوم	خواص مکانیکی و حرارتی خوب؛ چگالی کم؛ هدایت الکتریکی خوب؛ سختی کم
فولاد ضد زنگ و فولاد ابزار	مقاومت سایشی بالا؛ سختی عالی؛ چکش خواری و جوش پذیری خوب
آلیاژهای تیتانیوم	مقاومت در برابر خوردگی؛ نسبت استحکام به وزن عالی؛ انبساط حرارتی کم؛ زیست سازگار
سوپرآلیاژهای کبالت کروم	مقاومت عالی در برابر ساییدگی و خوردگی؛ خواص عالی در دماهای بالا؛ سختی بسیار بالا؛ زیست سازگار
سوپرآلیاژهای نیکل (Inconel)	خواص مکانیکی عالی؛ مقاومت در برابر خوردگی بالا؛ مقاومت در برابر دما تا 1200 درجه سانتیگراد؛ در محیط های شدید استفاده می شود
فلزات گرانبها	در جواهرسازی استفاده می شود؛ به طور گسترده در دسترس نیست

روش های پس پردازش در چاپ سه بعدی فلز

از روش های مختلف پس پردازش برای بهبود خواص مکانیکی، دقت و ظاهر قطعات چاپ شده فلزی استفاده می شود.

مراحل اجباری پس پردازش شامل برداشتن پودر سست و ساختارهای نگهدارنده است، در حالی که عملیات حرارتی (تیمپلینگ) به طور معمول برای کاهش تنش های پسماند و بهبود خواص مکانیکی قطعه استفاده می شود.

ماشینکاری CNC می تواند برای ویژگی های ابعادی مهم (مانند سوراخ ها یا رزوه ها) استفاده شود. سندبلاست، آبکاری فلز، پولیش و میکروماشینکاری می تواند کیفیت سطح و استحکام خستگی قطعه چاپ شده فلزی را بهبود بخشد.

مشخصه	تغییر پس از استفاده از چاپ سه بعدی
تعداد قطعات	از 100 قطعه مجزا به یک مجموعه یکپارچه
زمان تولید	کاهش از 11 ماه به 2 ماه
وزن	کاهش بیش از 95%
هزینه تولید	کاهش 20 تا 25 درصد
هزینه‌های غیرتکراری	کاهش 75 درصد

این جدول نشان می‌دهد که استفاده از فناوری چاپ سه بعدی چه تغییراتی در فرآیند تولید ایجاد می‌کند. به طور خلاصه، با استفاده از چاپ سه بعدی:

• ساده‌سازی محصول: محصولی که قبلاً از 100 قطعه مجزا تشکیل می‌شد، اکنون می‌تواند به صورت یک قطعه واحد تولید شود. این امر مونتاژ را ساده‌تر و سریع‌تر می‌کند.
• کاهش زمان تولید: زمان تولید محصول به شدت کاهش می‌یابد. به جای 11 ماه، محصول در عرض 2 ماه آماده می‌شود.
• کاهش وزن: وزن محصول به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد که این امر به ویژه در صنایع مانند هوافضا بسیار مهم است.
• کاهش هزینه: هزینه تولید و هزینه‌های غیرتکراری (مانند هزینه قالب‌سازی) به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد.

به طور کلی، چاپ سه بعدی می‌تواند به کاهش هزینه‌ها، افزایش سرعت تولید و بهبود عملکرد محصول کمک کند.

مزایا و محدودیت های چاپ سه بعدی فلز چیست؟

در اینجا مزایا و معایب اصلی فرآیندهای چاپ سه بعدی فلز آورده شده است:

• فرآیندهای چاپ سه بعدی فلز می توانند برای ساخت قطعات پیچیده و سفارشی با هندسه هایی استفاده شوند که روش های ساخت سنتی قادر به تولید آنها نیستند.
• قطعات چاپ شده سه بعدی فلز می توانند از نظر توپولوژیکی بهینه شوند تا عملکرد خود را به حداکثر برسانند و در عین حال وزن و تعداد کل اجزا در یک مجموعه را به حداقل برسانند.
• قطعات چاپ شده سه بعدی فلز دارای خواص فیزیکی عالی هستند و طیف مواد موجود شامل موادی است که پردازش آنها با روش های دیگر دشوار است، مانند سوپرآلیاژهای فلزی.
• هزینه مواد و ساخت مرتبط با چاپ سه بعدی فلز بالا است، بنابراین این فناوری ها برای قطعاتی که به راحتی می توان با روش های سنتی تولید کرد مناسب نیستند.
• اندازه ساخت سیستم های چاپ سه بعدی فلز محدود است، زیرا به شرایط دقیق ساخت و کنترل فرآیند نیاز دارند.
• ممکن است طرح های موجود برای چاپ سه بعدی فلز مناسب نباشند و نیاز به اصلاح داشته باشند.

مشخصات اصلی سیستم های SLM و DMLS

مشخصات اصلی سیستم های SLM و DMLS در جدول زیر خلاصه شده است.

مشخصه	SLM	DMLS	توضیحات
اصل کار	ذوب لایه به لایه پودر فلز با لیزر	ذوب موضعی پودر فلز با لیزر و ایجاد پیوند بین ذرات	در SLM، پودر کاملاً ذوب می‌شود، در حالی که در DMLS، ذرات به صورت جزئی ذوب شده و به هم متصل می‌شوند.
دقت ابعادی	± 0.05 تا 0.1 میلی‌متر	± 0.1 تا 0.2 میلی‌متر	به عوامل مختلفی مانند قدرت لیزر، سرعت اسکن و نوع پودر بستگی دارد.
حجم ساخت	250 × 250 × 400 میلی‌متر (تا 500 میلی‌متر)	200 × 200 × 200 میلی‌متر (تا 400 میلی‌متر)	حجم ساخت به ابعاد محفظه ساخت و نوع دستگاه بستگی دارد.
مواد مصرفی	فولاد ضد زنگ، آلومینیوم، تیتانیوم، نیکل، کبالت کروم	فولاد ضد زنگ، آلومینیوم، تیتانیوم	طیف وسیعی از آلیاژهای فلزی قابل استفاده است.
چگالی قطعه	99.8%	98%	چگالی بالا به دلیل ذوب کامل پودر در SLM به دست می‌آید.
خواص مکانیکی	خواص مکانیکی نزدیک به قطعات ساخته شده با روش‌های سنتی	خواص مکانیکی کمی پایین‌تر نسبت به SLM	به دلیل تخلخل کمتر در قطعات SLM، خواص مکانیکی بهتری دارند.
سرعت ساخت	نسبتاً پایین	نسبتاً بالا	سرعت ساخت به ضخامت لایه، ابعاد قطعه و توان لیزر بستگی دارد.
هزینه ساخت	بالا	متوسط	هزینه ساخت به عوامل مختلفی مانند نوع ماده، حجم قطعه و تعداد قطعات ساخته شده بستگی دارد.
کاربردها	ساخت پروتزهای پزشکی، ابزارهای جراحی، قطعات هوافضا، قالب‌های صنعتی	ساخت قطعات با هندسه پیچیده، قطعات با تحمل کم، قطعات با تعداد کم	کاربردهای گسترده‌ای در صنایع مختلف دارد.

موارد استفاده از چاپ سه بعدی فلز

چاپ سه بعدی فلز در حال حاضر در طیف وسیعی از صنایع برای تولید قطعات نهایی و همچنین نمونه سازی استفاده می شود. برخی از رایج ترین کاربردها عبارتند از:

• هوافضا: چاپ سه بعدی فلز برای تولید قطعات سبک و با استحکام بالا مانند نازل های موتور، محفظه های احتراق و اجزای ساختاری هواپیما استفاده می شود.
• پزشکی: چاپ سه بعدی فلز برای تولید ایمپلنت های سفارشی مانند مفصل ران، زانو و ستون فقرات و همچنین ابزارهای جراحی استفاده می شود.
• خودرو: چاپ سه بعدی فلز برای تولید قطعات خودرو مانند قطعات موتور، دریچه ها و سیستم های اگزوز استفاده می شود.
• دندانپزشکی: چاپ سه بعدی فلز برای تولید روکش ها، بریج ها و ایمپلنت های دندانی استفاده می شود.
• جواهرسازی: چاپ سه بعدی فلز برای تولید جواهرات و سایر اشیاء قیمتی استفاده می شود.
• انرژی: چاپ سه بعدی فلز برای تولید قطعات مبدل حرارتی، توربین ها و سایر اجزای تولید انرژی استفاده می شود.

آینده چاپ سه بعدی فلز

چاپ سه بعدی فلز یک فناوری نسبتاً جدید است، اما پتانسیل انقلابی در بسیاری از صنایع را دارد. با ادامه توسعه این فناوری، شاهد کاهش هزینه ها، افزایش دقت و در دسترس بودن طیف وسیع تری از مواد خواهیم بود. این امر چاپ سه بعدی فلز را به گزینه ای جذاب تر برای تولید طیف وسیع تری از قطعات تبدیل خواهد کرد.

سوالات متداول(FAQ)

خلاصه

چاپ سه بعدی فلز، که با نام‌های SLM و DMLS نیز شناخته می‌شود، مجموعه‌ای از فرآیندهای ساخت افزایشی است که از لیزر برای ذوب و اتصال انتخابی ذرات پودر فلز برای ساخت قطعات سه‌بعدی استفاده می‌کند. این فناوری پتانسیل انقلابی در بسیاری از صنایع را دارد، زیرا امکان ساخت قطعات پیچیده و سفارشی با هندسه‌هایی را فراهم می‌کند که روش‌های ساخت سنتی قادر به تولید آنها نیستند.این مقاله برای اولین بار در سایت بازارگاه الکترونیکی ساخت و تولید ایران به نشانی digimfg.ir منتشر شده است.

منابع

• all3dp.com/2/direct-metal-laser-sintering-dmls-simply-explained
• renishaw.com/en/renishaw-enhancing-efficiency-in-manufacturing-and-healthcare–1030

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.