هل سبائك النحاس مناسبة للطباعة ثلاثية الأبعاد لأنظمة تبريد القوالب؟

1. تتمثل فائدة الأداء الرئيسية لسبائك النحاس في قدرتها على توصيل الحرارة ومقاومة الحرارة في نفس الوقت.
أهم الأشياء التي يجب على نظام تبريد القالب القيام بها هي التخلص من الحرارة بسرعة والقدرة على العمل في إعدادات الضغط العالي-ودرجة الحرارة-المرتفعة. تعتبر سبائك النحاس مادة رائعة لأنظمة تبريد الطباعة ثلاثية الأبعاد لأنها تتمتع بصفات فيزيائية رائعة.
موصلية حرارية عالية جدًا: يتمتع النحاس النقي بموصلية حرارية تبلغ 401 واط/(م · كلفن)، وهو ما يعادل 8 إلى 10 أضعاف الموصلية الحرارية للفولاذ القالب. حتى بعد معالجتها بسبيكة (مثل سبيكة CuCrZr)، تظل موصليتها الحرارية بين 200 و300 واط/(م · كلفن)، وهي أعلى بكثير من تلك الخاصة بمواد التبريد القياسية. تتيح هذه الخاصية لنظام تبريد سبائك النحاس التخلص بسرعة من حرارة القالب، مما يقلل من دورة التشكيل. بعد استخدام قنوات مياه التبريد المطبوعة ثلاثية الأبعاد من سبائك النحاس لقالب معين لمصد السيارة، انخفض الوقت المستغرق لصنع قطعة واحدة من 18 ثانية إلى 12 ثانية، وانخفضت كمية الطاقة المستخدمة بنسبة 22%.
مقاومة التعب الحراري: تتغير درجة حرارة سطح القالب كثيرًا في المواقف ذات الضغط العالي والسرعة. تعتبر سبائك النحاس أكثر مقاومة للتعب الحراري من الفولاذ، كما أن معامل التمدد الحراري الخاص بها يتناسب بشكل جيد مع قوالب الفولاذ. هذا يقلل من احتمالية التشقق بسبب الإجهاد الحراري. بعد 10000 دورة عند درجة حرارة عالية تصل إلى 600 درجة مئوية، تظهر البيانات التجريبية أن سبيكة CuCrZr لا تزال تتمتع بأكثر من 90% من قوتها الأولية. عمرها الافتراضي يزيد عن ثلاثة أضعاف عمر القوالب التقليدية.
تتميز سبائك النحاس بمقاومتها الطبيعية لأيونات الكلوريد والكبريتيدات والمواد الأخرى المسببة للتآكل الموجودة في سائل التبريد. إنها جيدة بشكل خاص في حالات التآكل مثل الهندسة البحرية والقوالب الكيميائية. إن إضافة كميات صغيرة من النيكل والزركونيوم وعناصر أخرى يمكن أن يجعلها أكثر مقاومة للتآكل وتساعد نظام التبريد على الاستمرار لفترة أطول.
2. 3قابلية عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد للتكيف: التغلب على قيود التصنيع التقليدي
هناك مشكلتان رئيسيتان في معالجة سبائك النحاس التقليدية: أولاً، الموصلية الحرارية العالية للمسبح المنصهر تجعله يفقد الحرارة بسرعة، مما قد يسبب عيوب مثل التصفيح والتجعيد؛ ثانيًا، الانعكاسية العالية (التي تصل إلى 98% لليزر 1064 نانومتر) تجعل من الصعب استخدام تقنية SLM النموذجية. لقد ساعد ابتكار العمليات تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد في التغلب على العديد من المشكلات:
تقنية الليزر الأخضر SLM: يعمل الليزر الأخضر ذو الطول الموجي 515 نانومتر على زيادة معدل امتصاص النحاس للضوء الأخضر إلى 40%، وهو أعلى بـ 8 مرات من الليزر الذي يعمل بالأشعة تحت الحمراء القريبة-. يمكن لمعدات الإصدار الأخضر TruPrint 5000 من شركة Tongkuai الألمانية طباعة مسرعات RF رباعية الأقطاب من النحاس النقي بكثافة 99.95% وموصلية 100% IACS. من خلال ضبط نقطة التركيز (25 ميكرومتر) ونهج المسح، تجعل هذه التقنية طباعة سبائك النحاس أكثر كفاءة بثلاث مرات من الطرق الحالية.
تستخدم تقنية ذوبان شعاع الإلكترون (EBM) شعاع الإلكترون كمصدر للحرارة لتجنب مشاكل الانعكاس العالي وجو مفرغ لمنع النحاس من الأكسدة. تبلغ خشونة السطح Ra لأجزاء سبائك النحاس المطبوعة بواسطة EBM أقل من أو تساوي 6.3 ميكرومتر، مما يعني أنه يمكن استخدامها على الفور في القوالب الدقيقة دون أي إجراءات إضافية. لكن إعداد هذه التقنية يكلف الكثير، وفي الوقت الحالي يتم استخدامها في الغالب في -المجالات المتطورة مثل الفضاء الجوي.
ترسيب الطاقة الموجهة بالليزر (LP-DED): تم حل مشكلة "خرزة اللحام" في تصنيع إضافات سبائك النحاس عن طريق "زيادة طاقة الليزر". عند طباعة سبيكة CuCrZr، استخدم فريق البحث من المعهد الوطني الهندي للتكنولوجيا طاقة منخفضة تبلغ 200 واط للطبقات الثلاث الأولى للتأكد من التصاقها بالركيزة. ثم قاموا برفع الطاقة إلى 1000 واط لتتناسب مع التوصيل الحراري للمادة، مما أدى إلى كثافة قدرها 97.47% وموصلية حرارية تبلغ 168.3 واط/(م · ك).
3. مثال لكيفية عمل الصناعة: الانتقال من المختبر إلى خط التصنيع
تستخدم منشأة Tesla في شنغهاي -نظام تبريد من سبائك النحاس مطبوعًا ثلاثي الأبعاد لإصلاح قوالب الصب-الضخمة في صناعة قوالب السيارات. يستغرق الأمر 72 ساعة فقط لإصلاح تلف العفن وإعادة الإنتاج إلى المسار الصحيح، وهو أسرع بنسبة 90% من عمليات الإصلاح العادية. إن تصميم التبريد المطابق يجعل درجة حرارة القالب أكثر توازناً بنسبة 80% ومعدل تأهيل المنتج يرتفع من 92% إلى 98%.
استخدمت إحدى شركات تصنيع الهواتف المحمولة طباعة ثلاثية الأبعاد من سبائك النحاس لصنع قوالب إنتاج تجريبية بسرعة، مما أدى إلى تقليل الوقت المستغرق لتطوير جهاز جديد من 18 شهرًا إلى 12 شهرًا. تتميز دائرة مياه التبريد بهيكل محسّن-يجعل نقل الحرارة أفضل بنسبة 120% بنفس طاقة المضخة. وهذا يقلل بشكل كبير من فرصة تشويه المنتج أو تشوهه.
وفي مجال الفضاء الجوي، قامت شركة Ursa Major بتصنيع أول غرفة احتراق صاروخية مصنوعة من النحاس-بطباعة ثلاثية الأبعاد-. أدى تصميم قناة التبريد المتكاملة إلى خفض درجة حرارة جدار غرفة الاحتراق بمقدار 300 درجة ووزنها بنسبة 40%. الجزء مصنوع من سبيكة CuCrZr وتم اختباره 1000 مرة عند ضغط 6 ميجا باسكال دون أن ينكسر، مما يثبت أن سبيكة النحاس المطبوعة ثلاثية الأبعاد يمكن الاعتماد عليها في الظروف القاسية.