هل الدعم القابل للذوبان ممكن في الطباعة المعدنية ثلاثية الأبعاد؟

1. المبدأ التقني: الأنود المضحي للاختراق الكهروكيميائي
إن طريقة حماية الأنود المضحي، والتي تستخدم الفرق في الإمكانات بين معدنين في المنحل بالكهرباء لإحداث تآكل انتقائي، هي الأساس لتقنية الدعم القابلة للذوبان. في الطباعة المعدنية ثلاثية الأبعاد، يتم استخدام هذه التقنية بطريقة جديدة لفصل جسم الجزء عن الهيكل الداعم:
اختيار المواد المناسبة: استخدم معادن لا تصدأ (مثل الفولاذ المقاوم للصدأ) للأجزاء والمعادن التي تصدأ (مثل-الفولاذ منخفض الكربون) للدعائم. على سبيل المثال، استخدم فريق جامعة ولاية أريزونا مزيجًا من الفولاذ المقاوم للصدأ AISI 431 (للأجزاء) والفولاذ منخفض الكربون Metco 91 (للدعامات) لجعل الدعامات تذوب في حمض النيتريك دون الإضرار بأسطح الأجزاء.
تسريع الكهروكيميائية-: يؤدي استخدام حمض النيتريك ببساطة إلى حدوث التآكل بشكل أبطأ (فإنه يذيب 1.4 ملم فقط من الفولاذ الكربوني في 10 ساعات)، ولكن إضافة فقاعات الأكسجين تجعل حدوث التآكل أسرع 6 مرات. يقوم الأكسجين بتكسير طبقة التخميل على سطح الفولاذ الكربوني، وتسريع تطور تيار التآكل، ويذيب آخر 7 مم من الفولاذ الكربوني تمامًا خلال 6 ساعات.
التحكم الانتقائي: بالنسبة للمواد الداعمة، يجب أن يكون للإلكتروليتات انتقائية ذوبان أكثر من 100:1. على سبيل المثال، يقوم حمض النيتريك بتآكل الفولاذ الكربوني بمعدل أسرع بـ 1000 مرة من الفولاذ المقاوم للصدأ، مما يعني أن جسم المكون لا يتضرر.
2. توافق المواد: القيود المعدنية والعلاجات
لاستخدام الدعم القابل للذوبان في الصناعة، يجب حل مشكلتين كبيرتين في علم المواد:
التوافق المعدني: يجب استيفاء الشروط التالية لكل من المواد الداعمة والمواد المكونة:
التشابه الهيكلي البلوري: لمنع تشقق إجهاد الواجهة الذي يمكن أن يحدث عند اختلاف معاملات التمدد الحراري. على سبيل المثال، يحتوي كل من الفولاذ منخفض الكربون- والفولاذ المقاوم للصدأ على هياكل مكعبة مركزية الوجه-وفرق معامل تمدد حراري أقل من 10%. وهذا يعني أنهم قادرون على التعامل مع التغيرات في درجات الحرارة المرتفعة أثناء الطباعة المعدنية ثلاثية الأبعاد.
ابتعد عن المركبات بين الفلزات: من المرجح أن تصبح بعض مجموعات المواد، مثل سبائك التيتانيوم والألمنيوم، هشة عند درجات الحرارة المرتفعة. لتجنب ذلك، تحتاج إلى تنظيم معلمات العملية أو إنشاء طبقة وسيطة.
توسيع نظام المواد: أظهرت الأبحاث الحالية أن نظام الفولاذ الكربوني-الذي لا يصدأ هو أمر ممكن، ويلزم تصنيع المزيد من مجموعات المواد في المستقبل.
سبيكة ذات درجات حرارة عالية-: يمكن استخدام Inconel 718 وبعض مواد الأنود المضحية معًا لتصنيع الأجزاء الساخنة لمحركات الطائرات.
سبائك التيتانيوم: من خلال الضبط الدقيق لصيغة الإلكتروليت، يمكن أن يعمل Ti6Al4V والدعم القابل للذوبان معًا.
المعادن المقاومة للحرارة: لإزالة الدعم من المعادن ذات-نقطة الانصهار- العالية مثل التنغستن والتنتالوم، نحتاج إلى إنشاء أنظمة كهروكيميائية تعمل في درجات حرارة عالية.
3، تحسين العملية: الانتقال من المختبر إلى خط الإنتاج
لتصنيع تكنولوجيا الدعم القابل للذوبان، يجب التغلب على ثلاث اختناقات كبيرة في العمليات:
تحسين كفاءة التآكل: التكنولوجيا الكهروكيميائية النبضية: تساعد على إزالة منتجات التآكل وتوقف تكوين طبقات التخميل عن طريق تشغيل التيار وإيقافه. على سبيل المثال، يمكن للجهد النبضي أن يجعل الفولاذ الكربوني يتآكل بشكل أسرع ثلاث مرات.
مساعدة الموجات فوق الصوتية: تؤدي إضافة الموجات فوق الصوتية إلى المنحل بالكهرباء إلى تسريع نقل الكتلة عن طريق التسبب في التجويف، مما يقلل وقت التآكل بأكثر من 50%.
مراقبة جودة السطح:
نظام تعميم الإلكتروليتات: يؤدي ضخ الإلكتروليتات المتداولة إلى منع خشونة السطح من أن تزداد سوءًا عن طريق منع اختلافات التركيز المحلية. على سبيل المثال، يمكن لخزان التآكل بالرش أن يجعل سطح العناصر أقل خشونة، من Ra10 ميكرومتر إلى Ra2 ميكرومتر.
الصقل بعد المعالجة: التآكل الكهروكيميائي، إلى جانب طرق عدم التلامس-مثل التلميع المغناطيسي الهيولوجي، يمكن أن يجعل السطح أملسًا كالمرآة (Ra<0.1 μ m).
التكامل الآلي:
نظام للعثور على الأشياء عبر الإنترنت: يتيح التصوير المقطعي المحوسب الصناعي -مراقبة المخلفات الداعمة في الوقت الفعلي والضبط الديناميكي لمعلمات التآكل. على سبيل المثال، قد يقوم نظام Smart Clean الخاص بشركة GE Additive تلقائيًا بالعثور على نقاط الدعم وتحسين توزيع الكثافة الحالية.
التحكم في الحلقة المغلقة: استخدم أساليب التعلم الآلي لتطوير نموذج يتنبأ بمعدل التآكل بحيث يمكن تغيير معلمات العملية تلقائيًا. وبعد أن استخدمت إحدى شركات الطائرات هذه التقنية، ارتفع معدل إزالة الدعم من 70% إلى 99%.
4. آفاق التطبيقات الصناعية: من الهياكل المعقدة إلى الإنتاج الضخم
في الإنتاج العالمي-الحقيقي، أثبتت تقنية الدعم القابل للذوبان أنها مفيدة جدًا:
وفي مجال الطيران والفضاء، تستخدم GE Aviation الطباعة الداعمة القابلة للذوبان لتصنيع غرفة الاحتراق Inconel 718. وهذا يقلل الوقت المستغرق لإزالة الدعامة من 40 ساعة إلى 8 ساعات، ولا توجد علامات تلف ميكانيكي على السطح.
نجح أحد صانعي الأقمار الصناعية في طباعة مبادل حراري يحتوي على 2000 قناة صغيرة باستخدام تكنولوجيا الدعم القابلة للذوبان. يبلغ عرض القنوات 0.5 مم فقط ومعدل بقايا المسحوق أقل من 0.1٪.
الغرسات الطبية: مفصل الورك المخصص: تستخدم شركة Johnson&Johnson Medical دعمًا قابلاً للذوبان لطباعة مفاصل الورك Ti6Al4V بخشونة سطح تبلغ Ra0.8 ميكرومتر. وهذا يلبي معايير زراعة العظام ويتجنب الصعوبات المتعلقة بتصلب السطح الذي يمكن أن يحدث مع الآلات التقليدية.
زراعة الأسنان: قامت إحدى شركات طب الأسنان بتقليص الوقت الذي تستغرقه طباعة الغرسات من ثلاثة أيام إلى يوم واحد باستخدام تقنية الدعم القابل للذوبان. وقد أدى هذا إلى خفض الأسعار بنسبة 40٪.
صنع القوالب: يتم تصنيع قالب التبريد المرن من خلال الجمع بين فولاذ القالب (مثل H13) ودعامة قابلة للذوبان. يتيح لك ذلك طباعة قنوات تبريد معقدة. عندما تم استخدام هذه التقنية في مصنع معين لتصنيع قوالب السيارات، ارتفعت كفاءة تبريد القالب بنسبة 30% وانخفض الوقت المستغرق لصنع القالب بنسبة 25%.