مبادئ الطابعات المعدنية ثلاثية الأبعاد

تعمل الطابعات المعدنية ثلاثية الأبعاد عن طريق تلبيد أو صهر أو لحام المواد المعدنية (مثل المسحوق أو الأسلاك) طبقة بعد طبقة لتحويل -نموذج رقمي ثلاثي الأبعاد إلى جزء معدني صلب. يمكن تقسيم العملية الأساسية إلى أربع مراحل: إعداد البيانات، وتوريد المواد، والطبقة-بواسطة-تصنيع الطبقة، والمعالجة اللاحقة-. تتغلب هذه التقنية بشكل كامل على قيود التعقيد الهندسي للتصنيع الطرحي التقليدي وأصبحت طريقة تصنيع مهمة في -المجالات المتطورة مثل الطيران والهندسة الطبية الحيوية ومعدات الطاقة. تشرح الأقسام التالية المبادئ والتفاصيل الفنية لكل مرحلة رئيسية.

معالجة النماذج ثلاثية الأبعاد: يقوم المستخدمون بتصميم النموذج باستخدام برامج CAD (مثل SolidWorks أو UG أو CATIA) أو الحصول عليه من خلال المسح ثلاثي الأبعاد أو إعادة البناء بالأشعة المقطعية. يقوم البرنامج بتحويل النموذج إلى تنسيق طابعة- قابل للقراءة (الأكثر شيوعًا STL، ولكن أيضًا 3MF أو OBJ) ويصلح الأخطاء الهندسية (مثل الثقوب، أو الحواف غير المتشعبة-، أو الأوجه المتداخلة، أو القيم الطبيعية غير الصحيحة). تعتبر هذه الخطوة بالغة الأهمية لأن أي عيب في النموذج يمكن أن يتسبب بشكل مباشر في فشل الطباعة أو رفض الجزء. تتضمن المعالجة المسبقة المتقدمة- أيضًا تحسين الهيكل والتصميم التوليدي لتقليل الوزن بشكل كبير مع تلبية متطلبات القوة.

تقطيع الطبقة: تقوم برامج الطابعة المتخصصة (مثل Materialize Magics أو EOSPRINT أو SLM Build Processor) بتقطيع النموذج ثلاثي الأبعاد على طول المحور الرأسي (Z) إلى مئات أو آلاف الطبقات الرقيقة. يبلغ سمك الطبقة عادةً 20-100 ميكرومتر (20-40 ميكرومتر للأجزاء الدقيقة، و60-100 ميكرومتر للمكونات الهيكلية الكبيرة). تقوم عملية التقطيع بإنشاء ملف يحتوي على معلومات محيطية، ومسارات التعبئة، واستراتيجيات المسح، وهياكل الدعم لكل طبقة، مما يؤدي إلى توجيه الطابعة بدقة. تؤثر استراتيجيات المسح (الشريط، رقعة الشطرنج، الحلزوني، إلخ) ومعلمات كثافة الطاقة بقوة على الإجهاد المتبقي والكثافة وجودة السطح، ويجب تحسينها وفقًا للمادة وهندسة الأجزاء.

تختلف تقنيات الطباعة المعدنية ثلاثية الأبعاد وفقًا لشكل المادة ومصدر الطاقة. الفئات الرئيسية هي كما يلي:

Powder Bed Fusion (PBF) تعد هذه التكنولوجيا الأكثر نضجًا والأعلى دقة حاليًا.

الصهر بالليزر الانتقائي (SLM): يعمل ليزر الألياف عالي الطاقة-(عادةً من 200 إلى 1000 واط؛ ويمكن أن تصل أنظمة الليزر المتعددة-إلى عدة كيلووات) بشكل انتقائي وكامل لإذابة طبقة المسحوق المعدنية وفقًا للمسار المقطوع. تتصلب المنطقة المنصهرة عند التبريد لتشكل طبقة واحدة، بينما يعمل المسحوق غير الذائب كدعم وحماية. تتم العملية برمتها تحت غاز خامل (الأرجون أو النيتروجين) لمنع الأكسدة. مناسب لسبائك التيتانيوم، وسبائك الألومنيوم، والفولاذ المقاوم للصدأ، والسبائك الفائقة القائمة على النيكل، وما إلى ذلك، بكثافة تتجاوز 99%.

ذوبان شعاع الإلكترون (EBM): يستخدم شعاع الإلكترون -عالي الطاقة كمصدر للحرارة للتسخين المسبق وإذابة مسحوق المعدن في بيئة -فراغ عالية. يعمل التسخين المسبق على تقليل الضغط المتبقي بشكل كبير ويتيح معدلات بناء أسرع، مما يجعله مناسبًا بشكل خاص لزراعة العظام المصنوعة من التيتانيوم. تكلفة المعدات مرتفعة وخشونة السطح أكبر نسبيًا.

تلبيد المعادن بالليزر المباشر (DMLS): يشبه من حيث المبدأ SLM. تاريخيًا، كان يشير إلى العمليات التي يتم فيها صهر المسحوق جزئيًا (متكلس)، ولكن اليوم غالبًا ما يتم استخدام المصطلحين DMLS وSLM بالتبادل في الصناعة. مناسب لتطبيقات أو حالات المواد- المتعددة ذات متطلبات الذوبان الكامل- الأقل قليلاً.

ترسيب الطاقة الموجهة (DED)

ترسيب المعادن بالليزر (LMD): يقوم في نفس الوقت بتغذية مسحوق المعدن أو الأسلاك بينما يقوم الليزر بإنشاء تجمع ذوبان على الركيزة أو الطبقة السابقة وترسيب المادة. يتيح إصلاح الأجزاء الكبيرة-، والمواد المصنفة وظيفيًا، والتصنيع الطرحي المختلط- للإضافات. معدلات الترسيب أعلى بكثير من PBF.

التصنيع الإضافي للقوس السلكي (WAAM): يستخدم القوس الكهربائي كمصدر للحرارة لإذابة الأسلاك المعدنية وترسيبها طبقة بعد طبقة. تكلفة منخفضة للمعدات، واستخدام عالي للمواد، ومناسبة للهياكل الفضائية-الكبيرة جدًا، ولكن الدقة المنخفضة وجودة السطح تتطلب عادةً معالجة لاحقة.

نفث الموثق يقوم رأس الطباعة بنفث مادة رابطة بشكل انتقائي على طبقة المسحوق المعدنية، مما يؤدي إلى ربط المسحوق لتكوين طبقة "خضراء" واحدة بينما يعمل المسحوق غير المرتبط كدعم. بعد الطباعة، يخضع الجزء للفصل (إزالة الرابط) والتلبيد بدرجة حرارة عالية- لتحقيق الكثافة النهائية. لا تحتوي العملية على أي إجهاد حراري أثناء الطباعة، وتوفر سرعة عالية، ومناسبة لإنتاج الحجم المتوسط ​​-، على الرغم من أنه يجب تعويض انكماش التلبيد بدقة.

نشر المسحوق / تغذية المواد: في تقنيات طبقة المسحوق-، تعمل شفرة أو بكرة إعادة طلاء عالية الدقة على نشر طبقة موحدة من المسحوق المعدني على منصة التصميم، بما يتوافق مع سمك الشريحة. تؤثر قابلية تدفق المسحوق وتوزيع حجم الجسيمات بشكل مباشر على جودة الطبقة. في ترسيب الطاقة الموجه، تقوم وحدة التغذية السلكية أو فوهة المسحوق المحورية/الجانبية بتوصيل المواد بدقة إلى حوض الذوبان.

مدخلات الطاقة والذوبان: يقوم الليزر أو شعاع الإلكترون أو القوس بمسح المادة على طول المسار المبرمج بسرعة عالية، مما يؤدي إلى ذوبانها أو تلبيدها محليًا لتشكيل طبقة رقيقة تتطابق تمامًا مع محيط الشريحة. يتم التحكم بدقة في درجة حرارة حوض السباحة الذائب- وحجمه ومعدل التبريد من خلال الطاقة وسرعة المسح وقطر البقعة، وهو ما يحدد البنية المجهرية ومستويات العيوب.

الترابط بين-الطبقات: بعد اكتمال كل طبقة، تنخفض منصة البناء بسمك طبقة واحدة (أو ترتفع طبقة المسحوق)، ويتم نشر طبقة مسحوق جديدة، وتتكرر عملية الذوبان. يتم ربط الطبقات بواسطة روابط معدنية لتكوين مادة صلبة متواصلة ثلاثية الأبعاد. تتضمن الأنظمة الحديثة غالبًا-مراقبة تجمعات الذوبان في الوقت الفعلي-باستخدام كاميرات عالية السرعة-، أو قياس الحرارة بالأشعة تحت الحمراء، أو التصوير المقطعي البصري.

الهياكل الداعمة: بالنسبة للأجزاء المتدلية والثقوب والميزات المائلة الكبيرة، يجب تصميم هياكل الدعم القابلة للإزالة لمنع التشوه أو الانهيار تحت الجاذبية أثناء الذوبان. يؤثر تصميم الدعم والإزالة بشكل كبير على التكلفة النهائية وجودة السطح.

تعد-المعالجة اللاحقة مرحلة لا غنى عنها في الطباعة ثلاثية الأبعاد للمعادن وغالبًا ما تمثل 30-50% من إجمالي التكلفة.

إزالة الدعامات وتنظيفها: تتم إزالة الدعامات عن طريق القطع الميكانيكي أو الأسلاك EDM أو الذوبان الكيميائي أو الطرق اليدوية. يتم تنظيف المسحوق غير الذائب (عمليات طبقة المسحوق-) أو الرذاذ الزائد (DED) جيدًا. تتيح أنظمة استعادة المساحيق إمكانية إعادة تدوير معظم المساحيق غير المستخدمة.

المعالجة الحرارية: يؤدي التلدين لتخفيف الإجهاد، أو المعالجة بالمحلول، أو التقادم، أو الضغط المتوازن الساخن (HIP) إلى التخلص من الضغوط المتبقية، وإغلاق المسام، وتجانس البنية المجهرية، مما يؤدي بشكل كبير إلى تحسين الصلابة والقوة والمتانة وأداء التعب. أصبحت HIP عملية قياسية لأجزاء الطيران المهمة.

المعالجة السطحية: يعمل السفع الرملي أو التلميع بالرصاص أو التلميع أو التلميع الكهروكيميائي أو الطلاء أو الطلاء على تحسين جودة السطح وتقليل الخشونة وتلبية متطلبات التجميع والمظهر.

التصنيع: يتم الانتهاء من أبعاد التزاوج الحرجة والثقوب الملولبة وأسطح الختم بواسطة التصنيع باستخدام الحاسب الآلي لضمان تلبية التفاوتات النهائية لمواصفات التصميم. تعتمد العديد من التطبيقات-المتطورة أسلوب تصنيع مختلط "إضافي + طرحي".

المزايا: تصنيع الأشكال الحرة- للهياكل المعقدة بدون قوالب، وهو مثالي للتخصيص وإنتاج مزيج منخفض-إلى-منخفض الحجم وعالي-. الاستخدام العالي للمواد (عمليات طبقة المسحوق- يمكن أن تتجاوز 90%، وهي نسبة أعلى بكثير من نسب الشراء العالية -إلى-التصنيع التقليدي للتيتانيوم)، مما يقلل من هدر المعادن باهظة الثمن. يتيح تصميمًا خفيف الوزن (هياكل شبكية، وتحسين البنية) يلبي المتطلبات المزدوجة لتقليل الوزن والأداء العالي في مجال الطيران والمجالات المماثلة. يسمح بدمج الأجزاء بشكل كبير، مما يقلل خطوات التجميع ويحسن الموثوقية.

القيود: التكلفة الرأسمالية المرتفعة للمعدات الصناعية (مئات الآلاف إلى عدة ملايين من الرنمينبي) وسرعات البناء البطيئة نسبيًا حاليًا تجعل هذه التكنولوجيا أقل ملاءمة -لإنتاج الأجزاء البسيطة على نطاق واسع جدًا. نظرًا لأن-تكون خشونة السطح ودقة الأبعاد أقل بشكل عام من الآلات التقليدية باستخدام الحاسب الآلي وتعتمد على المعالجة اللاحقة-. تشكل المساحيق المعدنية مخاطر انفجارية وأكسدة ومخاطر صحية، مما يتطلب حماية صارمة من الغاز الخامل - والتحكم في الغبار. لا يزال يجري توسيع قواعد بيانات معلمات تنوع المواد والعمليات-، وتظل دورات الاعتماد طويلة نسبيًا.

من خلال تصنيع الطبقة الرقمية-بواسطة-الطبقات، تغلبت الطابعات المعدنية ثلاثية الأبعاد على حواجز التعقيد في الآلات التقليدية وقدمت حلولاً ثورية للفضاء (مكونات المحرك، وهياكل الأقمار الصناعية)، والطب (الغرسات-الخاصة بالمريض، والأدلة الجراحية)، والأدوات (قنوات التبريد المتوافقة)، والطاقة، وصناعات السيارات. ومع التطور السريع لأنظمة الليزر- المتعددة، والمراقبة الذكية-في الموقع، وتحسين العمليات المستندة إلى الذكاء الاصطناعي-، وتقنيات التصنيع المختلطة، يستمر التحسن في الكفاءة والتكلفة والموثوقية. تعمل هذه التكنولوجيا على تسريع انتقالها من النماذج الأولية السريعة إلى التصنيع الرقمي المباشر والإنتاج التسلسلي، ومن المنتظر أن تصبح ركيزة لا غنى عنها في تصنيع المعدات المتطورة-.