پرینت سه بعدی فلزات

پرینت سه بعدی یا مجموعه روش‌های ساخت افزایشی، که به نوعی تبدیل مستقیم طراحی‌های کامپیوتری به محصول نهایی است، بیش از 35 سال است که از قدمت آن می‌گذرد و امروزه شاهد توسعه آن برای چاپ و تولید قطعات مختلف از جمله قطعات فلزی هستیم.

پرینت سه بعدی فلزات عموما به کمک پودر فلزات انجام می‌شود. تکنولوژی پرینت سه بعدی فلزات در صنایع و کاربردهای مختلف از جمله صنعت قطعه‌سازی، خودروسازی، هوافضا، پزشکی، و بسیاری از کاربردهای دیگر مورد استفاده قرار می‌گیرد.

در این نوشتار قصد داریم پرینت سه بعدی فلزات را به طور جامع بررسی ‌کنیم. اگر از علاقه‌مندان دنیای پرینت سه بعدی و ساخت افزایشی هستید و می‌خواهید اطلاعاتی در مورد پرینت سه بعدی قطعات فلزی داشته باشید، پیشنهاد می‌کنیم این مقاله را تا انتها دنبال کنید.

مقدمه

برای پرینت سه بعدی و ساخت افزایشی قطعات از مواد مختلف، ابتدا باید آن را به کمک رایانه طراحی کرد و یک طرح سه بعدی کامپیوتری از قطعه مورد نظر ایجاد کرد. این عمل با استفاده از نرم‌افزارهای CAD انجام می‌شود. نرم‌افزارهای کتیا، سالیدورکس، اتوکد و… همگی در این مرحله می‌توانند مورد استفاده قرار گیرند.

پس از اینکه طرح سه بعدی از قطعه نهایی آماده شد، با استفاده از نرم‌افزارهای مختلفی که برای این کار وجود دارد، بایستی مدل مورد نظر را به لایه‌هایی برش داد. تعداد لایه‌ها از اهمیت زیادی برخوردار است و با بیشتر کردن لایه‌ها، زمان تولید و درنتیجه هزینه و انرژی لازم بیشتر خواهد شد اما قطعه نهایی سطح خوب و مناسب و خواص مکانیکی بهتری خواهد داشت.

پس از تبدیل مدل سه بعدی به لایه‌های متوالی، بایستی آن را به صورت کد برای دستگاه پرینتر سه بعدی، تفسیر و ارسال کرد. این مرحله، یعنی تبدیل مدل سه بعدی به کد قابل فهم ماشین که G-Code نام دارد، در دستگاه‌های برشکاری CNC نیز به صورت مشابه انجام می‌شود.

در مرحله بعد نیز، پرینت سه بعدی قطعه به صورت لایه‌لایه انجام می‌پذیرد. در مورد فلزات در بیشتر مواقع، لایه‌ها توسط ذوب و زینتر پودر فلز با استفاده یک منبع انرژی متمرکز مثل لیزر، ایجاد و به یکدیگر متصل می‌شوند.

قطعه نهایی ممکن است در یک بستری از پودر ایجاد شود و یا پودر فلز از طریق یک نازل به همراه منبع انرژی لایه‌های قطعه را ایجاد کند. بنابراین مکانیزم‌های مختلفی از پرینت سه بعدی قطعات فلزی را خواهیم داشت. در ادامه مکانیزم‌ها و روش‌های پرینت سه بعدی فلزات، مواد مورد استفاده و کاربردهای آن را بررسی خواهیم کرد.

روش‌های پرینت سه بعدی فلزات

در استاندارد ISO/ASTM 52900 که در سال 2015 منتشر گردید، انواع روش‌های کلی چاپ سه‌بعدی مواد مختلف، مطرح گردیده است. به طور کلی بسته به مکانیسم‌های‌ به هم پیوستن ذرات و میزان چگال ‌شدن قطعات ساخته شده، فرایندهای ساخت افزایشی به دو صورت تک مرحله‌ای یا چند مرحله‌ای انجام می‌پذیرد.

همانطور که در دسته‌بندی کلی ارائه شده در شکل زیر مشاهده می‌کنید، پرینت سه بعدی فلزات از هردو روش ممکن است اما قطعات پلیمری تنها از طریق فرایندهای تک‌مرحله‌ای پرینت می‌شوند.

در روش‌های چندمرحله‌ای، پودرها باید با استفاده از چسب یا پلیمر به هم می‌پیوندند و به شکل نهایی خود می‌رسند و همین امر باعث نیاز به انجام فرایندهای ثانویه می‌شود. در این روش‌ها، سینتیک فرایند، از طریق ایجاد پیوند به کمک واکنش‌های گرمایی یا شیمیایی بالاتر می‌رود. بنابراین، در بحث پرینت سه بعدی، نحوه متراکم‌سازی برای قطعات ساخته شده از اهمیت خاصی برخوردار است.

ذکر این نکته نیز ضروری است که بسیاری از قطعاتی که در روش‌های سنتی، نیاز به انجام فرایندهای ماشین‌کاری، برشکاری، جوشکاری و… بعد از تولید هستند، در پرینت سه بعدی در یک مرحله قابل تولید هستند. درمورد قطعاتی که از نظر هندسی پیچیدگی دارند و یا قطعاتی که نیاز به مونتاژ دارند، قبل از استفاده از آن‌ها نیاز به انجام عملیات بعد از پرینت دارند.

گاهی پس از پرینت قطعات، فرایندهای ثانویه مانند برشکاری، لحیم‌کاری و… لازم است. گاهی نیز لازم است برای پرینت سالم قطعه، ساپورت‌گذاری انجام شود که این قسمت‌ها بعد از انجام پرینت، از قطعه جدا می‌کردد.

روش‌های تک‌مرحله‌ای پرینت سه بعدی فلزات را بسته به حالت مواد در پروسه پرینت قطعه می‌توان تقسیم‌بندی کرد. در هرکدام از این روش‌ها برای ساخت قطعه می‌توان از شکل‌های مختلف پودر فلز، سیم و یا فیلامنت فلزی و همچنین ورقه‌های فلزی استفاده نمود.

شماتیک کلی این فرایندها به صورت زیر است:

 

در صورت استفاده از سیم فلزی، مفتول فلز مورد نظر را از طریق نازل و منبع انرژی ذوب کرده و قطعه مورد نظر به صورت لایه‌لایه ساخته می‌شود. اگر از ورقه فلزی استفاده شود، شکل‌گیری قطعه در حالت جامد انجام می‌شود. اما در پرینت سه بعدی فلزات عموما از پودر فلز استفاده می‌گردد و فرایندهای پودری از نظر نحوه انجام فرایند دارای تنوع بیشتری هستند. این روش‌ها به تفصیل در ادامه مورد بررسی قرار می‌گیرند.

انجام روش‌های چاپ سه‌بعدی برای مواد مختلف از جمله فلزات به صورت فرایند چندمرحله‌ای نیز به صورت شکل زیر است. این روش‌ها نیز بسته به نحوه متراکم‌سازی ذرات بر دو اساس واکنش‌های شیمیایی و گرمایی تقسیم‌بندی می‌شوند. این روش‌ها نیز در ادامه به تفصیل بررسی می‌شوند.

 

در شکل زیر نیز این تقسیم‌بندی را به همراه 2 مثال از فرایندهای هر یک مشاهده می‌کنید:

فرایندهای پرینت سه بعدی فلزات به روش تک‌مرحله‌ای

• فرایند Powder Bed Fusion(PBF)

فرایند PBF متداول‌ترین روش پرینت سه بعدی فلزات است. در این فرایند بستری از پودر فلز تشکیل می‌شود که توسط یک منبع انرژی متمرکز مثل لیزر و باریکه الکترونی، به صورت گزینشی ذوب شده و لایه دیگری از پودر اضافه می‌گردد و به این ترتیب، قطعه نهایی به صورت لایه‌لایه در درون بستر پودر شکل گرفته و جدا می‌شود. بر اساس منبع انرژی این فرایند به دو صورت انجام می‌شود:

• ذوب گزینشی لیزری-Selective Laser Melting(SLM)

این فرایند به نام‌های Direct Metal Laser Sintering (DMLS)، Selective Laser Sintering (SLS)، Direct Metal Printing (DMP)و  Laser Powder Bed Fusion (LPBF)نیز شناخته می‌شود و در بیشتر کمپانی‌های پرینت سه بعدی فلزات به کار گرفته می‌شود.

این فناوری برای اولین بار در سال 1995 در مرکز تحقیقاتی Fraunhofer واقع در آخن آلمان ارائه شد.

دستگاه‌های SLM از لیزرهای قدرتمند برای ساخت لایه‌های فلزی قطعات استفاده می‌کنند. پس از پرینت تمام لایه‌ها، اپراتور قطعه را از بستر پودر برداشته و از صفحه ساخت جدا می‌کند و آن را پردازش می‌کند. اتمسفر محفظه دستگاه نیز توسط یک گاز خنثی(عموما آرگون یا نیتروژن) پر می‌شود.

به عنوان بالغ‌ترین نوع چاپ سه بعدی فلزی، SLM اغلب به عنوان استانداردی در نظر گرفته می‌شود که سایر فرایندها با آن ارزیابی می‌شوند. سرعت پرینت در این فرایند متوسط ​​است و دقت این دستگاه‌ها با عرض پرتو لیزر و ارتفاع لایه قابل پرینت تعیین می‌شود.

پرینت SLM، در طیف گسترده‌ای از کاربردها از دندانپزشکی گرفته تا هوافضا مورد استفاده قرار می‌گیرد. قطعات تولیدی از محدوده بسیار کوچک(حدود 100 میلی‌متر مکعب) تا بزرگ(حدود 500 میلی‌متر مکعب) قابلیت چاپ از طریق SLM را دارند.

بسیاری از قطعات پیچیده هندسی چاپ شده از طریق فرایند SLM نیازی به ماشین‌کاری ندارند و اکثر موادی که امروزه برای چاپ سه بعدی در دسترس هستند می‎توانند در دستگاه SLM برای پرینت قطعات فلزی استفاده شوند.

قطعاتی از جنس فلزات و آلیاژهایی مانند مس، آلومینیوم، فولاد زنگ نزن، فولاد ابزار، کبالت، کروم، تیتانیوم، تنگستن و آلیاژهایی مانند maraging steel، inconel 625، inconel 718، ALSi10Mg و Ti6Al4V از طریق فرایند ذوب گزینشی به کمک لیزر پرینت می‌شوند.

به طور کلی، پودر مناسب برای فرایند SLM بایستی از روش اتمیزه گازی به دست آمده باشد که یکی از روش‌های تولید پودر فلز است و همینطور مورفولوژی آن کروی باشد.

در کنار تمام مزیت‌ها، برخی از عملیات‌های مورد نیاز پس از پرینت، این ماشین‌ها را برای کاربرد صنعتی محدود می‌کند. به علاوه اینکه برای کار با ماشین‌های SLM نیاز به متخصصان آموزش دیده است. گاهی نیز به دلیل پیچیده بودن فرایند، بسیاری از قطعات نیاز به چاپ و اصلاح مجدد دارند.

به دلیل سرعت بالای ذوب و سرمایش و درنتیجه ایجاد تنش پسماند، اکثر قطعات پس از پرینت نیاز به پردازش و عملیات حرارتی قابل توجهی دارند. علاوه بر این، پودر فلزی که این ماشین‌ها از آن استفاده می‌کنند بسیار خطرناک و گران است.

شماتیک نوعی از دستگاه SLM به صورت زیر است:

 

شرکت جاویسا، در زمینه پرینت سه بعدی فلزات از طریق این روش به متقاضیان خدمات ارائه می‌دهد. با شما همراه گرامی پیشنهاد می‌دهیم در قسمت‌های مختلف سایت با این شرکت و خدمات آن بیشتر مطلع شوید.

• ذوب پرتو الکترونی Electron Beam Melting(EBM)

روش EBM برای اولین بار در سال 1997 توسط شرکت سوئدی Arcam ابداع گردید. ماشین های EBM برای ساخت قطعات از پرتو الکترونی به جای لیزر استفاده می‌کنند. GE Additive بزرگترین شرکتی است که ماشین‌های EBM تولید می‌کند.

پرتو الکترونی قطعات دقیق‌تری نسبت به SLM تولید می‌کند، اما این فرآیند به طور کلی برای قطعات بزرگ‌تر بهتر است و با سرعت بیشتری انجام می‌شود. این ماشین‌ها تقریباً همه محدودیت‌ها ، هزینه‌ها و مسائل مشابه ماشین‌های SLM را دارند، اما بیشتر از هرجا در کاربردهای هوافضا و پزشکی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

• فرایند رسوب‌نشانی مستقیم انرژیDirect Energy Deposition(DED)

رسوب مستقیم انرژی نیز از مواد اولیه فلزی و لیزر برای ساخت قطعات استفاده می‌کند. بر خلاف همجوشی بستر پودری، مواد ورودی که می‌تواند در دو شکل پودر یا سیم باشد به همراه پرتو لیزر هر دو با هم به بستر قطعه وارد می‌شود و مواد به طور همزمان توزیع و ذوب می‌شود.

دستگاه‌هایی که از سیم به عنوان ماده ورودی استفاده می‌کنند، نسبت به دستگاه‌های پودری دقت، کیفیت و حجم بیشتری دارند و همچنین ماشین‌آلات بزرگتری داشته و قطعات بزرگتری را نیز می‌توان به کمک آن تولید کرد.  شماتیک دستگاه DED با ورودی سیم، به صورت زیر است. در دستگاه با ورودی پودر، نازل پودر قرار دارد.

 

استفاده این فرایند برای کاربردهای تعمیر یا افزودن مواد به قطعات ساخته شده حساس(مانند توربین‌ها) مناسب‌تر است. همچنین قطعاتی از جنس آلیاژهای فولاد زنگ نزن 316 و 304، سوپر‌آلیاژهای پایه نیکل مانند اینکونل 625، 690، 718، فولاد ابزار، تنگستن، بسیاری از آلیاژهای تیتانیم مانند Ti-6Al-4V، آلومینید نیکل، آلومینیوم و مس با استفاده از این روش پرینت و یا تعمیر می‌شوند.

فرایندهای پرینت سه بعدی فلزات به روش چندمرحله‌ای

• فرایند ساخت افزایشی BJT(Binder Jetting)

قدمت این روش به اوایل دهه 1990 میلادی برمی‌گردد و اولین بار در دانشگاه MIT توسعه پیدا کرد. BJT به طور گسترده برای ساخت قطعات، نمونه‌سازی سریع و ابزار ریخته‌گری مانند قالب و ماهیچه استفاده می‌شود. مواد مختلفی از جمله بیش از 25 نوع شن و ماسه، سرامیک، کامپوزیت و همینطور فلزات، قابلیت پرینت از این طریق را دارند.

اگرچه این روش پرینت سه بعدی بیشتر برای شن و ماسه و تولید ابزار ریختگری متداول است اما چندین شرکت مطرح مانند ExOne، Digital Metal، Desktop Metal و HP از این روش برای پرینت سه بعدی قطعات فلزی استفاده می‌کنند.

در پرینت سه بعدی فلزات از این طریق، یک مرحله زینترینگ نیز لازم است که در این مرحله، قطعه خام گاهی تا 97 درصد چگال‌تر می‌شود. علاوه بر آن میکروساختار قطعه و ایزوتروپی دانه‌های آن در این روش بهبود می‌یابد.

در یک نمونه از قطعات پرینت شده برای کاربرد در صنعت خودروسازی، توسط شرکت ExOne، چهل و هفت درصد کاهش وزن نسبت به تولید از طریق روش‌های سنتی گزارش شد.

مواد اولیه در این روش به صورت پودر است که در بستری به صورت لایه‌لایه اضافه می‌شود. پس از هر بار لایه‌گذاری، بایندر یا اتصال‌دهنده ذرات و لایه‌ها طبق مدل سه بعدی تزریق می‌شود و به این ترتیب قطعه نهایی خام شکل می‌گیرد. در نهایت قطعه به کوره رفته و زینتر می‌شود.

اگر لایه‌های پودر را مشابه با ورقه‌های کاغذ و بایندر را مشابه با جوهر در نظر بگیریم، در میان روش‌های مختلف ساخت افزایشی، BJT بیشترین شباهت را به چاپ نوشته روی کاغذ دارد. شماتیک انجام این فرایند که در سایت شرکت ExOne ارئه شده، به صورت زیر است:

 

در این روش مرحله پرینت قطعه بدون نیاز به حرارت انجام می‌شود، اما در آن می‌توان از لیزر نیز کمک گرفت. باید توجه داشت که استفاده از لیزر باعث تشکیل تنش‌های پسماند در ساختار قطعات فلزی می‌شود که در این صورت به عملیات‌های بعدی نیاز است.

• فرایند Material Extrusion(MEX)

این فرایند دومین نوع از روش‌های پرینت سه بعدی بود که به عنوان تکنولوژی ساخت افزایشی متداول شد. روش MEX را Scott Crump در سال 1989 ابداع و پتنت کرد و تحت عنوان FDM که برگرفته از Fused Deposition Modeling است، توسط شرکت خود یعنی Stratasys برای پرینت سه بعدی قطعات مورد استفاده قرار داد.

از فرایند اکستروژن برای موادی استفاده می‌شود که قابلیت خمیری شدن خوبی دارند و درنتیجه گستره بزرگی از پلیمرهای مختلف از طریق این فرایند پرینت می‌شوند. مواد اولیه می‌تواند به صورت پودر باشد و برای اکسترود، خمیری شود. همچنین ممکن از فیلامنت و رشته پلیمری نیز استفاده شود که قیمت بیشتری خواهد داشت.

اما از روش اکستروژن تنها برای قطعات پلیمری استفاده نمی‌شود و این فرایند برای فلزات نیز توسعه یافته است و بیشترین مورد استفاده از آن برای فلزاتی مانند سری 6000 و 7000 آلیاژهای آلومینیومی است که قابلیت جوش پذیری کمتری دارند.

علاوه بر آن در روش‌های PBF و DED قطعات فلزی ساخته شده از فلزاتی مانند مثال ذکر شده، حاوی تنش پسماند و گاهی ترک بوده و این امر آن‌ها را برای استفاده‌های حساس مثل صنعت هوافضا غیر ممکن می‌کند. به همین دلیل است در بین آلیاژهای آلومینیوم، مناسب‌ترین ماده برای استفاده در فرایند PBF، آلیاژ AlSi10Mg به دلیل عدم وجود ترک در ساختار نهایی آن است.

ماده مصرفی در این روش برای فلزات، پودر فلز به همراه یک بایندر است. تفاوت اصلی پرینت فلزات و پلیمرها از این طریق این است که در پرینت قطعات فلزی، به دلیل استفاده از بایندر زودذوب، قطعه خام پرینت شده قابل استفاده نخواهد بود و باید تحت عملیات زینترینگ قرار گیرد.

در این روش پودر به همراه بایندر از طریق نازل خارج شده و قطعه به صورت لایه‌لایه ساخته می‌شود. شماتیک انجام فرایند بسیار به صورت شکل زیر است:

 

زینترینگ باعث بالا رفتن چگالی به میزان قابل توجه خواهد شد و در نهایت قطعه تولیدی وزن کمتری نسبت به روش‌های تولید سنتی خواهد داشت. همچنین با استفاده از لایه‌های بیشتر و نازک‌تر که پیشرفت و توسعه تکنولوژی پرینت آن را ممکن می‌کند، پرینت سه بعدی فلزاتی با حفرات کمتر و پیوستگی بیشتر از این طریق ممکن خواهد بود.

شرکت‌هایی مانند MarkForged و Desktop Metal از روش اکستروژن برای پرینت سه بعدی فلزات بهره گرفته‌اند. قطعات پرینت شده از جنس فولاد زنگ نزن 17-14PH توسط این شرکت‌ها و از طریق فرایند اکستروژن روانه بازار می‌شود.

قطعات پرینت شده از جنس فلزات و آلیاژهای دیگری همچون فولاد زنگ نزن 316L، H13، فولاد ابزار، مس، تیتانیوم، سوپرآلیاژهای پایه نیکل و البته آلومینیوم نیز از طریق فرایند اکستروژن در حال تولید و یا در حال توسعه هستند.

فرایند Sheet Lamination(SL)

این فرایند در انواع مختلفی قابل انجام است که می‌توان آن‌ها را بر اساس تکنیک لمینیت مورد استفاده برای چسباندن ورق‌ها به یکدیگر طبقه‌بندی کرد؛ مانند اتصال چسبنده، پیوند حرارتی و جوشکاری اولتراسونیک. همچنین در شکل‌گیری آنها تفاوت‌هایی وجود دارد. در برخی موارد، آنها مانند فرآیند ساخت مواد مهندسی چند لایه (CAM-LEM) به کمک کامپیوتر شکل گرفته و سپس به هم متصل می‌شوند یا مانند فرآیند تولید افزودنی التراسونیک (UAM) پیوند داده می‌شوند. انواع دیگری نیز از این فرایند وجود دارد.

هر نوع فرایند SL تا حدودی متفاوت از یکدیگر است، اما اصول و اساس آن‌ها یکسان است. در شکل زیر شماتیک روش اصلی تولید اجسام چند لایه که اولین تکنیک تجاری سازی تولید افزودنی در سال 1991 بود، نشان داده شده است.

 

در این فرایند، یک ورقه نازک از مواد توسط غلتک روی سکوی سازه قرار می‌گیرد. بسته به نوع لمینت ورق، لایه بعدی ممکن است به ورق قبلی چسبانده شود یا نشود که در این صورت انجام فرایند به ترتیب به صورت تک مرحله‌ای یا چند مرحله‌ای خواهد بود.

در نوعUAM ، لایه‌ها به هم پیوند می‌خورند و در نهایت شکل سه بعدی را در انتها برش می‌دهند. در CAM-LEM  لایه‌ها را با توجه به شکل سه بعدی قطعه برش می‌دهد و سپس لایه‌ها را به هم می‌چسباند. این روند تا زمانی که تمام لایه‌ها را تکمیل کند، ادامه می‌یابد تا به ارتفاع کامل برسد. سپس تمام لبه های بیرونی اضافی بریده می‌شوند تا قطعه سه بعدی چاپ شده به دست آید.

در این فرایند، ضخامت لایه همان ضخامت ورق‌های نازک از مواد است و کیفیت نهایی را تعیین می‌کند. ضخامت لایه نیز بستگی به دستگاه و فرآیند مورد استفاده دارد.

روش UAM بیشتر برای فلزات و موادی که قابلیت جوش پذیری خوبی دارند استفاده می‌شود. همچنین در این روش، امکان ایجاد قطعات کامپوزیتی و مخصوصا فیبر کربنی وجود دارد.

تکنولوژی‌های مختلف ساخت افزایشی، پتانسیل‌های بالفعل و بالقوه فراوانی در تولید قطعات مختلف دارد. در این مقاله که از جاویسا مطالعه کردید، پرینت سه بعدی فلزات از دیدگاه جامعی مورد بررسی قرار گرفت و کاربردها، روش‌ها و مواد مختلف آن مورد بحث قرار گرفت. امیدواریم اطلاعات سودمندی را در این حوزه در اختیار شما قرار داده باشیم.

شرکت جاویسا ارائه‌دهنده خدمات پرینت سه بعدی است که پیشنهاد می‌کنیم در بخش‌های مختلف سایت انواع خدمات شرکت و مطالب دیگر درمورد پرینت سه بعدی را مطالعه نموده و نظرات و پیشنهادات خود را نیز با ما به اشتراک بگذارید.