ذوب گزینشی با لیزر (Selective Laser Melting)
پرینترسه بعدی SLM یکی از پیشرفته ترین چاپگرهای سه بعدی است که برای ساخت قطعات فلزی مورد استفاده قرار می گیرد. در این مقاله، به معرفی کامل این فناوری می پردازیم.
مقدمه ای بر ساخت افزایشی
ساخت افزایشی یا Additive Manufacturing , وبه اختصار AM فناوری پایه و اساسی به کار رفته در پرینتر های سه بعدی است. در فناوری ساخت افزایشی، برای ساخت قطعات سه بعدی، لایه های دو بعدی را بر اساس یک طرح کامپیوتری بر روی یک دیگر می سازیم تا قطعه نهایی ساخته شود. داین اتفاقی است که در همه پرینتر های سه بعدی فعلی جهان رخ می دهد. برای آشنایی بیشتر با فناوری ساخت افزایشی می توانید مقاله ساخت افزایشی چیست؟ را مطالعه کنید.
هر پرینتر سه بعدی به روش خودش از این فناوری استفاده می کند تا لایه های دو بعدی را بر روی یک دیگر بسازد، اگر تمایل دارید به صورت مختصر و مفید با انواع پرینتر های سه بعدی آشنا شوید به صفحه “پرینت سه بعدی” سر بزنید.
آشنایی با پرینتر سه بعدی SLM
پرینتر سه بعدی SLM که نام آن از عبارت Selective Laser Melting یا ذوب گزینشی با لیزر می آید، یکی از معروف ترین پرینترهای سه بعدی است. با استفاده از این چاپگر شما می توانید اجسام سه بعدی فلزی را مستقیماً از فایل دیجیتال طراحی شده بسازید.
امروزه شرکت های متنوعی در جهان به تولید این پرینتر ها می پردازند، شرکت های EOS، SLM solution جز برندهای بزرگ جهانی هستند. در ایران نیز شرکت نورا لایه نگار به تولید این مدل از پرینتر سه بعدی می پردازد. برای آشنایی 15 شرکت مطرح سازنده پرینتر های سع بعدی می توانید اینجا کلیک کنید.
تاریخچه این فناوری به سال 1995 در کشور آلمان بر می گردد. این فناوری و برخی فناوری های مشابه دیگر، به دلیل آن که فرایند ساخت قطعه در یک بستری از پودر انجام می شود به فناوری های ذوب بستر پودر (Powder Bed Fusion) معروف هستند.
پرینتر سه بعدی SLM چگونه کار می کند؟
پرینتر سه بعدی SLM با استفاده از یک لیزر با توان بالا، به عنوان منبع انرژی، بخش هایی از بستر پودر را ذوب می کند. با تکمیل عملیات ذوب و انجماد، بخش هایی از پودر به یک لایه لازک فلزی تبدیل می شود، با تکرار این مرحله، قطعه سه بعدی ساخته می شود. در ادامه عملکرد این پرینتر ها را با جزئیات شرح می دهیم.
معرفی بخش های اصلی پرینتر سه بعدی SLM
شناخت بخش ها و اجزای اصلی یک پرینتر SLM می توانددرک عملکرد کار آن را آسان کند. مهمترین اجزای این پرینتر، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، عبارتند از
- بستر ساخت: بستر ساخت مکانی است که پودر فلز بر روی آن پخش می شود و ساخت قطعه روی آن انجام می شود، این بستر با استفاده از یک سیستم تنظیم ارتفاع، بالا و پایین می رود.
- مخزن پودر: مخزن پودر مکانی است که پودر فلز به عنوان ماده اولیه در آن ریخته می شود. این مخزن نیز توسط یک سیستم تنظیم ارتفاع بالا و پایین می رود.
- کوتر: کوتر یک تیغه است که پودر فلز را از سطح مخزن به سمت بستر ساخت می برد و بر روی بستر ساخت پخش می کند.
- لیزر: لیزر منبع انرژی در این دستگاه است. لیزر با تاباندن پرتو به پودر فلز، آن را ذوب می کند.
البته موارد بالا مهمترین بخش های یک پرینتر سه بعدی SLM بوده است که با مستقیما با فرایند چاپ در ارتباط است، علاوه بر موارد بالا سیستم های بسیاری در این ماشین ها وجود دارد که عملکرد و هماهنگی این اجزا را ممکن می سازد.
این پرینتر ها همراه با یک کامپیوتر و سیستم نرم افزاری مخصوص خود می باشند که اجرای فرایند را کنترل می کند. همچنین برای جلوگیری از اکسید شدن فلز، فرایند در یک محفظه بسته انجام می شود. در برخی از مدل ها، با تزریق گاز خنثی و در برخی از مدل ها با فیلتر اکسیژن، عامل اکسیژن از محیط حذف می شود.
مراحل انجام فرایند چاپ سه بعدی
آماده سازی اولیه دستگاه
در این روش همانند سایر روش ها آماده سازی دستگاه و شارژ مواد اولیه از اقدامات اولیه می باشد. ماده اولیه در این روش به شکل پودر فلز می باشد. همچنین در این مرحله فایل سه بعدی دیجیتال و همچنین پارامتر های ویژه پرینت (در ادامه به صورت مختصر این پارامتر هارا معرفی خواهیم کرد.) از طریق نرم افزار دستگاه به دستگاه داده خواهد شد.
برای شارژ پودر باید پودر فلز مورد نظر را در مخزن دستگاه ریخته و سطح آن صاف شود. ارتفاع مخزن هم باید دقیقا هم سطح با بستر ساخت قرار بگید.
بسته به مدل دستگاه، عملیات حذف اکسیژن (تزریق گاز خنثی و یا فیلتر کردن اکسیژن که به صورت پیوسته انجام می شود) انجام می شود. پس از این آماده سازی اولیه فرایند اصلی شروع می شود.
فرایند اصلی پرینت
- در ابتدا مخزن به اندازه تعیین شده بالا می آید( این اندازه به ضخامت لایه تعیین، که یکی از مهمترین پارامتر ها است بستگی دارد)، در این حالت مازادی از پودر از لبه مخزن بالا آمده که کوتر یا تیغه می تواند آن را به سمت بستر ساخت ببرد.
- در همین زمان بستر ساخت به اندازه ضخامت لایه تعیین شده به سمت پایین حرکت می کند تا فضای مورد نیاز برای پودر هایی که توسط کوتر آورده می شود ایجاد شود.
- کوتر پودر را از سمت مخزن به سمت بستر می برد و بر روی بستر پودر پخش می کند( در مرحله اول پودر مستقیما بر روی بستر فلزی دستگاه قرار می گیرد، در مراحل بعدی پودر بر روی لایه های پودر قبلی پخش می شود.
- پس از پخش پودر، لیزر بر اساس نقشه ای که از فایل دیجیتال دارد، بخش هایی از پودر را ذوب می کند. در واقع لیزر در هر نقطه یک حوضچه مذاب بسیار کوچک ایجاد می کند. این حوضچه مذاب به سرعت سرد شده و منجمد می شود. در اثر این اتفاق یک لایه دو بعدی در میان لایه پودر ایجاد می شود.
با تکرار مراحل بالا، قطعه سه بعدی در میان توده ای از پودر شکل می گیرد. پس از تکمیل تمام مراحل، قطعه را از بستر ساخت ( گاها نیاز به وایرکات دارد) جدا می کنیم و قطعه آماده است.
معرفی پارامتر های پرینت
یکی از موضوعات مهم در فرایند پرینت، تنظیمات صحیح دستگاه می باشد. در صورتی فرایند چاپ با پارامترهای مناسب انجام نشود، کیفیت قطعه نهایی تحت تاثیر قرار می گیرد.
رسیدن به پارامتر های پرینت مناسب یکی از چالش های اساسی می باشد. پارامتر ها بسته به نوع پودر( جنس، مورفولوژی و …) و همچنین ویژگی های دستگاه و همچنین طراحی و خواصی که مد نظر داریم می تواند تغییر کند. امروزه بهینه یابی پارامترهای پرینت برای مواد مختلف یکی از متداول ترین حوزه های پژوهشی می باشد.
در فرایند چاپ سه بعدی با روش ذوب گزینشی با لیزر پارامتر های بسیار فراوانی وجود دارد، در این بخش ما به معرفی چهار پارامتر می پردازیم که از اهمیت بالایی برخوردار هستند. در پژوهش های بسیاری شما با این پارامتر ها برخورد خواهید کرد.
این چهار پارامتر عبارت اند از:
- ضخامت لایه
- سرعت اسکن
- توان لیزر
- فاصله هچ
موضوع مهم در مورد این چهار پارامتر این است که این موارد به صورت مستقل از هم نیستند، در واقع باید به صورت یک مجموعه از پارامتر به آن ها نگاه کرد. زیرا آن ها پارامترهای اصلی ای هستند که میزان انرژی ای ورودی به حوضچه مذاب را مشخص می کنند.
ضخامت لایه در واقع ضخامت لایه پودری می باشد که در هر لایه بر روی بستری از پودر پخش می شود، برای مثال در بسیاری از مواقع ضخامت 20 یا 30 میکرون مورد استفاده قرار می گیرد.
سرعت اسکن در واقع سرعتی است که لیزر از روی پودر عبور می کند، هرچه سرعت کمتر باشد، لیزر مدت زمان بیشتری بر روی پودر می ماند و انرژی بیشتری منتقل می کند و هرچه سریعتر باشد انرژی کمتری به پودر منتقل می شود، این سرعت باید در حد مناسب باشد تا حوضچه مذاب به بهترین فرم شکل گیرد.
توان لیزر هم همانطور که از نامش مشخص است قدرت لیزر را مشخص می کند. این عدد هم باید در اندازه ای باشد که ذوب به خوبی انجام گیرد و از کیفیت قطعه نیز نکاهد.
فاصله هچ در واقع به فاصله ی میان دو خط اسکن لیزر می باشد، هنگامی که لیزر یک مسیر را اسکن می کند، در خطوطی کنار هم حرکت می کند. این فاصله نیز باید به صورت مناسب تعیین گردد.
در واقع همه این پارامتر ها باید در حد بهنیه ای باشند که حوضچه مذاب در بهترین فرم ممکن شکل گیرد و منجمد شود تا قطعه بهترین کیفیت را داشته باشد.
همانطور که گفته شد پارامتر ها و موارد بسیاری است که باید تعیین شود و موارد بالا تنها برخی از معروف ترین آن ها است. در صورتی که شما از آلیاژ های معروف استفاده کنید، بسیاری از موارد بالا از پیش مشخص شده و تنها با استفاده از یک راهنما پارامتر های مناسب را وارد می کنید. اما در صورتی که از پودر های جدید استفاده می کنید باید فرایند بهینه یابی پارامتر هارا قبل از پرینت انجام دهید.
کاربردهای پرینتر سه بعدی SLM
پرینتر سه بعدی SLM یک پرینتر گران قیمت و صنعتی به حساب می آید. این گران بودن قیمت هم به سبب قیمت بالای پرینتر و هم به سبب هزینه ی بالای پودر فلز به عنوان ماده اولیه می باشد. به همین خاطر عمده کاربرد های این فناوری در حوزه های صنعتی یا پزشکی می باشد. تولید قطعات پیچیده صنعتی در تیراژ کم، تولید قطعاتی که به سبب محدودیت های تولید امکان تولید آن ها با روش های دیگر وجود ندارد، ساخت ایمپلنت های استخوانی و دندانی، تولید مجموعه های صنعتی پیچیده به شکل یکپارچه و …. از مهمترین کاربرد های این فناوری می باشد.
مزایا و معایب پرینتر سه بعدی SLM
از مهمترین مزایای پرینتر سه بعدی SLM می توان به موارد زیر اشاره کرد:
- امکان ساخت قطعاتی که با سایر روش ها قابلیت تولید ندارند.
- قابلیت تولید کامپوزیت های زمینه فلزی
- چاپ قطعات بدون نیاز به قالب و …
- ساخت قطعات در تیراژ کم با هزینه مناسب
- خواص مکانیکی خوب
- و …
از مهمترین معایب پرینتر سه بعدی SLM می توان به موارد زیر اشاره کرد.
- قیمت بالای پرینتر
- قیمت بالای پودرفلزات
- محدودیت در چاپ برخی فلزات که جذب نور کمی دارند.(بازتاب بیشتری دارند)
جمع بندی
پرینتر سه بعدی SLM نظیر سایر پرینتر های سه بعدی فعلی بر مبنای فناوری ساخت افزایشی عمل می کند. این پرینتر ها پودر فلزات را که بر روی یک بستر پخش شده است را به وسیله ی یک لیزر پرقدرت ذوب کرده و پس از انجماد لایه ای از قطعه سه بعدی ساخته می شود. با تکرار این فرایند قطعه سه بعدی در میان توده ای از پودر فلز ایجاد می شود. این پرینتر ها قیمت بسیار بالایی دارند و کاربرد آن ها بیشتر شامل کاربرد های صنعتی و حوزه پزشکی می باشد.
جاویسا با همکاری شرکت فلزفام کوشا به ارائه خدمات چاپ سه بعدی فلزات با روش ذوب گزینشی با لیزر به صنعتگران و پژوهشگران می پردازد. برای مشاوره و دریافت خدمات می توانید با ما تماس بگیرید.
