تکنولوژی چاپ سه بعدی فلزات

تکنولوژی چاپ سه بعدی فلزات

در این مقاله ما تکنولوژی SLM، DMLS که اساس تکنولوژی چاپ سه بعدی فلزات می باشند را شرح می دهیم. روش SLM و DMLS دو فرآیند تولید به روش افزایشی برای فلزات بوده، که متعلق به خانواده چاپ سه بعدی می باشند. این دو تکنولوژی شباهت های زیادی دارند، هر دو از یک لیزر برای اسکن کردن و انتخاب ذرات پودر فلز (یا ذوب) استفاده نموده، آن ها را به هم چسبانده و یک قطعه را به صورت لایه به لایه تولید می کنند.

مواد مورد استفاده در تکنولوژی چاپ سه بعدی فلزات، پودر فلزات می باشند.

پودر فلزات مورد استفاده در تکنولوژی چاپ سه بعدی فلزات

تفاوت اصلی روش SLM و DMLS در نحوه پیوند دادن ذرات به یکدیگر است. SLM از پودرهای فلزی با دمای ذوب واحد استفاده نموده و پودر فلز را به طور کامل ذوب می کند، در حالی که روش DMLS چند ماده با نقاط ذوب مختلف را در یک سطح مولکولی با دمای بسیار بالا مخلوط می کند. به طور کلی SLM قطعات را از یک فلز واحد تولید می کند، در صورتی که DMLS قطعات را از آلیاژهای فلزی تولید می نماید.

روش SLM و DMLS

هر دو روش SLM و DMLS در کاربردهای صنعتی و برای ایجاد و بکارگیری محصولات مهندسی مورد استفاده قرار می گیرند. در این مقاله، ما از اصطلاح چاپ سه بعدی فلزات برای اشاره به هر دو فرآیند به طور کلی استفاده نموده و مکانیزم های پایه فرآیند ساخت را برای مهندسان و طراحان جهت درک مزایا و محدودیت های تکنولوژی موردنظر توصیف می کنیم.

پرینت سه بعدی فلزات

نحوه کارکرد تکنولوژی چاپ سه بعدی فلزات

همان طور که ذکر نمودیم اساس فرآیند SLM و DMLS بسیار مشابه است. در این قسمت چگونگی این فرآیند را شرح می دهیم:

1- در ابتدا محفظه ساخت با گاز بی اثر (به عنوان مثال آرگون) پر می شود تا اکسیداسیون پودر فلزی را به حداقل برسانند و سپس پودر فلز را به اندازه دمای مطلوب جهت ساخت گرم می کنند.

2- یک لایه نازک از پودر فلزی بر روی صفحه ساخت دستگاه اسپری می شود و یک لیزر قدرتمند اسکن مقطعی اجزاء را انجام می دهد، ذوب کردن (یا ترکیب کردن) ذرات فلزی با هم و ایجاد لایه انجام می گیرد. کل مناطق قطعه اسکن گردیده، به همین دلیل قطعه به طور کاملا جامد ساخته می شود.

3- زمانی که پروسه اسکن از قطعه تمام می شود، صفحه ساخت دستگاه به اندازه ضخامت یک لایه حرکت نموده و یک ورق نازک از پودر فلز را گسترش می دهد. این پروسه تا زمانی که قطعه به طور کامل تکمیل شود ادامه می یابد.

پروسه ساخت قطعات با پرینت سه بعدی

هنگامی که فرآیند ساخت به پایان رسید، قطعات به طور کامل در محفظه پودر فلزی قرار دارند. بر خلاف فرآیندهای ترکیب پودرهای پلیمری (همچون SLS) که نیاز به ساپورت ندارند، قطعات از طریق ساپورت ها به یکدیگر متصل می شوند.

در تکنولوژی چاپ سه بعدی فلزات، جنس ساپورت ها یکسان با قطعات تولیدی انتخاب می شود. استفاده از ساپورت ها به صورت همیشگی مورد نیاز بوده تا بتوان از تاب برداشتن قطعات که در اثر دمای بالای فرآیند رخ می دهد، جلوگیری نمود.

ساپورت در چاپ سه بعدی فلزات

هنگامی که محفظه به اندازه درجه حرارت اتاق خنک می گردد، پودر اضافی به صورت دستی برداشته می شود.

مشخصه روش های SLM و DMLS

پارامترهای چاپگر در تکنولوژی چاپ سه بعدی فلزات

در تکنولوژی های SLM و DMLS تقریبا تمام پارامترهای فرآیند توسط سازنده دستگاه تعیین می شود. ارتفاع لایه مورد استفاده در چاپ سه بعدی فلز بین 20 تا 50 میکرون متفاوت بوده و انتخاب آن بستگی به خواص پودر فلز (جریان پذیری،توزیع، اندازه ذرات، شکل و غیره) دارد.

اندازه معمولی چاپ یک سیستم سه بعدی چاپ فلزی 150×150×250 میلیمتر می باشد، اما ماشین های بزرگتر تا ابعاد (280×360×500) نیز در دسترس می باشند. دقت ابعادی که یک چاپگر فلزی می تواند به دست بیاورد تقریبا برابر با 0.1± میلیمتر است.

چاپگرهای فلزی را می توان جهت تولید دسته ای قطعات کوچک استفاده نمود، اما قابلیت های سیستم های چاپ سه بعدی فلزی بیشتر از قابلیت های ساخت سری چاپگرهای FDM، SLA و SLS مشابه هستند. آنها توسط منطقه چاپی موجود (جهتXY) محدود می شوند زیرا قطعات باید به پلتفرم ساخت متصل شوند.

پودر فلز مورداستفاده در روش های SLM و DMLS بسیار قابل بازیافت بوده و به طور معمول کمتر از 5% آن هدر می رود. بعد از هربار چاپ، پودر استفاده نشده جمع آوری شده، غربال گردیده و سپس با مواد جدید جهت اضافه شدن به سطح ترکیب می گردد.

جمع کردن پودر فلز در روش چاپ سه بعدی فلزات

ضایعات در چاپ فلز هرچند که به شکل ساپورت استفاده می شود تا برای تکمیل موفقیت آمیز ساخت قطعه استفاده شوند، اما می تواند مواد موردنیاز و هزینه را به شدت افزایش دهد، پس بهینه سازی در ساخت قطعات و ساپورت ها یکی از مهمترین اصول است.

قطعات با روش چاپ سه بعدی فلزات

قطعات فلزی SLM و DMLS خواص مکانیکی و حرارتی تقریبا ایزوتروپیک دارند. آنها به صورت جامد بوده و تخلخل داخلی بسیار کمی (کمتر از 0.2 – 0.5٪) دارند.

قطعات فلزی چاپ شده دارای قدرت و سختی بیشتری بوده و اغلب انعطاف پذیرتر از قطعاتی هستند که با استفاده از روش سنتی تولید می شوند. با این حال، آنها بیشتر در معرض خستگی هستند.

ساپورت ها و جهت پرینت گرفتن قطعه در تکنولوژی چاپ سه بعدی فلزات

به علت دمای بالای پروسه چاپ سه بعدی فلزات، به کار بردن ساپورت در ساخت قطعات چاپ سه بعدی الزامی می باشد. ساختار ساپورت در قطعات فلزی به صورت شبکه بندی شده ایجاد می گردد.

ساپورت در قطعات فلزی پرینت شده سه بعدی

ساپورت در چاپ سه بعدی قطعات فلزی سه عملکرد مختلف را در اختیار شما قرار می دهد:

1- ساپورت یک بستر مناسب جهت چاپ لایه سه بعدی را در اختیار شما قرار می دهد.

2- آن ها قطعات را به صفحه ساخت محکم نموده و از تاب برداشتن قطعات جلوگیری به عمل می آورد.

3- ساپورت ها به عنوان یک جذب کننده گرما شناخته می شود که باعث می شوند گرما با سرعت و دقت بیشتری کنترل شود.

اکثر قطعات به صورت زاویه دار پرینت گرفته می شود تا میزان تاب برداشتن آن ها به حداقل رسیده و قدرت قطعات در قسمت های بحرانی به حداکثر برسد، اما همیشه باید این نکته را مدنظر داشت که میزان ساپورت زمان ساخت قطعات را افزایش داده و اتلاف مواد را بیشتر می کند، در نتیجه باعث افزایش هزینه کل می گردد.

از آنجا که قیمت فلز بسیار زیاد است، اغلب از شبیه سازی برای پیش بینی رفتار فلز در حین فرآیند استفاده می گردد.

بهینه سازی الگوریتم های فرآیند نه تنها برای به حداکثر رساندن عملکرد مکانیکی و ایجاد قطعات سبک وزن، بلکه برای کم کردن نیاز به ساپورت و کم کردن احتمال تاب برداشتن قطعات استفاده می شود.

پرینت سه بعدی قطعات فلزی

بخش های توخالی و قسمت های سبک وزن در تکنولوژی چاپ سه بعدی فلزات

در تکنولوژی چاپ سه بعدی فلزات بر خلاف روش SLS، بخش های توخالی بزرگ معمولا استفاده نمی گردد، زیرا ساپورت ها به راحتی قابل جدا شدن نیستند.

به عنوان جایگزین برای بخش های توخالی قطعات را می توان با پوسته و هسته طراحی نمود، پوسته ها و هسته ها که با استفاده از قدرت لیزری و سرعت اسکن مختلف پردازش شده، منجر به خواص مختلف برای مواد می شود. استفاده از پوسته و هسته بسیار مفید است برای زمانی که قطعات با مقطع بزرگ را می خواهیم تولید کنیم زمان تولید آن ها به طور قابل توجهی کاهش پیدا می کند، میزان تاب برداشتن آن ها کاهش پیدا نموده و تولید قطعاتی با کیفیت و ثبات بالا امکان پذیر می گردد. ایجاد ساختار شبکه ای برای کاهش وزن قطعات نیز یکی از طرح هایی است که در قطعات فلزی تولید شده با چاپ سه بعدی بسیار کاربرد دارد.

عملیات پس از تولید در چاپ سه بعدی قطعات فلزی

عملیات پس از تولید بر روی قطعات تولیدی از طریق تکنولوژی چاپ سه بعدی فلزات

تکنیک های مختلف برای بهبود خواص مکانیکی، دقت و ظاهر قطعات چاپ شده فلزی مورد استفاده قرار می گیرند.

عملیات پس از تولید اجباری برای تمامی قطعات فلزی تولید شده با تکنولوژی چاپ سه بعدی شامل حذف پودر شل و ساپورت ها می باشد، در حالی که به طور معمول مواردی همچون حرارت دادن برای رفع تنش های باقی مانده و بهبود خواص مکانیکی مورد استفاده قرار می گیرد.

همچنین ماشینکاری CNC را می توان برای ویژگی های ابعادی حیاتی (همچون سوراخ ها یا رزوه ها) استفاده نمود. آبکاری فلزی، پرداخت و میکرو ماشینکاری می تواند مقاومت خستگی و کیفیت سطح یک بخش را بهبود بخشد.

عملیات پس از تولید در چاپ سه بعدی فلزات

مزایای تکنولوژی چاپ سه بعدی فلزات

تکنولوژی چاپ سه بعدی فلزات برای تولید قطعات متفرقه با هندسه پیچیده استفاده می گردد که در روش سنتی تولید آن ها امکان پذیر نیست.

قطعات فلزی 3D چاپ شده را می توان به لحاظ توپولوژیک بهینه سازی کرد تا با به حداقل رساندن وزن و تعداد کل اجزای آن در مجموعه، حداکثر عملکرد خود را به جای بگذارند.

قطعات فلزی چاپ شده داری خواص فیزیکی عالی بوده و دامنه وسیعی از مواد را در حیطه خود دارد.

معایب تکنولوژی چاپ سه بعدی فلزات

هزینه ی تولید و مواد مربوط به تکنولوژی چاپ سه بعدی فلزات بالاست، بنابراین این فن آوری برای قطعاتی که به راحتی با روش های سنتی تولید می شوند مناسب نیست.

اندازه ساخت قطعات فلزی محدود است، زیرا این فرآیند نیاز به شرایط دقیق و کنترل فرآیند ساخت دارد.

طرح های موجود ممکن است برای چاپ 3D فلز مناسب نباشند و نیاز به تغییر داشته باشند.

مقالات مرتبط

خدمات و مشاوره رایگان

021-88726992