اصول چاپگرهای سه بعدی فلزی

چاپگرهای سه بعدی فلزی با پخت، ذوب یا جوش دادن مواد فلزی (مانند پودر یا سیم) لایه به لایه کار می کنند تا یک مدل دیجیتال سه بعدی- را به یک قطعه فلزی جامد تبدیل کنند. فرآیند اصلی را می توان به چهار مرحله تقسیم کرد: آماده سازی داده، تامین مواد، لایه-توسط-تولید لایه، و پردازش پست-. این فناوری به طور کامل بر محدودیت‌های پیچیدگی هندسی تولید سنتی کاهشی غلبه می‌کند و به یک روش تولید مهم در زمینه‌های پیشرفته مانند هوافضا، مهندسی زیست پزشکی و تجهیزات انرژی تبدیل شده است. بخش های بعدی اصول و جزئیات فنی هر مرحله کلیدی را توضیح می دهد.

پردازش مدل سه بعدی: کاربران مدل را با استفاده از نرم افزار CAD (مانند SolidWorks، UG یا CATIA) طراحی می کنند یا آن را از طریق اسکن سه بعدی یا بازسازی سی تی به دست می آورند. این نرم افزار مدل را به قالب قابل خواندن چاپگر-(معمولاً STL، اما همچنین 3MF یا OBJ) تبدیل می‌کند و خطاهای هندسی (مانند سوراخ‌ها، -لبه‌های غیر منیفولد، چهره‌های همپوشانی یا نرمال‌های نادرست) را تعمیر می‌کند. این مرحله بسیار مهم است زیرا هر نقص مدل می تواند مستقیماً باعث خرابی چاپ یا رد قطعه شود. پیش{8}}پردازش پیشرفته همچنین شامل بهینه‌سازی توپولوژی و طراحی مولد برای کاهش قابل توجه وزن و در عین حال برآورده کردن الزامات استحکام است.

برش لایه: نرم افزار چاپگر تخصصی (مانند Materialize Magics، EOSPRINT یا SLM Build Processor) مدل سه بعدی را در امتداد محور عمودی (Z) به صدها یا هزاران لایه نازک برش می دهد. ضخامت لایه معمولاً 20-100 میکرومتر است (20-40 میکرومتر برای قطعات دقیق؛ 60-100 میکرومتر برای اجزای ساختاری بزرگ). فرآیند برش یک فایل حاوی اطلاعات کانتور، مسیرهای پر کردن، استراتژی‌های اسکن و ساختارهای پشتیبانی برای هر لایه تولید می‌کند که دقیقاً چاپگر را هدایت می‌کند. استراتژی‌های اسکن (نوار، شطرنجی، مارپیچ و غیره) و پارامترهای چگالی انرژی به شدت بر تنش پسماند، چگالی و کیفیت سطح تأثیر می‌گذارند و باید با توجه به هندسه مواد و قطعه بهینه شوند.

فناوری های پرینت سه بعدی فلزی بر اساس شکل مواد و منبع انرژی متفاوت است. دسته بندی های اصلی به شرح زیر است:

فیوژن بستر پودری (PBF) این در حال حاضر بالغ‌ترین و بالاترین{0}}فناوری جریان اصلی است.

ذوب لیزری انتخابی (SLM): یک لیزر فیبر{0} با توان بالا (معمولاً 200 تا 1000 وات؛ سیستم‌های لیزری چند{3} می‌توانند به چندین کیلووات برسد) به طور انتخابی بستر پودر فلز را مطابق مسیر برش داده شده ذوب می‌کند. ناحیه مذاب پس از سرد شدن جامد می شود و یک لایه تشکیل می شود، در حالی که پودر ذوب نشده هم به عنوان حمایت و هم محافظ عمل می کند. کل فرآیند تحت گاز بی اثر (آرگون یا نیتروژن) برای جلوگیری از اکسیداسیون انجام می شود. مناسب برای آلیاژهای تیتانیوم، آلیاژهای آلومینیوم، فولادهای ضد زنگ، سوپرآلیاژهای مبتنی بر نیکل-و غیره، با چگالی بیش از 99%.

ذوب پرتو الکترونی (EBM): از یک پرتو الکترونی با انرژی بالا به عنوان منبع گرما برای پیش گرم کردن و ذوب پودر فلز در یک محیط- با خلاء بالا استفاده می کند. پیش گرم کردن به طور قابل توجهی استرس باقیمانده را کاهش می دهد و سرعت ساخت سریعتر را امکان پذیر می کند و به ویژه برای ایمپلنت های ارتوپدی تیتانیومی مناسب است. هزینه تجهیزات بالا و زبری سطح نسبتاً بیشتر است.

زینترینگ مستقیم فلزات لیزری (DMLS): در اصل مشابه SLM است. از لحاظ تاریخی به فرآیندهایی اشاره می‌کند که در آن پودر فقط تا حدی ذوب می‌شود (سینتر)، اما امروزه اصطلاحات DMLS و SLM اغلب به جای یکدیگر در صنعت استفاده می‌شوند. مناسب برای کاربردهای چند-موادی یا مواردی که نیاز به ذوب کامل{3}} کمی کمتر دارند.

رسوب مستقیم انرژی (DED)

رسوب فلز لیزری (LMD): به طور همزمان پودر یا سیم فلز را تغذیه می کند در حالی که لیزر یک حوضچه مذاب روی بستر یا لایه قبلی ایجاد می کند و مواد را رسوب می دهد. -تعمیر قطعات بزرگ، مواد درجه بندی شده عملکردی، و افزودنی ترکیبی{2}}تولید تفریق کننده را فعال می کند. نرخ رسوب بسیار بالاتر از PBF است.

تولید افزودنی قوس سیمی (WAAM): از قوس الکتریکی به عنوان منبع گرما برای ذوب سیم فلزی و رسوب لایه به لایه آن استفاده می کند. هزینه تجهیزات کم، استفاده از مواد بالا و مناسب برای سازه‌های هوافضای فوق-بزرگ، اما دقت و کیفیت سطح پایین‌تر معمولاً به ماشین‌کاری بعدی نیاز دارد.

پرتاب بایندر یک سر چاپ به طور انتخابی یک کلاسور را روی بستر پودر فلزی پرتاب می کند و پودر را به یک لایه "سبز" می چسباند در حالی که پودر غیرمحافظه به عنوان تکیه گاه عمل می کند. پس از چاپ، قطعه برای دستیابی به چگالی نهایی، تحت debinding (حذف کلاسور) و پخت{1} در دمای بالا قرار می گیرد. این فرآیند هیچ تنش حرارتی در حین چاپ ندارد، سرعت بالایی ارائه می‌کند و برای تولید با حجم متوسط ​​مناسب است، اگرچه انقباض زینترینگ باید به طور دقیق جبران شود.

پخش پودر / تغذیه مواد: در فناوری‌های{0} بستر پودری، یک تیغه یا غلتک با دقت بالا، لایه‌ای یکنواخت از پودر فلز را بر روی سکوی ساخت پخش می‌کند که با ضخامت برش مطابقت دارد. جریان پذیری پودر و توزیع اندازه ذرات به طور مستقیم بر کیفیت لایه تأثیر می گذارد. در رسوب مستقیم انرژی، یک فیدر سیمی یا نازل پودر کواکسیال/جانبی، مواد را دقیقاً به حوضچه مذاب می‌رساند.

انرژی ورودی و ذوب: لیزر، پرتو الکترونی یا قوس، مواد را در طول مسیر برنامه ریزی شده با سرعت بالا اسکن می کند، به طور موضعی آن را ذوب یا تف جوشی می کند تا لایه نازکی را تشکیل دهد که دقیقاً با خطوط برش مطابقت دارد. دمای-استخر، اندازه و سرعت خنک‌شدن ذوب دقیقاً توسط توان، سرعت اسکن و قطر نقطه کنترل می‌شود که ریزساختار و سطوح نقص را تعیین می‌کند.

پیوند بین-لایه: پس از تکمیل هر لایه، ضخامت سکوی ساخت یک لایه کاهش می یابد (یا بستر پودر بالا می رود)، یک لایه پودری جدید پخش می شود و فرآیند ذوب تکرار می شود. لایه ها با پیوند متالورژیکی به هم متصل می شوند تا یک جامد سه بعدی- پیوسته را تشکیل دهند. سیستم‌های مدرن اغلب از نظارت بر حوضچه‌های ذوب در زمان واقعی با استفاده از دوربین‌های-با سرعت بالا، پیرومتری مادون قرمز، یا توموگرافی اپتیکال استفاده می‌کنند.

سازه های تکیه گاه: برای برآمدگی ها، سوراخ ها و ویژگی های شیب دار بزرگ، سازه های تکیه گاه قابل جابجایی باید طراحی شوند تا از تغییر شکل یا فروریختن تحت گرانش در حین ذوب جلوگیری کنند. طراحی و حذف پشتیبانی به طور قابل توجهی بر هزینه نهایی و کیفیت سطح تأثیر می گذارد.

پردازش{0}پست یک مرحله ضروری از پرینت سه بعدی فلزی است و اغلب 30 تا 50 درصد از هزینه کل را تشکیل می دهد.

حذف و تمیز کردن ساپورت: ساپورت ها با برش مکانیکی، سیم EDM، انحلال شیمیایی یا روش های دستی حذف می شوند. پودر ذوب نشده (پودر-فرایندهای بستر) یا پاشش اضافی (DED) کاملاً تمیز می شود. سیستم های بازیابی پودر بازیافت اکثر پودرهای استفاده نشده را امکان پذیر می کند.

درمان حرارتی: بازپخت کردن{0} استرس، درمان محلول، پیری یا پرس ایزواستاتیک داغ (HIP) تنش‌های باقیمانده را از بین می‌برد، منافذ را می‌بندد و ریزساختار را همگن می‌کند و به طور قابل‌توجهی سختی، استحکام، چقرمگی و عملکرد خستگی را بهبود می‌بخشد. HIP به یک فرآیند استاندارد برای قطعات حیاتی هوافضا تبدیل شده است.

درمان سطح: سندبلاست، ساچمه‌زنی، پرداخت، پرداخت الکتروشیمیایی، آبکاری یا پوشش، کیفیت سطح را بهبود می‌بخشد، زبری را کاهش می‌دهد و الزامات مونتاژ و ظاهر را برآورده می‌کند.

ماشین‌کاری: ابعاد جفت‌گیری بحرانی، سوراخ‌های رزوه‌شده و سطوح آب‌بندی با ماشین‌کاری CNC تکمیل می‌شوند تا اطمینان حاصل شود که تلورانس‌های نهایی مطابق با مشخصات طراحی هستند. بسیاری از برنامه‌های کاربردی پیشرفته، رویکرد تولید ترکیبی «افزودنی + تفریقی» را اتخاذ می‌کنند.

مزایا: ساخت رایگان-ساختارهای پیچیده بدون قالب، ایده‌آل برای سفارشی‌سازی و تولید مخلوط کم{1}}تا-در حجم متوسط-. استفاده از مواد بالا (فرایندهای بستر پودری می‌تواند از 90% تجاوز کند، بسیار بهتر از نسبت خرید به پرواز در ماشین‌کاری سنتی تیتانیوم)، که اتلاف فلزات گران قیمت را کاهش می‌دهد. طراحی سبک وزن (ساختارهای شبکه، بهینه سازی توپولوژی) را فعال می کند که نیازهای دوگانه کاهش وزن و عملکرد بالا در هوافضا و زمینه های مشابه را برآورده می کند. امکان تثبیت قطعات بالا، کاهش مراحل مونتاژ و بهبود قابلیت اطمینان را فراهم می کند.

محدودیت ها: هزینه سرمایه بالای تجهیزات صنعتی (صدها هزار تا چند میلیون یوان) و سرعت ساخت نسبتاً پایین در حال حاضر این فناوری را برای تولید-در مقیاس بسیار بزرگ قطعات ساده مناسب نمی کند. از آنجایی که-زبری سطح ساخته شده و دقت ابعادی عموماً کمتر از ماشین‌کاری سنتی CNC است و به پردازش پستی{3}}تکیه دارد. پودرهای فلزی خطرات انفجار، اکسیداسیون و سلامتی را به همراه دارند که نیازمند محافظت دقیق از گازهای خنثی-و کنترل گرد و غبار هستند. پایگاه‌های اطلاعاتی پارامترهای تنوع مواد و فرآیند{7}}هنوز در حال گسترش هستند و چرخه‌های صدور گواهینامه نسبتا طولانی باقی می‌مانند.

چاپگرهای سه بعدی فلزی از طریق تولید لایه دیجیتال-به وسیله-لایه، موانع پیچیدگی ماشین‌کاری سنتی را شکسته و راه‌حل‌های انقلابی را برای هوافضا (اجزای موتور، ساختارهای ماهواره‌ای)، پزشکی (ایمپلنت‌های-ویژه بیمار، راهنمای جراحی)، ابزارسازی (کانال‌های انرژی خنک‌کننده منسجم، کانال‌های انرژی خنک‌کننده خودرو و صنایع خودرو) ارائه کرده‌اند. با توسعه سریع سیستم‌های چند-لیزری، نظارت هوشمند درجا، بهینه‌سازی فرآیند مبتنی بر هوش مصنوعی-و فناوری‌های تولید ترکیبی، کارایی، هزینه و قابلیت اطمینان همچنان بهبود می‌یابد. این فناوری در حال تسریع انتقال خود از نمونه سازی سریع به تولید مستقیم دیجیتال و تولید سریال است و قرار است به ستونی ضروری در تولید تجهیزات پیشرفته- تبدیل شود.