موضوع مقاله: پرینت سه‌بعدی فلز | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # پرینت سه‌بعدی فلز | مقدمه: فرایند SLM قادر است تا پودر ماده فلزی مورد نظر را به صورت موضعی به ذوب کامل رسانده و آنرا به یک قطعه سه بعدی جامد تبدیل کند. | ## بخش 1: پرینت سه‌بعدی فلز | فرایند فناوری SLM قادر است آلیاژهای متنوعی را در قالب نمونه سازی یا حتی قطعات صنعتی یه صورت افزودنی ایجاد کند. فرمت فایلی که برای برش زنی انتخاب می‌شود عموماً به صورت استاندارد در قالب stl می یاشد که تقریباً با تمامی روشهای ساخت افزودنی سازگار است. این فایل سپس به نرم‌افزار اسلایسر وارد شده تا پارامترهای فرایند ساخت، مقادیر مورد نظر و ساپورت گذاری‌ها لحاظ شده وآمادهٔ پرینت شود. در طول فرایند پودر فلز ساخته شده به روش انمیزه گازی به صورت یک لایه نازک روی میز ساخت (سیلندر ساخت) و از طریق یک تیغه cotaing پخش می‌شود. اتمسفر محفظه دستگاه به صورت کاملاً کنترل شده توسط یک گاز خنثی (عموما آرگون یا نیتروژن) پر می‌شود. هرگاه یک لایه از پودر روی بستر پخش شد عمل اسکن لیزر و ذوب موضعی سطح پودر براساس الگوی اسکن آن مقطع انجام شده و در نتیجه دستگاه آن لایه از قطعه را ایجاد می‌کند. مواد از جمله مواد به کاررفته در فرایند SLM می‌توان به مس، آلومینیوم، فولاد زنگ نزن، فولاد ابزار، کبالت کروم، تیتانیوم و تنگستن اشاره کرد. پودر مناسب برای فرایند SLM می‌بایست محصول روش اتمیزه گازی بوده و مورفولوژی آن کروی باشد. کاربردها مناسب‌ترین کاربردهای فرایند SLM در ساخت قطعات با پیچیدگی هندسی زیاد و ساختارهایی با دیواره‌های نازک و کانال‌ها وحفرات داخلی و ابعاد کوچک می‌باشند. اکثر کاربردهای پیشرفته و تخصصی SLM امروزه در ساخت قطعات سبک برای صنعت هوافضا است جایی که روشهای سنتی و قدیمی ساخت و تولید قادر نخواهند بود تا امکان ساخت قطعات با طراحی‌های هندسی بهینه شده را پاسخگو باشند و ارتباط مناسبی بین طراحی و تولید ایجاد کنند. این تکنولوژی به منظور ساخت مستقیم قطعات برای صنایع مختلفی شامل هوافضا، دندانپزشکی، پزشکی و دیگر صنایع حساس که شامل قطعات با ابعاد کوچک تا متوسط همراه با پیجیدگی هندسی بالا هستند کاربردهای بیشماری دارد. کاربردهای صنعتی هوافضا استفاده از قابلیت سبک سازی و یکپارچه سازی و حذف اتصالات از جمله مهم‌ترین اهداف به‌کارگیری پرینت سه بعدی در صنعت هوافضا است. از فعالان این عرصه می‌توان شرکت‌های ایرباس، بویینگ و … را نام برد که با همکاری شرکتهای متخصص در این تکنولوژی نظیر جنرال الکتریک و رولزرویس در ساخت اجزا هواپیما، موتور جت، نازل‌های سوختی، پلتفرم ماهواره و … از ساخت افزایشی بهره گرفته‌اند. نیروگاهی شرکت‌های زیمنس و جنرال الکتریک از فعالان اصلی به‌کارگیری ساخت افزودنی در عرصه نیروگاهی بوده‌اند. تاکنون مواردی نظیر اجزا توربین‌های گازی، پره توربین، پروب‌های اندازه‌گیری و… توسط این شرکتها به روش افزایشی به تولید رسیده‌است. یک کاربرد مهم دیگر نیمی تواند استفاده از قابلیت FGM سازی قطعات توسط سیستم‌های DMD باشد. پزشکی حوزه‌های مختلف پزشکی و مهندسی پزشکی امروزه نیازمند طراحی و ساخت موارد آسیب دیده یا از بین رفته در بدن بیماران، قالب‌گیری از اندام‌ها برای نمونه سازی و … می‌باشند که پرینترهای سه بعدی پل ارتباطی این افراد با نیازشان خواهند بود. خودرو صنایع خودرو سازی به دلیل بازار رقابتی شدید، نیازمند سیستم‌هایی هستند که بتوان عملیات طراحی، مدلسازی و ساخت بدنه یا اجزای داخلی خودرو را ارزان‌تر، سریع تر و زیباتر و در صورت امکان به شکلی متفاوت و متناسب با طرح ذهنی مورد علاقه مشتری تولید نمود. الکترونیک مقیاس کاری کوچک مورد نیاز برای تولید قطعات صنعت الکترونیک، در کنار دشواری انجام اینگونه عملیات، به شدت نیاز به سیستمی هوشمند و اتوماتیک و قابل اجرا در مقیاس کوچک با دسترسی به مواد گوناگون پلیمری، فلزی و … را در خود حس می‌کند. پرینترهای سه بعدی باعث سهولت چشم‌گیری در ساخت قطعات مورد نیاز این صنعت خواهند شد. | ## بخش 2: پرینت سه‌بعدی فلز | این دستگاه‌ها شامل اجزایی از قبیل تفنگ الکترونی با سیستم اسکن، محفظه خلاء با مخزن ساخت و نگه‌دارنده و تنظیم‌کننده پودر، پمپهای خلاء مانیتور، تجهیزات خطی، واحد ولتاژ بالا، سیستم کنترل الکترونیکی و واحد کنترل می‌باشد. اساس کار فرایند EBM شبیه فرایند SLS است با این تفاوت که در اینجا ذرات پودر به جای لیزر در معرض پرتو الکترونی قرار می‌گیرند و در عین حال ذرات پودر به جای سینتر، ذوب می‌شوند. در این سیستم پس از طی فرایند آماده‌سازی اطلاعات، یک لایهٔ نازک از پودر فلز، معمولاً پودر فولاد ابزار H13، بر روی صفحهٔ ساخت گسترده می‌شود. سپس یک تفنگ الکترونی نقاط مورد نظر را صلب می‌نماید و این چرخه تا پایان ساخت قطعه تکرار می‌گردد. پس از برخورد الکترون‌های پرانرژی به ذرات پودر، انرژی جنبشی بسیار بالای آنها به انرژی حرارتی تبدیل می‌شود و این انرژی سبب ذوب ذرات پودر و اتصال آنها در نقاط مورد نظر می‌گردد. الکترون‌ها از یک رشته فلزی که بیش از ۲۵۰۰ درجه سانتیگراد گرم گردیده‌است خارج می‌گردند و سرعت آنها تا حدود نصف سرعت نور افزایش می‌یابد. سپس پرتو الکترون توسط یک میدان مغناطیسی متمرکز می‌شود و به سطح مورد نظر برخورد می‌نماید. به دلیل پرتوان بودن و انرژی بالای پرتو الکترونی در این دستگاه‌ها، از این فرایند می‌توان در ساخت قالب یا قطعات تیراژ پایین استفاده کرد. رسوب نشانی مستقیم انرژی (DED) روشهای DED قطعات را با ذوب پودر همزمان با توزیع آن می‌سازد. تکنولوژی‌های پرینت سه بعدی DED به‌طور انحصاری در ساخت افزودنی فلز به کار می‌روند. طبیعت فرایند ساخت این تکنولوژی‌ها آنها را به یک‌تکنولوژی ایده‌آل برای کاربردهای تعمیر یا افزودن مواد به قطعات ساخته شده (مانند توربین‌ها) تبدیل کرده‌است. وابستگی این تکنولوژی پرینت سه بعدی به سازه‌های ساپورت متراکم باعث می‌شود DED برای ساخت قطعات از صفر مناسب نباشد. این فرایند شامل ذوب و یکپارچه کردن پودر فلزات با استفاده از یک لیزر پرقدرت Nd:YAG و تولید یا تعمیر قطعات فلزی با هندسه پیچیده و بصورت کاملاً یکپارچه و چگال می‌باشد. امروزه به این روش می‌توان قطعاتی از جنس فولاد زنگ نزن ۳۱۶ و ۳۰۴، سوپرآلیاژهای پایه نیکل مثل اینکونل ۶۲۵، ۶۹۰، ۷۱۸، فولاد ابزاری HB، تنگستن، آلیاژ تیتانیم Ti-6Al-4V، آلومینید نیکل، آلومینیوم و مس برای کاربردهای مختلف از جمله ملحقات قالبها، ایمپلنتهای بیولوژیکی و … را تولید یا بازسازی نمود. مبانی فرایند: لیزر با توان بسیار بالا روی نقطه‌ای از لایه شکل گرفته قبلی، متمرکز شده و حوضچه مذابی در آن نقطه ایجاد می‌کند. همزمان پودر فلز به این حوضچه مذاب پاشیده شده و حجم مواد در آن نقطه افزایش می‌یابد. پودر فلز از اطراف هد دستگاه و پرتو لیزر از مرکز آن به صورت همزمان وارد موضع پرینت می‌شوند. یک سیستم حرکتی همزمان با تابش لیزر و پاشش پودر، میز دستگاه را در جهت طولی و عرضی، متناظر با سطح مقطعی از قطعه حرکت می‌دهد تا سطح مقطع توسط لیزر ایجاد شود. بعد از شکل‌گیری یک لایه، نازل انتقال پودر به منظور ساخت لایه بعدی به بالا می‌رود. مراحل ساخت: یک هد که وظیفه انتقال پودر فلز و هدایت لیزر را بر عهده دارد، پودر فلز را به نقطه تمرکز یک پرتو لیزر پرتوان تغذیه می‌کند تا پودر فلز کاملاً ذوب شود. | ## بخش 3: پرینت سه‌بعدی فلز | این لیزر به وسیله فیبر نوری یا با استفاده از آینه‌های بازتابنده دقیق به محل مورد نظر هدایت می‌گردد. مطابق شکل زیر در ساختمان هد دستگاه، راهگاه‌های انتقال پودر در اطراف و سیستم هدایت لیزر در مرکز قرار دارند. پرتو لیزر با استفاده از مجموعه‌ای از عدسی‌ها در نقطه خاصی متمرکز و ثابت شده و سیستم محرک تعبیه شده در دستگاه، پلتفرم را به صورت طولی و عرضی حرکت می‌دهد. همزمان با فرایند تابش لیزری و پاشش پودر، گاز آرگون به محل تابش پرتو لیزر تزریق می‌گردد تا از تأثیرات منفی اکسیژن موجود در هوا بر روی کیفیت اتصال ذرات و یکپارچگی قطعه جلوگیری شود. قطعات تولید شده به این روش معمولاً نیاز به پرداخت نهایی دارند اما از چگالی خوبی برخوردار بوده و ساختار دانه‌بندی مناسبی دارند. مزایا: مشخصات فیزیکی عالی: فرایند LENS قادر به تولید قطعات فلزی کاملاً متراکم می‌باشد. قطعات تولیدشده به این روش دارای سازه‌های درونی و ویژگی‌های مادی بسیار خوب و خواص میکروسکوپی مناسبی می‌باشند. تولید اشکال پیچیده: قابلیت برجسته این فرایند تولید قطعات فلزی کاربردی با هندسه پیچیده‌است. نیاز به پس‌پردازش ناچیز: نیاز به عملیات تکمیلی (مانند حذف تکیه‌گاه‌ها) در کمترین حد ممکن است و به همین دلیل زمان تولید کاهش می‌یابد. معایب: محدودیت در مواد اولیه: در حال حاضر این روشظ تنها برای ساخت قطعات فلزی کاربرد دارد. ابعاد بزرگ دستگاه مصرف انرژی بالا: سیستم لیزر این فرایند توان مصرفی بالایی دارد. صافی سطح نامناسب عدم کارایی در ساخت قطعات کوچک کاربردها: تولید و تعمیر انواع قطعات کاربردی در صنایع هوافضا، انولع قالبها و قطعات جانبی آنها ساخت قطعاتی از جنس تیتانیم به منظور کاربرد در صنایع مختلف مانند: ایمپلنتهای تیتانیمی برای کاربردهای پزشکی، خودروسازی و … امکان ایجاد سازه‌های پیچیده و کاربردی این فرایند با بهره گرفتن از سیستم‌های حرکتی ۵ محوره برای هد دستگاه قادر است تا قطعات با پیچیدگی هندسی بسیار بالاتر را نیز به سادگی تولید کند. تکنولوژی پرینت سه بعدی EBAM برای ساخت قطعات فلزی با استفاده از پودر یا سیم فلزی به کار می‌رود، این مواد با استفاده از پرتوی الکترونی به عنوان منبع حرارتی به یکدیگر جوش داده می‌شوند. این پرینتر سه‌بعدی در شرایط خلاء کار می‌کند و برای استفاده در فضا طراحی شده‌است. در این سیستم‌ها اشعه به کاررفته در هد به جای لیزر پرتو الکترونی بسیار قوی و پرانرژی می‌باشد. همچنین سیستم تغذیه این دستگاه‌ها معمولاً از سیم فلزات (یا پودر) به عنوان ماده مصرفی استفاده می‌کند که عموماً سیم فلز نسبت به پودر فلزات ارزان‌تر و دردسترس‌تر هستند. هد دستگاه متشکل از یک سیستم تشعشع مرکزی پرتو الکترونی خیلی قوی و یک سیستم تغذیه سیم از اطراف و به صورت همزمان به موضع پرینت است. با ورود همزمان این دو عامل به محل مورد نظر، با ذوب کامل سیم توسط پرتو الکترونی پر انرژی عمل رسوب‌نشانی و تشکیل آن نقطعه از قطعه اتفاق می‌افتد. با حرکت نسبی میز و هد دستگاه در راستاهای X,Y و Z با پیروی از فرمان‌های نرم‌افزار اسلایسر، به تدریج کل هندسه قطعه تشکیل می‌شود. مزایا: ارزان‌تر و قابل دسترسی‌تر بودن سیم فلز به نسبت پودر آن پرانرژی‌تر بودن توان اشعه و امکان به دست آمدن قطعه‌ای چگال‌تر و مستحکم‌تر به دلیل ذوب خیلی خوب موضع سرعت مناسب فناوری کاربردهای بسیار وسیع فرایند به دلیل نوع مکانیزم اعمالی آن (استفاده از منبع انرژی و سیستم تغذیه یک جا و در یک هد کوچک) و امکان استفاده در موارد تعمیر موضعی تجهیزات آسیب دیده امکان تولید اکثر مواد فلزی مصرف انرژی خیلی کمتر نسبت به LENS معایب: گران بودن این گونه سیستم‌ها (گران‌ترین روش‌ها) فقط در محیط خلأ قابل اجرا است.. | ## جمع‌بندی | کاربردها: ساخت و تعمیر قطعات پیچیده، چگال و با خواص مکانیکی بالا مانند پره توربین‌ها و … مواد مصرفی: به‌طور کلی طیف وسیعی از پودر فلزات را با توجه به توان بالای لیزر در پرینت سه بعدی فلز می‌توان مورد فراوری قرار دا به طوریکه انواع آلیاژها، سوپر آلیاژها، کامپوزیتها و مواد FGM قابل تولید هستند.