پرینت سه بعدی فلزی و سرامیکی

پرینت سه بعدی فلزی و سرامیکی امروزه نقش اساسی در تولید قطعات دارند. در مقاله قبلی به انواع پرینتر سه بعدی پلیمری پرداختیم و در آنجا به موضوعاتی نظیر فیلامنت چیست؟ و انواع متریال پلیمری در پرینت سه بعدی اشاره کردیم.

حال در این مقاله درمورد پرینت سه بعدی با متریال فلزی و سرامیکی صبحت کردیم.

پرینت سه بعدی فلزات یک روش جدید تولید می‌ باشد که قطعه را به صورت لایه لایه و با تمام جزئیات و پیچیدگی های ممکن شکل می دهد.

به وسیله این فناوری می توان هر قطعه ای را تولید و در صنایع گوناگون مورد استفاده نمود.  نمونه ای از قطعات تولید به روش پرینت سه بعدی فلزی در شکل زیر ارائه شده اند.

کار با پرینترهای سه بعدی فلزی و سرامیکی

پرینت سه بعدی فلزات شامل روش های مختلفی می شود که رایج ترین آن ها روش Selective Laser Melting (SLM) و Directed Energy Deposition (DED) می باشد.

معرفی پرینتر سه بعدی SLM

ابتدا به چگونگی کارکرد پرینتر سه بعدی SLM می پردازیم. طرحواره این فرایند در شکل زیر قابل مشاهده است.

محفظه ساخت ابتدا با گاز بی اثر (به عنوان مثال آرگون) پر می شود تا اکسیداسیون پودر فلز به حداقل برسد و سپس تا دمای مطلوب ساخت گرم شود.

سپس یک لایه نازک از پودر فلز بر روی سکوی ساخت پخش شده است و یک لیزر پرقدرت سطح مقطع آن را اسکن می کند ، ذرات فلزی را با هم ذوب می کند و لایه بعدی را ایجاد می کند.

کل منطقه مدل اسکن شده است ، بنابراین قسمت کاملاً جامد ساخته شده است. هنگامی که فرآیند اسکن کامل شد ، سکوی ساخت با ضخامت یک لایه به سمت پایین حرکت می کند و لایه نازک دیگری از پودر فلز توسط ابزاری به نام Roller پخش می شود.

این روند تا زمانی که کل قطعه بر اساس مدل سه بعدی آن ساخته شود، ادامه می‌یابد. پس از اتمام مراحل ساخت ، قطعات کاملاً در پودر فلز محصور می شوند.

در انتها باید پودرهای اضافه تخلیه شده و سپس قطعه از سکوی ساخت جدا گردد.

ساختارهای پشتیبان در چاپ سه بعدی فلزی نیز مشابه سایر روش ها استفاده می شود تا پیچ و تاب و اعوجاج در قطعه به وجود نیاید. در نهایت این ساختارهای پشتیبان توسط روش های مختلف حذف می شوند.

معرفی پرینت سه بعدی DED

پرینت سه بعدی فلزی DED یا Directed Energy Deposition نوعی روش ساخت افزایشی است که معمولاً برای عملیات تعمیر قطعات یا اضافه کردن ماده به اجزا استفاده می ‌شود. طرحواره این فرایند در شکل 3 قابل مشاهده است.

لایه نشانی با استفاده از توزیع مستقیم انرژی (DED) یک فرآیند پیچیده پرینت سه بعدی است و معمولاً برای تعمیر یا افزودن ماده ‌ی اضافه به اجزای موجود مورد استفاده قرار می ‌گیرد.

با استفاده از این فناوری می توان قطعات را از ابتدا ساخت اما بیشتر برای کاربردهای صنعتی مانند تعمیر پره‌ های توربین آسیب دیده استفاده می ‌گردد.

به طور مشابه با بعضی از روش های ذوب لیزری مبتنی بر بستر پودر مثل SLM و EBM این روش نیز از یک منبع انرژی متمرکز مانند پرتو لیزر یا الکترون برای ذوب ماده استفاده می ‌کند.

اما ماده ذوب شده، به طور هم زمان بوسیله یک نازل نیز لایه نشانی می‌ گردد. بطوریکه، این روش پیشرو روش‌ های ذوب لیزری مبتنی بر بستر پودر و اکستروژن ماده است.

باید این نکته را مورد توجه قرار داد که این روش با اسامی دیگری نیز شناخته می‌شود مانند Laser Engineered Net Shaping (LENS), Direct Metal Deposition (DMD), Electron Beam Additive Manufacturing EBAM که بستگی به نوع کاربرد و روش خاص آن خواهد داشت.

نمونه قطعات تولید شده توسط این روش در شکل بالا نشان داده شده است.

معرفی انواع مواد اولیه فلزی در پرینت سه بعدی

در شکل 5 روش های ذکر شده رنج وسیعی از مواد فلزی مختلف استفاده می شود. در به طور خلاصه به این مواد مختلف فلزی که قابلیت پرینت با روش های ذکر شده را دارند، اشاره شده است.

پرینت سه بعدی فلزی با آلومینیوم

این ماده نسبت بالایی از استحکام به وزن دارد. علاوه بر مقاومت بالای آن ها در مقابل خوردگی  و حتی می توان آن ها را نیز جوش داد.

در مقایسه با فولادها ، نسبت به درجه حرارت بالا از مقاومت کمتری برخوردار و حساس تر هستند.

به ندرت در حالت خالص وجود دارد و بیشتر به عنوان آلیاژ با فلزات دیگر یافت می شود که خواص فیزیکی و مکانیکی آن مانند سیلیکون و منیزیم را بهبود می بخشد.

نمونه بارز آن آلومینیوم AISi10Mg است که توسط سازنده آلمانی EOS به صورت پودر ارائه می شود. این امر باعث می شود که قطعات جامد و پیچیده ای تولید شود.

آلیاژهای آلومینیوم

همانطور که گفته شد آلیاژهای آلومینیوم بیشتر به شکل فرم خالص یافت می شوند و به طور سنتی در بسیاری از صنایع مانند : صنعت ساخت ، هوافضا و خودرو مورد استفاده قرار می گیرند.

علاوه بر این، آنها از وزن بالایی برخوردار هستند و همچنین مقاومت خوبی در برابر فشار و خوردگی فلز نشان می دهند.

پرینت سه بعدی فلزی با گالیم

در تحقیق و توسعه ، از گالیوم به عنوان آلیاژ با 25٪ ایندیوم استفاده می شود ، به عنوان مثال از آن ها برای رشته های فلزی کابل های الکترونیکی جهت جریان استفاده می کنند.

آنچه این آلیاژ را خاص می کند این است که نه تنها می تواند در دمای کم 85.46 درجه فارنهایت (29.7 درجه سانتیگراد) ذوب شود بلکه ، این فلز نیز در هوا سخت می شود در حالی که داخل آن مایع باقی مانده است ، همین امر باعث می شود پرینت سه بعدی قابل انعطاف باشد.

پرینت سه بعدی فلزی با فولاد

به عنوان یکی از رایج ترین فلزات در صنعت برای ساخت انواع قطعات ، جای تعجب نیست که فولاد اولین فلزی بود که در پرینت توسط پرینتر سه بعدی مورد استفاده قرار گرفت.

فولاد ضدزنگ

فولاد ضد زنگ در زندگی روزمره ما مانند ، صنایع مکانیکی و پزشکی کاملاً وجود دارد. این فلز از خواص خوبی برخوردار بوده و امکان بدست آوردن سطح صیقلی و روشن را ممکن می سازد.

چندین متخصص در ساخت مواد افزودنی این ماده مانند EOS ، ProMetal یا ExOne را ارائه می دهند. برخی از خواص آن عبارتند از:

                      سختی

                      استحکام کششی

                      شکل پذیری

                      مقاومت در برابر ضربه

همچنین می توان قطعات برنز یا طلا را با استفاده از فولاد ضد زنگ به عنوان یک ماده پایه به شکل سه بعدی چاپ کرد.

به عنوان مثال ، لایه های پودر استیل ضد زنگ با چسب پوشیده شده اند تا برنز به داخل چاپ تزریق شود.

فولاد های نیکل دار

یک شرکت آلمانی به نام EOS جهت ساخت قالب و چاپ سه بعدی از فولادهای نیکل دار برای مقاومت بالا و استحکام زیاد در برابر شکستگی استفاده میکند و حتی این نوع ماده را جهت دسترسی به متخصصین می رساند.

پرینت سه بعدی فلزی با تیتانیوم

تیتانیوم علاوه بر مقاومت بسیار بالا در برابر خوردگی و سازگاری زیستی ، به دلیل داشتن ترکیب عالی از نظر قدرت و وزن ، پرچمدار است که یکی از پرکاربرد ترین در صنایع هوافضا بشمار می رود.

تمام درجه های تیتانیوم از مقاومت در برابر خوردگی ، شکل پذیری و جوش پذیری بالا برخوردار هستند ، گرچه درجه یک نسبتاً درجه بالاتری نسبت به درجات دو ، سه و چهار دارد.

درجه چهار قوی ترین نوع این ها است. بوسیله چاپ سه بعدی، ساخت قطعات تیتانیوم آسان تر می‌شود و از ناخالصی های بدست آمده با تکنیک های سنتی در مرحله جوش جلوگیری می کند.

با این حال ، یک نقطه ضعف عمده این مواد ، هزینه بالای آن است ، زیرا تقریباً 50 برابر بیشتر از فولاد قیمت آن است.

آلیاژ تیتانیوم

مانند آلیاژهای آلومینیوم ، آلیاژهای تیتانیوم از نظر خواص مکانیکی و رفتار شیمیایی بهبود یافته اند. آنها در ساخت مواد افزودنی مورد استفاده قرار می گیرند تا طیف گسترده ای از قطعات صنعتی از جمله تیغه ها ، بست ها ، حلقه ها ، دیسک ها ، هاب ها و … تولید شود.

از آلیاژهای تیتانیوم همچنین برای تولید قطعات موتور با کارایی بالا مانند گیربکس و میله های اتصال استفاده می شود.

پرینت سه بعدی فلزی با کبالت کروم

آلیاژهای کبالت با استفاده از تکنیک های E-Beam (EBM) و DMLS چاپ شده ، کیفیت بهتری نسبت به نمونه های به دست آمده با استفاده از روش های تولید سنتی ، مانند ریخته گری موم را فراهم مکی کند.

مانند آلیاژهای تیتانیوم ، آلیاژهای کبالت-کروم ، مانند CoCrMo ، به طور گسترده ای در پزشکی برای تولید پروتزها در ارتوپدی و دندانپزشکی استفاده می شود

استفاده از کبالت کروم به دلایل سفتی ، صاف بودن ، شرایط سطح مقاوم در برابر سایش و عدم خوردگی است.

علاوه بر این در صنایع اتومبیل سازی و هوافضا از برخی آلیاژهای بسیار مقاوم در برابر حرارت کبالت-کروم-مولیبدن استفاده می کنند.

شرکت آلمانی EOS آلیاژهای CobaltChrome MP1 و SP2 را ارائه می دهد که در دمای بالا در 1112 درجه فارنهایت (600 درجه سانتیگراد) مقاوم هستند. از طرف دیگر ، Arcam ASTM F75 را به بازار عرضه می کند که همچنین برای تولید ابزار و قالب سازی بسیار مورد استفاده قرار می گیرد.

پرینت سه بعدی فلزی با آلیاژهای مبتنی بر نیکل

فوق آلیاژهای کروم نیکل مانند Inconel 718 و Inconel 625 قطعات فلزی قوی و مقاوم در برابر خوردگی را تولید می کنند. این آلیاژها غالباً در محیط های پر فشار ، هوای گرم ، پتروشیمی و اتومبیلرانی استفاده می شوند.

خصوصیات مکانیکی آلیاژهای مبتنی بر نیکل در AM مانند Inconel 625 با استفاده از مقادیر قابل توجهی نیکل ، کروم و مولیبدن در فلز به طور قابل توجهی افزایش می یابد.