چاپ سه بعدی فلز – چگونه کار می‌کند؟

چکیده:
توسط برنامه‌ای کامپیوتری قطعات فلزی تقریباً دقیقاً مطابق نقشه بدون هیچ دور ریزی به روش لایه به لایه‌ ساخته می‌شوند. این روش چاپ تاکنون بیشتر در مورد چاپ پلاستیک‌ها کاربرد داشته و اخیراً به روش‌هایی، از آن برای چاپ فلز نیز استفاده می‌شود.
تعداد کلمات: 1210  /   تخمین زمان مطالعه: 6 دقیقه

 

مترجم: حمید وثیق زاده انصاری

چاپ سه بعدی مدت زمانی بیشتر از آن چه که اکثر مردم فکر می‌کنند وجود داشته است – اولین پرینت سه بعدی در سال 1981 توسط هیدیو کداما ساخته شد. اما چاپ سه بعدی از آن زمان به بعد راه بسیار طولانی‌ای را سپری کرده است، با پرینت‌هایی ساخته شده در رزولوشن‌هایی به کوچکی دو صدم میلیمتر. چاپ سه بعدی یک روش نوآورانه تولید است: یک شیء سه بعدی با استفاده از نرم افزار رایانه به صورت دقیق تجسم می‌شود، داده‌ها به چاپگر سه بعدی ارسال می‌شود و چاپگر آن را ایجاد می‌کند. تقریباً تمام چاپگرهای مشتری پسند تنها می‌توانند در پلاستیک چاپ ایجاد کنند، اما خیلی طول نمی‌کشد که دیگر اینگونه نخواهد بود.
فرایندهای ساخت فلزات امروزه شامل مصرف مقدار زیادی انرژی و تولید مقدار قابل توجهی زباله می‌شود: در تولید برخی از محصولات، تا 90 درصد از فلز خام مورد استفاده برداشته می‌شود. این امر شامل استفاده بیش از حد از انرژی و همچنین فلز می‌شود، به غیر از این که محصول نهایی تا 60 درصد سنگین‌تر از آنی است که باید باشد، و به عنوان مثال، مورد اخیر یک نقیصه‌ی پر هزینه در صنعت حمل و نقل هوایی است.
در مقابل، چاپ سه بعدی تقریباً دقیقاً به همان میزان موادی که در شیء واقعی وجود دارد را استفاده می‌کند و باعث می‌شود که هیچ دور ریزی نداشته باشید. اما همه اینها تا کنون به دلیل این فاکتور محدود کننده که چاپگرهای سه بعدی تنها در پلاستیک کار آیی داشتند، محاسبه نمی‌شد. اما اکنون چندین شرکت در سراسر جهان، پرینترهایی سه بعدی را طراحی می‌کنند که به جای پلاستیک، در فلز چاپ می‌کنند..

 

چاپگرهای معمولی با ذوب شدن پلاستیک و پس از آن رسوب آن کار می‌کنند، اما بدیهی است که فلز دارای نقطه ذوب بسیار بالایی برای استفاده از این روش است.
بنا بر این شرکتهای چاپ سه بعدی فلز چندین روی کرد متفاوت ایجاد کردند. فقط دو تا از آنها به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد. یکی از این‌ها، بایندر جتینگ نامیده می‌شود. بایندر جتینگ بیش از ده برابر از دیگر تکنیک‌های چاپ فلز در استفاده از مواد کارآمد است. 

فرایندهای ساخت فلزات امروزه شامل مصرف مقدار زیادی انرژی و تولید مقدار قابل توجهی زباله می‌شود.

آن چه در زیر می‌آید مراحل مربوط به فرآیند چاپ بایندر جتینگ است:
محفظه ساخت با یک گاز بی اثر مانند آرگون پر شده است تا از اکسیداسیون فلز جلوگیری شود.
لایه‌ای از پودر فلز با ضخامت حدود 20 تا 50 میکرون پخش می‌شود که با خواص جریان، پهنای سایز و شکل ذرات فلزی را تغییر می‌دهد.
حال، یک ترکیب پلیمری به طور اتوماتیک بر روی مناطق خاصی از فلز، متناظر با طرح سه بعدی مولفه، برای ایجاد یک لایه اسپری می‌شود.
اکنون این روند برای ایجاد یک لایه دیگر تکرار می‌شود تا زمانی که شیء تکمیل شود.
پودر اضافی پس از فیلتر کردن و تقویت آن با پودر استفاده نشده‌ی اضافه شده، جمع آوری و دو باره مورد استفاده قرار می‌گیرد.
مؤلفه از محفظه ساخت با استفاده از یکی از چندین تکنیک موجود جدا شده و هر پس-پردازش مورد نیاز روی آن انجام می‌شود.
مؤلفه چاپ شده به طور معمول در حد مثبت و منفی یک دهم میلیمتر دقت دارد.
هنگامی که ساخت کامل شد و جسم از صفحه ساخت جدا شد، یک شیء فلزی چاپ شده سه بعدی «سبز» است که دارای قدرت مکانیکی ضعیف و تخلخل بالا است. این نقیصه به یکی از دو روش زیر اصلاح می‌شود:
سخت سازی با پخت: در کوره قرار داده می‌شود و از حرارت متعارف و تکنولوژی مایکروویو برای گرم کردن جسم تا دمای 1400 درجه سانتیگراد استفاده می‌شود. جسم تا کمی کمتر از نقطه ذوب فلز گرم می‌شود – که البته خیلی بالاتر از نقطه ذوب پلیمر است. در این دما لایه‌های پلیمر آتش گرفته و می‌سوزند و گرمای شدید مولکول‌های فلزی را برای پر کردن حفره های میکروسکوپی در یک فرایند به نام "پخت" به هم متصل می‌کند. این باعث می شود که 97 درصد حفره‌ها پر شوند. در مقابل، چاپ سه بعدی تقریباً دقیقاً به همان میزان موادی که در شیء واقعی وجود دارد را استفاده می‌کند و باعث می‌شود که هیچ دور ریزی نداشته باشید.
نفوذ: در کوره قرار داده می‌شود تا بایندر بسوزد و در نتیجه‌ی آن حدود 60٪ از حفره‌ها باقی بماند. سپس به آن برنز نفوذ می‌دهند تا فضاهای تولید شده توسط سوختن پلیمر را پر کند، و آن را بسیار محکم‌تر و با تخلخل بسیار کمتر سازد (منافذ به میزان 90 درصد کاهش می‌یابد).
انقباض، مسئله‌ای در رابطه با چاپ سه بعدی فلز به روش بایندر جتینگ است و می تواند نه تنها دقت ابعاد محصول نهایی را تحت تأثیر قرار دهد، بلکه از آنجا که در درجه حرارت بالای کوره اتفاق می افتد، ممکن است منجر به پاره شدن و تغییر شکل به علت نرم شدن فلز شود. این امر با طراحی مناسب اولیه و با بهره گیری از مهارت در استفاده از دستگاه جبران می‌شود.
 

روش اصلی دیگر، ذوب لیزری انتخابی، یا SLM، است. این روش کمی متفاوت از روش بایندر جتینگ است:
محفظه ساخت با گاز بی اثر پر می‌شود.
یک لایه نازک از پودر فلزی بر روی بستره پخش می شود.
از یک لیزر استفاده می‌شود تا در حالی که ذرات پودر را در سطح مقطع جسم اسکن می‌کند آنها را در یک دیگر ذوب کند تا یک لایه سخت از جسم تشکیل شود.
پلت فرم به اندازه 50 تا 200 میکرون به سمت پایین حرکت داده می‌شود و یک لایه دوم پودر فلزی با استفاده از یک لایه نشانی مجدد روی سطح پخش می‌شود.
لیزر اسکن می‌کند و فلز را در این لایه نیز ذوب می‌کند تا لایه‌ی دیگری از مؤلفه ساخته شود.
این لایه سازی تا کامل شدن ساخت شیء تکرار می‌شود.
پود اضافی برای فیلتر کردن و مخلوط کردن با پودر تازه برای استفاده مجدد جمع آوری می‌شود.
از آنجایی که در SLM در واقع ذرات فلز در یک دیگر ذوب می‌شوند، فرآیند گرمایش و پختن لازم نیست. محصول نهایی دارای مقاومت مکانیکی بسیار بالایی است، و این به این معنی است که این، روش انتخابی در مؤلفه‌هایی است که در آنها خواص مکانیکی مانند خستگی فلز، مقاومت در برابر شکستگی و مدول الاستیسیته حیاتی هستند.
پودر فلزی در هر دو تکنیک مجدداً مورد استفاده قرار می‌گیرد، که در نتیجه آن، دور ریز به کمتر از 5 درصد کاهش می‌یابد.
تقریباً تمام پارامترهای عملیاتی یک چاپگر فلزی توسط سازنده تعیین شده است - واقعاً کاربر لازم نیست کار زیادی انجام دهد جز این که فایل را به دستگاه ارسال کند و منتظر بماند. اکثر پرینترها لایه‌هایی به  ضخامت 20 تا 50 میکرون یا تقریباً نصف عرض موی انسان تولید می‌کنند.

 

چاپ فلز یک روش نسبتاً جدید بر اساس یک تکنولوژی موجود است. این ثابت شده است که در فرایند نمونه سازی، این چاپ ارزشمند است، اما هزینه‌های بالای آن عاملی است که مانع از استفاده گسترده از آن می‌شود. سایر عوامل محدود کننده شامل کمبود دقت در مقیاس کوچک و هزینه بالای قطعات می‌باشد. با این وجود ما می‌توانیم انتظار داشته باشیم که این امر به تدریج با پیشرفت‌های تکنولوژیک حل خواهد شد. در نتیجه، این روش چیز خوبی است که ارزش انتظار کشیدن برای آن را دارد.
 
برگرفته از سایت AZO Materials