پرینت سه بعدی SLM فلزی

بیشتر روش‌های ساخت افزایشی یا پرینت سه بعدی ، بر اساس سه مولفه پیش رو دسته‌بندی می‌شوند؛ نوع ساختار تقویتی در هنگام پرینت، دقت و رزولوشن سازه با نظر به هندسه آن و در آخر، انتخاب پارامترهای متناسب با فرآیند. در کنار فناوری‌هایی همچون EBM، LMD (رسوب فلزی از طریق لیزر) و SLS (زینتر انتخابی از طریق لیزر)، تکنولوژی دیگری به نام SLM نیز به چشم می‌خورد. پیدایش پرینت سه بعدی SLM به سال 1995 بازمی‌گردد، زمانی که به دست جامعه آلمانی فرانهوفر توسعه یافت و به دلیل قابلیت‌های توانمند خود، از همان موقع توانست توجه سردمداران این صنعت را جلب کند. در این روش، از فلزات درجه صنعتی، قطعاتی دقیق و حرفه‌ای تولید می‌شود؛ قطعاتی که شاید اشکال پیچیده‌ای داشته باشند، اما با هزینه خیلی کمتر ساخته می‌شوند و علاوه بر همه این‌ها، امکان انبوه سازی آن‌ها هم وجود دارد.

پرینت سه بعدی SLM که مخفف عبارت «ذوب انتخابی با لیزر» است، با نام‌های دیگری هم شناخته می‌شود: ذوب بستر پودری با استفاده از لیزر (LPBF) و یا ذوب مستقیم فلز از طریق لیزر (LPBF). از نام‌های این روش هم پیدا است که در آن از یک لیزر قدرتمند برای ذوب یک پودر فلزی استفاده می‌شود. طرز کار پرینت سه بعدی SLM به این صورت است که نخست، لایه‌های نازکی از پودر فلزی بر روی بستر ساخت قرار می‌گیرند؛ سپس، با القای انرژی حرارتی از طرف لیزر (یا چندین لیزر)، لایه‌ها به طور کامل ذوب می‌شوند. قسمتی از قطعه سه بعدی که به اصطلاح سطح مقطع آن نامیده می‌شود، با ذوب و انجماد دوباره لایه‌های پودر فلز به صورت انتخابی ساخته می‌شود. پس از پایان کار یک لایه، بستر ساخت اندکی به سمت پایین حرکت می‌کند تا لایه جدیدی روی آن قرار بگیرد. هربار، پیش از آنکه ذوب لایه جدید آغاز شود، وسیله‌ای به نام recoater از روی سطح پودر عبور می‌کند تا ضخامت لایه پودر را کنترل کند. در بستر پودر، ذرات پودر بر اساس فایل CAD به صورت انتخابی ذوب می‌شوند تا شی سه بعدی مورد نظر شکل بگیرد.

فرآیند پرینت سه بعدی SLM با انواع مختلفی از پودرهای فلزی کار می‌کند؛ از جمله آن‌ها می‌توان به آلومینیوم، تیتانیوم، مس، کروم، کبالت-کروم، فولاد ضد زنگ، فولاد ابزار و سوپرآلیاژها اشاره کرد. پودر فلزی که در پرینت سه بعدی SLM به کار می‌رود، تا حد زیادی قابل بازیافت است؛ به طوری که ضایعات پودر اغلب حتی به کمتر از 5% می‌رسد. هربار که کار یک پرینت تمام می‌شود، پودر استفاده نشده جمع آوری می‌شود تا الک شده و با اضافه کردن مقداری پودر تازه به آن، برای بار بعدی آماده شود. با این حال، همین مقدار کمی هم که از پودر هدر می‌رود، بیشتر به ساختارهای تقویتی مربوط می‌شود و برای آنکه پرینت به خوبی پیش برود، باید از ساختار تقویتی استفاده کرد. اما در نتیجه این کار، مقدار مواد مورد نیاز و به دنبال آن، هزینه‌های پرینت به شدت افزایش پیدا خواهد کرد.

روش کار فرآیند «ذوب انتخابی با لیزر»

در اولین مرحله از فرآیند پرینت سه بعدی SLM، مدل سه بعدی قطعه که در CAD طراحی شده است باید به لایه‌های 20 تا 100 میکرونی تقسیم شود. سپس، اطلاعات مربوط به تقسیم شدن لایه‌ها به صورت یک فایل با فرمت استریولیتوگرافی (.stl) درمی‌آید و در یک نرم‌افزار آماده‌سازی فایل بارگذاری می‌شود. چنین نرم‌افزاری معمولا از قبل روی دستگاه پرینتر سه بعدی SLM قرار می‌گیرد. نرم‌افزار آماده‌سازی در این مرحله سه کار مهم انجام می‌دهد: تعیین پارامترهای فرآیند، برآورد ساختار تقویتی در صورت نیاز و در آخر، ترسیم یک مسیر حرکت برای ساخت قطعه. پیش از شروع فرآیند پرینت سه بعدی ، لایه نازکی از پودر فلزی نرم به طور یکنواخت روی صفحه فلزی بستر پخش می‌شود. خود صفحه فلزی ساخت نیز به یک صفحه تقسیم متصل شده است که در راستای محور عمودی Z حرکت می‌کند. این مقدار از پودر در کل مدت فرآیند سفت نخواهد شد، که در واقع همان بستر پودری نامیده می‌شود. فرآیند پرینت سه بعدی SLM درون یک محفظه ساخت انجام می‌شود که با دمش پیاپی گازهای آرگون یا نیتروژن، اتمسفر درون محفظه خنثی نگاه داشته می‌شود. هدف از انجام این کار، کاهش میزان اکسیژن در اطراف پرینت است؛ مقدار اکسیژن باید کمتر از حدود 500 ppm باشد تا فلز اکسید نشود. گاهی اوقات نیز پودر فلز پیش از شروع کار حرارت داده می‌شود که به ذوب شدن آن کمک می‌کند. سپس، بستر پودر توسط یک پرتوی لیزر قدرتمند متمرکز، اسکن می‌شود که خود پرتوی لیزر با یک سیستم شکست کنترل می‌شود. میزان شکست پرتوی لیزر و جهت حرکت آن بر اساس سطح مقطعی تعیین می‌شود که از مدل CAD برداشته شده است. به طور کلی، با ذوب شدن پودر گویا که بستر پودر به صفحه فلزی بستر جوش می‌خورد. پس از پایان کار هر لایه، صفحه فلزی به اندازه ضخامت لایه بعدی پایین می‌آید تا مقداری پودر تازه روی بستر پخش شود. ضخامت لایه‌ها نیز معمولا در حدود 50 میکرون است. در فرآیند کار پرینت سه بعدی SLM همیشه یک غلتک یا یک لیسه به چشم می‌خورد که نقش آن، توزیع یکنواخت لایه‌های پودر است. در این میان نیز، پرتوی لیزر هر دفعه که قرار است یک لایه جدید ساخته شود، همه بستر پودر را اسکن می‌کند؛ این کار سبب می‌شود لایه آخر تثبیت شده و با لایه قبل از خود ادغام شود. بنابراین، کاری که دستگاه SLM انجام می‌دهد، در واقع اضافه کردن پی در پی یک لایه پودر بر یک لایه ذوب شده است که قطعه مورد نظر را به همین ترتیب، یعنی به صورت لایه به لایه می‌سازد.

سیستم کلی فرآیند SLM را می‌توانید در تصویر زیر مشاهده کنید. روند ساختن یک قطعه در SLM همانند SLS است، با این تفاوت که SLM فقط با مواد فلزی همچون فولاد زنگ‌نزن، تیتانیوم، ترکیب کبالت-کروم و آلیاژهای آلومینیوم سر و کار دارد. در صورتی که SLS برای فرآوری بیشتر مواد اولیه از جمله پلیمرها، فلزات و سرامیک‌ها مناسب است. این دو فرآیند ساخت افزایشی تفاوت دیگری هم دارند؛ در SLS پودر اولیه به طور کامل ذوب نمی‌شود، اما لیزر قدرتمندی که در SLM به کار می‌رود، ذرات پودر را کاملا ذوب می‌کند. به همین خاطر است که حتی برای فلزاتی با نقطه ذوب بالا مناسب است. در پرینت سه بعدی SLM، پرتوی لیزر که به خودی خود انرژی زیادی دارد، از طریق عدسی‌های f-θ تابانده می‌شود تا حوضچه‌های مذاب قوی‌تری در میان ذرات پودر ایجاد کند. به محض ذوب شدن لایه اول پودر، بستر ساخت به اندازه ضخامت لایه مورد نظر (20 تا 100 میکرون) به سمت پایین حرکت می‌کند تا اسکن لایه بعدی آغاز شود.

مزایا و معایب SLM

شکی نیست که پرینت سه بعدی SLM یک ابزار قدرتمند است که نقاط قوت منحصر به فرد خودش را دارد. با این حال، در حاضر محدودیت‌هایی در این روش ساخت وجود دارد که شاید همیشه بهترین راه برای تولید قطعات فلزی به شمار نیاید. 

مزایای پرینت سه بعدی SLM: الف) داشتن یک هندسه پیچیده بدون هزینه اضافی؛ ب) ساختارهای سبک و بهینه؛ پ) عملکرد بهتر قطعه؛ ت) ادغام قطعات مونتاژ به صورت یک قطعه؛ ث) زنجیره تامین ساده‌تر؛ و ج) خواص فوق‌العاده مواد آن.

معایب پرینت سه بعدی SLM: الف) در مقایسه با روش‌های سنتی تولید به هزینه بیشتری نیاز دارد؛ ب) صرفه جویی ناشی از تولید انبوده هنوز در آن مقدور نیست؛ پ) قواعد طراحی خاص خود را دارد؛ و ت) انجام عملیات پسا پردازش ضروری است.

کاربردهای پرینت سه بعدی SLM

کاربرد اصلی پرینت سه بعدی فلز در صنایع هوافضا، بهداشت و درمان، خودروسازی، ابزارآلات صنعتی و توسعه محصول است.

• فضا

سبک بودن سازه‌ها در صنعت هوافضا، از هر چیز دیگری مهم‌تر است. هزینه ترابری هر یک کیلوگرم در فضا، اکنون حدود 10,000 تا 20,000 دلار است. از همین رو، اهمیت پرینت سه بعدی قطعات فلزی که از نظر توپولوژی بهینه سازی شده‌اند، در اینجا نمایان می‌شود. یک نمونه از این امر، تولید محصولات مربوط به میکروآنتن‌ها است؛ در این زمینه، شرکت Optisys با استفاده از فناوری SLM، تعداد آرایه‌های مجزا را در آنتن‌های ردیابی خود از 100 عدد به 1 رساند. در نتیجه این ساده سازی، Optisys موفق شد که زمان تولید و عرضه این محصول را از یازده ماه به تنها دو ماه کاهش دهد و در عین حال نیز، 95% وزن آن را کم کند (تصویر زیر).

• بهداشت و درمان

با پرینت سه بعدی فلز، امکان تولید ساختارهای آلی متناسب با آناتومی افراد فراهم می‌شود. در حال حاضر نیز یکی از موارد استفاده مهم SLM، تولید ایمپلنت‌های پزشکی با مواد زیست سازگار مانند تیتانیوم است. دکتر گیدو گراپیولو نخستین جراحی بود که در سال 2007، یک ایمپلنت را برای بخشی از مفصل ران پرینت سه بعدی کرد. او با کمک شرکت‌های Lima و Arcam یک ایمپلنت تیتانیومی موسوم به کاپ Delta-TT طراحی کرد. ایمپلنت Delta-TT دارای یک ساختار شبکه‌ای است که روند بهبود بیمار و رشد استخوان را سرعت می‌بخشد. تا یک دهه بعد، بیشتر از 100,000 عدد از این ایمپلنت برای بیماران استفاده شد و نتیجه موفقی به همراه داشت. 

• خودروسازی

این روزها، بسیاری از روش‌های سنتی تولید در صنعت خودروسازی با پرینت سه بعدی فلز جایگزین می‌شوند و این امر با سرعت زیادی جریان دارد. با این حال، پرینت سه بعدی فلز بیش از هر چیزی اکنون برای ارتقای عملکرد و مسابقات رقابتی به کار می‌رود. تیم دانشجویی TU Delft Formula با استفاده از فناوری SLM توانستند یک براکت بهینه‌سازی شده را برای خودروی فرمول یک خود بسازند. براکتی که آن‌ها ساختند در واقع یک نقطه اتصال اصلی میان چرخ و شاسی است و طراحی آن به گونه‌ای است که می‌تواند نیروهای بیشتر از 400 کیلوگرم را تحمل کند. استحکام این براکت تیتانیومی در مقایسه با قطعه فولادی مشابه خود که به روش ماشین‌کاری ساخته می‌شود، دو برابر بیشتر است در حالی که تنها نیمی از وزن نمونه فولادی را دارد (تصویر زیر).

• ابزارآلات صنعتی

در جای دیگر، از پرینت سه بعدی فلز برای ساخت ابزارآلاتی استفاده می‌شود که عملکرد بالاتری دارند. ابزارهای پیشرفته نیز بازده فرآیندهای دیگری را افزایش می‌دهند. برای نمونه، برخی از قالب‌های فلزی که داخل آن‌ها کانال‌های یکدستی برای خنک سازی وجود دارد، با استفاده از پرینت سه بعدی SLM تولید می‌شوند. کانال‌های خنک سازی را می‌توان به هر شکلی پرینت و تا جای ممکن به قطعه نزدیک کرد. هزینه پرینت یک قالب فلزی چیزی حدود 10,000 دلار است که خیلی بیشتر از قالب‌های 4,000 دلاری CNC است. اما این هزینه بیشتر، می‌تواند بهبود چشمگیری در عملکرد قالب به وجود بیاورد. به گفته کاربران، چرخه‌های تزریق با چنین قالبی بین 60 تا 70 درصد کوتاه‌تر شده و هیچ چیزی در قالب باقی نمی‌ماند (تصویر زیر).

• توسعه محصول

مهم‌ترین کاربرد اکستروژن فلز در دنیای امروز، تولید نمونه‌های اولیه فلزی است. در میان همه راه‌حل‌های داخلی، روش اکستروژن فلزی در زمان شما بسیار صرفه جویی می‌کند و به طور کلی، مدت زمان تولید تا عرضه محصولات مهندسی نوین را کاهش می‌دهد. استارتاپ Lumenium در زمینه نوآوری و توسعه موتورهای احتراق داخلی فعالیت می‌کند. آن‌ها برای ساخت نمونه قطعات موتورهای خود به دنبال رویکردی بودند که مقرون به صرفه باشد و به کار آن‌ها سرعت ببخشد. به طور معمول، دوره‌های توسعه این شرکت چیزی حدود سه سال و نیم طول می‌کشید. بنابراین آن‌ها اکستروژن فلز را وارد روند کار خود کردند و پس از آن موفق شدند زمان توسعه را به اندازه 25% یعنی دو سال و نه ماه کاهش دهند (تصویر زیر).