تصور کنید ساخت قطعات فلزی پیچیده، که زمانی تنها یک ایده روی کاغذ بود، حالا با دقت لیزری و بدون نیاز به ابزارهای سنتی ممکن شده است. در حقیقت امروزه دستیابی به فناوری پرینت سه بعدی فلزات و گسترش استفاده از پرینتر سه بعدی فلز دنیای تولید را دگرگون کرده است و دستگاه های SLM هم نقش کلیدی در این تحولات داشته اند.
تکنولوژی پرینت سه بعدی SLM، به عنوان یکی از پیشرفتهترین روشهای تولید افزایشی نه تنها بیش از ۸۰ درصد بازار پرینت سه بعدی فلزی را در دست دارد، بلکه صنایع هوافضا، خودرو و پزشکی را با توانایی ایجاد هندسههای پیچیده و کارآمد متحول کرده است. اما فناوری پرینت سه بعدی SLM چیست؟ و چرا به یکی از مهمترین فناوریهای تولید فلزی تبدیل شده است؟
در ادامه این مقاله به این سوالات پاسخ خواهیم داد و با جنبههای مختلف این فناوری بیشتر آشنا خواهیم شد.
پرینت سه بعدی SLM چیست؟
(Selective Laser Melting (SLM یا پرینت سهبعدی فلزی SLM، یکی از فناوریهای پیشرفته تولید افزایشی است که برای ساخت قطعات فلزی پیچیده از طریق ذوب لایهبهلایه پودر فلزی استفاده میشود. این روش با استفاده از فلزات صنعتی، قطعاتی دقیق و حرفهای را با هزینه کمتر و قابلیت انبوهسازی تولید میکند.
SLM که بهعنوان ذوب انتخابی با لیزر یا ذوب بستر پودری با لیزر (LPBF) نیز شناخته میشود، از یک لیزر قدرتمند برای ذوب کامل پودر فلزی بهره میبرد. در دستگاه SLM، که یک نوع پرینتر سه بعدی فلز به حساب میآید، پرتو لیزر هر لایه را مطابق طراحی CAD جامد میکند و در نهایت، قطعاتی با هندسه پیچیده و خواص فنی مطلوب تولید میشوند.
برای حفظ کیفیت، فرآیند در محیطی پر از گاز بیاثر (مانند نیتروژن یا آرگون) انجام میشود که از اکسید شدن فلزات جلوگیری میکند. این فناوری به دلیل دقت بالا و امکان تولید قطعات با ساختار پیچیده، در صنایع حساس مانند پزشکی و هوافضا کاربرد گستردهای دارد.
پرینت سه بعدی فلزی SLM در یک نگاه ؛ جدول مشخصات و ویژگی ها
ابعاد ساخت
160*160*100 میلی متر
ابعاد فوق برای دستگاه مجموعه ما در داخل ایران است و برای ابعاد بزرگتر قطعات از مجموعه همکار خارج از کشور تامین می گردد.
حداکثر خطای ساخت 0.3 میلی متر
مزایا و معایب
خواص مکانیکی بالا
تولید قطعات پیچیده
تولید قطعات سفارشی فلزی
قیمت بسیار بالا
زمان ساخت طولانی
ابعاد محدود
متریال ها
کاربرد
تولید قطعات سبک وزن با استحکام بالا
تولید قطعات شحصی سازی شده در پزشکی
تولید قالب تزریف پلاستیک پیچیده
تولید قطعات سفارشی خودرو
هزینه ساخت
هزینه ساخت بسیار بالا
روش کار پرینت سه بعدی SLM چگونه است؟
در شکل رو به رو جزئیات یک دستگاه SLM نشان داده شده است. دستگاه SLM یکی از پر استفاده ترین دستگاهها برای پرینت سه بعدی فلزات است. طرز کار این دستگاه پرینتر سه بعدی فلز 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 (غلتک) 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.
چرا از پرینت سه بعدی SLM استفاده کنیم؟
پرینت سه بعدی SLM یا همان چاپ سه بعدی ذوب لیزری انتخابی به دلیل مزایای منحصر به فرد آن یک انتخاب محبوب برای پرینت سه بعدی فلزات در کاربردهای مختلف است. برخی از این دلایل از دید کارشناسان ما در ماداتکنولوژی عبارتند از:
تکنولوژی پرینت سه بعدی SLM امکان پردازش طیف گسترده ای از پودرهای فلزی از جمله آلومینیوم، تیتانیوم، فولاد ضد زنگ و آلیاژهای مبتنی بر نیکل را برای صنایع مختلف فراهم آورده است.
این تطبیق پذیری این تکنولوژی را برای صنایعی که به قطعات قوی، بادوام و مقاوم در برابر حرارت نیاز دارند، مناسب میکند.
چاپ سه بعدی SLM امکان ساخت قطعاتی با خواص مکانیکی عالی از جمله استحکام بالا، چقرمگی و مقاومت در برابر خستگی را فراهم آورده است.
این ویژگی باعث میشود که فناوری پرینت سه بعدی SLM به انتخابی ایده آل برای برنامههای کاربردی در صنایع مختلف از قبیل هوافضا، خودروسازی، پزشکی و مهندسی که در آنها استحکام قطعات ضروری است، تبدیل شود.
تکنولوژی SLM ساخت اجسام فلزی با اشکال و طرحهای پیچیده که دستیابی به آنها با روش های تولید سنتی چالش برانگیز یا غیرممکن است را امکان پذیر میکند. این فناوری به شما این امکان را میدهد تا قطعاتی سبک وزن با عملکرد بهینه و طرحهای نوآورانه داشته باشید.
فناوری پرینت سه بعدی SLM وضوح و دقت ابعادی بالایی را ارائه میدهد و تلرانس کم و کیفیت و یکنواختی سطح قطعه را تضمین میکند. این دقت برای ساخت اجزای حیاتی که به مشخصات دقیق و عملکرد ثابت نیاز دارند، بسیار مهم است.
چاپ سه بعدی SLM امکان سفارشی سازی قطعات را برای برآوردن نیازهای خاص، مانند ایمپلنتهای پزشکی شخصی سازی شده، اجزای سفارشی هواپیما و فضاپیماها و… را فراهم میکند.
این قابلیت سفارشیسازی فرصتهایی را برای بازارهای خاص و محصولات فردی باز میکند.
مزایا و معایب پرینت سه بعدی فلزی SLM
شکی نیست که پرینتر سه بعدی فلز SLM یک ابزار قدرتمند است که نقاط قوت منحصر به فرد خودش را دارد.
در حال حاضر محدودیتهایی در این روش ساخت وجود دارد که شاید همیشه بهترین راه برای تولید قطعات فلزی به شمار نیاید. در ادامه با برخی از مزایا و معایب پرینت سه بعدی SLM آشنا خواهیم شد:
مزایای پرینت سه بعدی فلزی SLM
- داشتن یک هندسه پیچیده بدون هزینه اضافی
- ساختارهای سبک و بهینه
- عملکرد بهتر قطعه
- ادغام قطعات مونتاژ به صورت یک قطعه
- زنجیره تامین سادهتر
- خواص فوقالعاده مواد آن
معایب پرینت سه بعدی فلزی SLM
- در مقایسه با روشهای سنتی تولید به هزینه بیشتری نیاز دارد
- صرفه جویی ناشی از تولید انبوده هنوز در آن مقدور نیست
- قواعد طراحی خاص خود را دارد
- انجام عملیات پسا پردازش ضروری است.
از پرینت سه بعدی SLM کجاها استفاده می شود؟ بررسی کاربردهای پرینت سه بعدی فلزی SLM
کاربرد اصلی پرینت سه بعدی فلز در صنایع هوافضا، بهداشت و درمان، خودروسازی، ابزارآلات صنعتی و توسعه میباشد. چاپ سه بعدی ذوب لیزری انتخابی (SLM) نیز به دلیل توانایی آن در تولید قطعات پیچیده، باکیفیت و کاربردی و تنوع بالای مواد، کاربردهای گسترده ای در صنایع مختلف دارد. در این بخش برخی از کاربردهای رایج پرینت سه بعدی SLM را مورد بررسی قرار میدهیم:
پرینت سه بعدی SLM به طور گسترده در صنعت هوافضا برای ساخت قطعات پیچیدهای مانند پرههای توربین، براکتها، مبدلهای حرارتی و قطعات ساختاری مورد استفاده قرار میگیرد. توانایی این تکنولوژی در تولید قطعات سبک وزن و با استحکام بالا با ظاهر هندسی پیچیده، آن را برای استفاده در صنعت هوافضا مناسب کرده است.
شاید ندانید اما سبک بودن سازهها در صنعت هوافضا، از هر چیز دیگری مهمتر است. هزینه ترابری هر یک کیلوگرم در فضا، اکنون حدود ۱۰,۰۰۰ تا ۲۰,۰۰۰ 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 پرینت سه بعدی فلزی SLM، تعداد آرایههای مجزا را در آنتنهای ردیابی خود از ۱۰۰ عدد به ۱ 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، ۹۵% وزن آن را کم کند (تصویر زیر).
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 ۲۰۰۷، 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 ۱۰۰,۰۰۰ عدد از این ایمپلنت برای بیماران استفاده شد و نتیجه موفقی به همراه داشت.
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 ۴۰۰ کیلوگرم را تحمل کند.
استحکام این براکت تیتانیومی در مقایسه با قطعه فولادی مشابه خود که به روش ماشینکاری ساخته میشود، ۲ برابر بیشتر است در حالی که تنها نیمی از وزن نمونه فولادی را دارد (تصویر زیر).
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 ۱۰,۰۰۰ دلار است که خیلی بیشتر از قالبهای ۴,۰۰۰ دلاری CNC است. اما این هزینه بیشتر، میتواند بهبود چشمگیری در عملکرد قالب به وجود آورد. به گفته کاربران، چرخههای تزریق با چنین قالبی بین ۶۰ تا ۷۰ درصد کوتاهتر شده و هیچ چیزی در قالب باقی نمیماند (تصویر زیر).
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 ۲۵% یعنی ۲ سال و ۹ ماه کاهش دهند (تصویر زیر).
از چه موادی برای چاپ سه بعدی فلزی SLM استفاده میشود؟
ذوب لیزری انتخابی (SLM) در درجه اول بر روی چاپ با پودرهای فلزی تمرکز دارد. فلزات و آلیاژهای فلزی مختلفی را می توان در چاپ سه بعدی SLM استفاده کرد که هر کدام خواص و ویژگی های متفاوتی دارند. برخی از مواد رایج مورد استفاده برای پرینت سه بعدی SLM عبارتند از:
فولادهای ضد زنگ در پرینت سه بعدی SLM از پرکاربردترین مواد هستند. آنها در برابر خوردگی مقاوم هستند و خواص مکانیکی خوبی از خود نشان میدهند. درجات مختلف فولاد ضد زنگ را میتوان برای کاربردهای مختلف از تجهیزات پزشکی گرفته تا قطعات هوافضا استفاده کرد.
تیتانیوم و آلیاژهای آن در پرینت سه بعدی به دلیل نسبت استحکام به وزن بالا و زیست سازگاری معروف هستند. پرینت سه بعدی SLM تیتانیوم و آلیاژهای آن در هوافضا، ساخت ایمپلنتهای پزشکی و سایر صنایعی که به قطعات سبک وزن و در عین حال مستحکم نیاز دارند، استفاده میشود.
بیشتر بخوانید: معرفی پرینتر سه بعدی با قابلیت پرینت تیتانیوم
آلومینیوم و آلیاژهای آن در پرینت سه بعدی فلزی SLM به دلیل چگالی کم، هدایت حرارتی و الکتریکی خوب و مقاومت در برابر خوردگی معروف هستند. آنها در صنایع مختلف از جمله هوافضا، خودروسازی و کالاهای مصرفی استفاده می شوند.
این آلیاژها مقاومت در برابر دمای بالا، مقاومت در برابر خوردگی و خواص مکانیکی عالی دارند. پرینت سه بعدی آلیاژ نیکل در کاربردهایی مانند توربین های گازی، قطعات هوافضا و تجهیزات پردازش شیمیایی مورد استفاده قرار میگیرد.
این آلیاژها به دلیل زیست سازگاری و استحکام بالا اغلب در کاربردهای پزشکی و دندانپزشکی مورد استفاده قرار می گیرند. از چاپ سه بعدی آلیاژ کبالت کروم برای تولید ایمپلنتهای دندانی، ایمپلنتهای ارتوپدی و ابزار جراحی استفاده میشود.
با انواع متریالهای پرینت سه بعدی فلزی SLM بیشتر آشنا شوید
سوالات متداول
چاپ سه بعدی فلزی SLM مشابه سایر روشهای پرینت سه بعدی فلزی مانند زینترینگ لیزری مستقیم فلز (DMLS) است، اما از یک لیزر پرقدرت برای ذوب کامل پودرهای فلزی استفاده میکند و در نتیجه قطعات چسبیده متراکم و کاملا متالورژیکی با خواص مکانیکی بالا ایجاد میشود.
پیشنهاد میکنیم مطالعه کنید: مقایسه پرینت سه بعدی SLM و SLS
برخی از مزایای پرینت سه بعدی SLM شامل توانایی تولید هندسههای پیچیده تولید آنها با روشهای تولید سنتی تقریبا غیرممکن است، کاهش ضایعات مواد، سفارشی سازی قطعات برای کاربردهای خاص، زمان چرخش سریع و تولید مقرون به صرفه برای تولیدات کم حجم است.
با اینکه چاپ سه بعدی SLM به دلیل توانایی آن در تولید قطعات پیچیده با حداقل ابزار، برای تولید با حجم کم تا متوسط ایده آل است، ممکن است در مقایسه با روش های تولید سنتی مانند ماشینکاری CNC یا قالب گیری تزریقی، برای تولید با حجم بالا مقرون به صرفه نباشد.
با اینکه چاپ سه بعدی SLM به دلیل توانایی آن در تولید قطعات پیچیده با حداقل ابزار، برای تولید با حجم کم تا متوسط ایده آل است، ممکن است در مقایسه با روش های تولید سنتی مانند ماشینکاری CNC یا قالب گیری تزریقی، برای تولید با حجم بالا مقرون به صرفه نباشد.
آیا پودرهای فلزی مورد استفاده در پرینت سه بعدی SLM قابل بازیافت اند؟
ملاحظات طراحی برای چاپ سه بعدی فلزی SLM شامل بهینه سازی جهت گیری قطعه، به حداقل رساندن برآمدگیها، ترکیب ساختارهای نگهدارنده مناسب، در نظر گرفتن تنشهای حرارتی در طول فرآیند ساخت، و اطمینان از توزیع یکنواخت حرارت برای جلوگیری از تاب برداشتن یا اعوجاج است.
صنایعی مانند صنایع هوافضا، خودروسازی، پزشکی و ابزارسازی معمولاً از چاپ سه بعدی فلزی SLM برای تولید قطعات فلزی پیچیده و سبک وزن، نمونههای اولیه، اجزای ابزار و ایمپلنتهای سفارشی استفاده میکنند.
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.