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
- 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 فلزی 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 فلزی SLM که مخفف عبارت «ذوب انتخابی با لیزر» است، با نام‌های دیگری هم شناخته میشود: ذوب بستر پودری با استفاده از لیزر (LPBF) 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.
روش کار پرینت سه بعدی SLM چگونه است؟
طرز کار پرینت سه بعدی فلزی 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 فلزی 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 فلزی 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.
مزایا و معایب پرینت سه بعدی فلزی SLM
شکی نیست که پرینت سه بعدی فلزی 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.
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.
کاربردهای پرینت سه بعدی فلزی SLM
کاربرد اصلی پرینت سه بعدی فلز در صنایع هوافضا، بهداشت و درمان، خودروسازی، ابزارآلات صنعتی و توسعه میباشد.
• پرینت سه بعدی فلزی SLM در صنعت هوافضا
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).
• چاپ سه بعدی فلزی SLM در بهداشت و درمان و پزشکی
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.
• خودروسازی و پرینت سه بعدی فلزی SLM
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).
• ساخت ابزارآلات صنعتی با پرینت سه بعدی فلزی SLM
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).
• توسعه محصول با چاپ سه بعدی SLM
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 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 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.
آلومینیوم و آلیاژهای آن 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. آنها در کاربردهایی مانند توربین های گازی، قطعات هوافضا و تجهیزات پردازش شیمیایی مورد استفاده قرار میگیرند.
این آلیاژها به دلیل زیست سازگاری و استحکام بالا اغلب در کاربردهای پزشکی و دندانپزشکی مورد استفاده قرار می گیرند. از آنها برای تولید ایمپلنت‌های دندانی، ایمپلنت‌های ارتوپدی و ابزار جراحی استفاده میشود.
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.
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.
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.