بررسی فرآیند چاپ سه بعدی SLM:
Selective Laser Melting یا ذوب انتخابی لیزر، یک روش تولید لایه افزایشی (additive manufacturing) است که به صورت اختصاصی، برای چاپ سه بعدی آلیاژهای فلزی توسعه یافته است. در روش SLM از لیزر برای ذوب کامل پودر فلز استفاده می شود تا قطعه ای همگن تولید شود (باعث می شود که قطعه تولیدی دارای یک نقطه ذوب مشخص باشد).
برخلاف SLS، در فرآیند های SLM استفاده از ساختارهای ساپورت لازم است تا از احتمال بروز هر گونه اشکال جلوگیری شود (با وجود این واقعیت که پودر های فلزی اطراف جسم، به صورت فیزیکی نقش ساپورت را نیز بازی می کنند).
به دلیل وجود درجه حرارت بالا، اجسامی که به روش های DMLS و SLM تولید می شوند، در خطر پیچش و انحراف در زیر فشار های پرینت قرار دارند. به همین سبب، معمولا پس از پایان پرینت و در حالی که قطعات روی بستر چاپ قرار دارند آنها را با حرارت پرداخت می کنند تا هرگونه فشار احتمالی پس از پرینت از روی آنها برداشته شود.
قبل از ادامه مبحث SLM بد نیست که درباره تقسیم بندی انواع تکنولوژی بستر پودری همجوشی بیشتر بدانیم:
Direct Metal Laser Sintering: DMLS
متریال: پودر فلز: آلومینیوم، فولاد ضد زنگ، تیتانیوم
دقت ساخت ابعاد: ±0.1 میلیمتر
استفاده های متداول: قطعات فلزی کاربردی (صنایع هوا و فضا ، صنایع اتوماتیک)، پزشکی، دندانسازی
مزایا: قطعات بسیار قوی و کاربردی، هندسه های پیچیده
نقاط ضعف: سایز ساخت کوچک، بیشترین هزینه در بین همه تکنولوژی ها، استحکام، تخلخل
(Direct Metal Laser Sintering (DMLS
هر دو تکنولوژی DMLS و SLM اجسام را شبیه به روش SLS تولید می کنند. تفاوت اصلی در این است که این دو تکنولوژی پرینت سه بعدی برای تولید قطعات فلزی به کار میرود.
اصلی ترین تفاوت بین DMLS و SLM این است که اولی قطعات را با آلیاژهای فلزی ترکیبی میسازد و دومی معمولا از یک عنصر مانند تیتانیوم استفاده میکند.
Powder Bed Fusion یک فرآیند پرینت سه بعدی برای تولید اجسام جامد است که در آن با استفاده از یک منبع حرارتی، همجوشی بین ذرات پودر فلز ایجاد می شود و هر بار یک لایه را شکل می دهد.
اکثر تکنولوژی های Powder Bed Fusion از مکانیسم هایی برای اضافه کردن پودر فلز در زمان ساخت جسم بهره می برند که در نتیجه جسم نهایی در بین پودر فلزات قرار می گیرد. تفاوت اصلی بین تکنولوژی های Powder Bed Fusion، در استفاده آنها از منابع انرژی مختلف مانند لیزر یا پرتو الکترون است.
در روش DMLS پودر فلز و ماده مکمل بنوعی حرارت داده می شوند تا به نقطه ای برسد که از لحاظ مولکولی با یکدیگر همجوشی پیدا کرده، ادغام شوند (همانند ماده مکمل همانند چسب عمل میکند). بعدا در در دو فرآیند شیمیایی و حرارتی بنامهای بایندرزدایی و سینترینگ، این ماده اصطلاحا چسب مانند، حذف و قطعه فلز نهایی پخته میشود.
تکنیک پرینت سه بعدی SLM چیست؟
قبلا درباره نوع دیگر چاپ سه بعدی فلزی موسوم به «SLS: Selective Laser Sintering» مقاله ای ارائه کرده بودیم؛ در تکنیک SLM نیز فرآیند مشابه است در واقع همان پلتفرم POWDER BED FUSION با متریال Powder Polymers Metal است؛ به این صورت که در یک فرآیند ذوب کامل و با ترکیب کردن پودر فلزات با یکدیگر، قطعه ای را تولید می کند.
همانند فرآیند SLS، قطعه فلزی شما از روی مدل سه بعدی و به صورت لایه به لایه ساخته می شود. بر خلاف DMLS، در روش SLM پودر فلزات کاملا ذوب می شوند و بنابراین در این روش به درجه حرارتی بالاتر از تکنیکهای مشابه پرینت سه بعدی فلز نیاز است. محفظه ساخت با یک گاز راکد پر می شود (مانند آرگون یا نیتروژن با سطح اکسیژن کمتر از 500 واحد در میلیون) تا شرایط مناسب را برای ذوب آماده کند.
فرآیند ذوب کامل به فلز اجازه می دهد تا یک بلوک همگن با مقاومت بالا ایجاد کند. این امر برای فلزات خالص مانند تیتانیوم و آلومینیوم عالی است. با توجه به این که در ذوب کامل ما به دمای بالاتری نیاز داریم، زمان لازم برای خنک شدن نیز نسبت به DLMS بیشتر خواهد بود.
نکته: کمپانی های توسعه دهنده تکنولوژی SLM کشورهای پیشرفته، ایران را تحریم کرده اند و قیمت این دستگاههای ساخت خارج نیز بسیار گران است (حتی برای خریداران بومی کشور سازنده). جای شکرش باقیست که تحقیقات و ساخت دستگاههای ایرانی در کشورمان شروع شده است؛ پس فکر خرید یک دستگاه چاپگر فلز برند خارجی را از سر بیرون کنید و به دنبال سازنده های داخلی در ایران باشید.
مراحل انجام فرآیند SLM همانند دیگر تکنولوژیهای افزایشی لیزری است: ابتدا، یک غلتک لایه ای پودر فلزی را اعمال می کند، سپس لیزر با توجه به فایل سه بعدی آن را شکل می دهد و پیش از اینکه لایه جدید پودر اعمال شود، بستر ساخت پایین می رود. این فرآیند تا زمانی که قطعه مورد نظر ساخته شود تکرار خواهد شد. پس از پایان، قطعه فلزی پیش از خروج باید خنک و سپس ذرات پودری اضافه دور قطعه حذف شوند.
- محفظه چاپ هر چاپگر سه بعدی SLM باید کاملاً با پودر فلز پر شود. اولین مرحله ای که نشان دهنده شروع چاپ سه بعدی SLM است پخش این پودر فلز است. باید اطمینان حاصل کنید که این پودر در سراسر سطح پخش می شود یا یک صفحه در لایه های نازک توسط یک تیغه روکش بسازید.
- پس از پاشش پودر، منبع لیزر مجاز به ورود است و نه قبل از آن؛ تابیدن لیزر با قدرت بالا و با ذوب گزینشی، شروع به جوش دادن یک برش دو بعدی از سطح مقطع پودر می کند. به محض دستیابی به این امر، صفحه ساخت چاپگر به اندازه یک لایه پایین می‌آید و روکش‌کننده دوباره یک لایه پودر فلز تازه را در سراسر سطح پخش میکند و این روند تا زمانی که قسمت نهایی چاپ شود تکرار می شود.
- تمام این فرآیند باید در یک محیط کنترل شده انجام شود. بنابراین، هرگز نمی توانید یک چاپگر سه بعدی با بدنه باز برای چاپ سه بعدی SLM داشته باشید. شما به یک محفظه چاپ محصور نیاز دارید که درجه حرارت مشخصی را تحمل کند.
- پس از ساخت قطعه، می توان آنرا از صفحه ساخته شده جدا کرد.
- همانطور که در بالا ذکر شد، مواد پشتیبانی از همان مواد قطعه خواهد بود، پس پردازش می تواند کمی دشوار و زمان بر باشد. و باید با صبر و حوصله زیادی انجام شود.
- هنگامی که قطعات slm را در دست می گیرید، متوجه می شوید که قطعات خام ناهموار هستند و بسته به برنامه ای که می خواهید از آنها استفاده کنید، به پس پردازش نیاز دارند.
- ماشینکاری قطعات ساخته شده از فناوری «اس ال ام» برای به دست آوردن ویژگی ها، سطوح و سوراخ های ظریف تر، یک عمل بسیار رایج است.
پس در روش SLM از ساپورت نه تنها برای تقویت بخش ها و زاویه ها استفاده می شود بلکه برای ایجاد چسبندگی بیشتر به بستر نیز به کار گرفته می شوند. ساپورت ها پس از خنک شدن و به صورت دستی جدا می شوند. همچنین تکنیک های تکاملی (پرداخت و پولیش) مختلف مانند فرزکاری، فرآیند حرارتی یا تراشکاری معمولا پس از پایان پرینت و به منظور دستیابی به بهترین عملکرد قطعه انجام می شود.
معرفی پرینترهای سه بعدی SLM
اولین الگوی SLM در انستیتو ILT فرانهوفر آلمان و در سال 1995 طراحی شد. این تکنولوژی در اوایل قرن حاضر، توسط کمپانی F&S با همکاری MCP HEK GmbH (که بعد ها به نام SLM Solutions GmbH تغییر نام داد) توسعه داده شد.
مهمترین محصولات پرینترهای سه بعدی SLM مربوط به شرکت SLM Solutions عبارتند از:
- مدل SLM 500 که فضای ساخت بزرگ 500x280x365 میلیمتر دارد و از یک تکنولوژی منحصر به فرد پرتو چندگانه استفاده می کند.
- مدل SLM 280 نیز برای بالا بردن بهره وری، از تکنولوژی پرتو چندگانه بهره می برد و فضای ساخت 280x280x365 میلیمتر دارد.
مدل SLM 125 جمع و جورترین دستگاه SLM است که فضای ساخت آن 125x125x125 میلیمتر است.
مزایای پرینت سه بعدی SLM
فرآیند SLM یک تکنیک صنعتی برای شرکتهایی است که می خواهند قطعات فلزی خود را به منظور نمونه سازی با کیفیت بالا، شخصا تولید کنند، بسیار پرسود و مناسب است. با این روش می توان طراحهای پیچیده و جزئیات بالا را نیز تولید کرد که با توجه به محدودیت های فرآیندهای قدیمی، در آنها امکان پذیر نبود. برای مثال، SLM می تواند اجزا چندگانه (مانند چفت و بست یا پایه ها) را ادغام کند و یک جسم واحد بسازد. این کار باعث کمتر شدن هزینه و زمان برای مونتاژ می شود.
مقاله مرتبط: پرینتر سه بعدی بایندرجت چیست؟
همچنین با SLM می توان اجسامی با دیواره نازک و هندسه پیچیده ساخت، به این معنی که امکان تولید طراحی های سبک وزن نیز وجود دارد. سفارشی سازی و سرعت در تحویل نیز از مزایای دیگر این تکنولوژی محسوب می شوند.
متریال پرینت سه بعدی SLM
شما می توانید از پرینت سه بعدی با آلومینیوم AlSi7Mg0,6 استفاده کنید. برای مقاصد دیگر همچنین پیشنهاد می کنیم از پرینتهای دیگر فلزی مانند DMLS یا تکنیک Metal Casting نیز استفاده کنید.
- در DLMS: فولاد ضد زنگ SS316L و تیتانیوم TiAl64V درجه 5
- در Metal Casting: نقره و برنج
در تکنولوژی SLM از آلیاژهای فلزی زیادی می توان استفاده کرد. اگر می خواهید یک پروژه فلزی را پرینت سه بعدی کنید تعدادی از آلیاژهای فلزی زیر را پیشنهاد می کنیم:
- فولاد مارایجینگ
- فولاد ضد زنگ: SS17-4 یا SS15-5
- تیتانیوم Ti6Al4V درجه 23
- کبالت کروم
- HastelloyX
کاربرد 3D Printer SLM:
با تکنیکهای تولید افزایشی فلزی مانند SLM و DMLS می توان قطعات فلزی مفیدی تولید کرد که کاملا کاربردی هستند و به سرعت ساخته می شوند و تکنولوژی های دیگر قادر به انجام آن نیستند.
مزایای پرینت3بعدی اس ال ام:
- گزینه های متریال فلزی متنوع.
- با استفاده از این فناوری پرینت سه بعدی می‌توانید برخی از سخت‌ترین اشکال پیچیده یا ویژگیهای داخلی را چاپ کنید که با تکنیکهای تولید سنتی نمی‌توانید آنها را تصور کنید.
- فناوری چاپ سه بعدی SLM زمان تحویل را کاهش می دهد، زیرا برای تنظیم ابزار نیازی به زمان ندارید.
- این فناوری امکان تجمیع قطعات و تولید چندین قطعه را بطور همزمان فراهم می کند.
- به شما امکان می دهد وزن قطعات و نمونه های اولیه کاربردی را در برنامه های مختلف کاهش دهید.
- شما می توانید با استفاده از فناوری که نیاز به مونتاژ قطعات را از بین می برد، طرح های بهینه تولید کنید.
معایب پرینت3بعدی اس ال ام:
- هزینه زیاد: این فناوری در مقایسه بافناوری های چاپ سه بعدی SLA و FDM (رزین و ترموپلاستیک) بسیار گرانتر است. پس تنها برای سازمانهای بزرگ و با اهداف خاص توجیه پذیر است.
- همه نمی توانند با چاپگر سه بعدی SLM کار کنند. برای اطمینان از کیفیت بالای قطعات چاپ شده با این فناوری، به نیروی ماهر و آموزش دیده نیاز دارید.
- محل نگهداری این دستگاهها که اغلب بزرگ و سنگین هستند، در محیطهای کارگاهی و صنعتی است.
- این فناوری در حال حاضر به تولید قطعات با حجم ساخت کم تا متوسط محدود شده است. با استفاده از چاپگر سه بعدی SLM نمی‌توانید حجم‌های بسیار بزرگ مثل دستگاههای FDM (متریال ترموپلاستیک) چاپ کنید.
- تمام قطعات و نمونه های اولیه عملکردی تولید شده با استفاده از فناوری slm دارای سطحی نسبتا خشن هستند و بنابراین نیاز به پرداختکاری پس از چاپ دارند (گاهی باعث افزایش زمان کلی چاپ میشود).
آلومینیوم و دیگر آلیاژهای فلزی که در SLM استفاده می شوند، در مقابل فشار و حرارت مقاومت بسیار بالایی دارند و به همین دلیل درخواست های بسیاری در زمینه های مهندسی مکانیک و مهندسی شیمی برای این تکنولوژی وجود دارد. وزن کمتر، عملکرد بهتر، کاهش هزینه و کارایی ساده تر نتایجی هستند که به لطف وجود تکنولوژی SLM به دست آمده اند.
مقاله مرتبط: مقایسه دو فناوری پرینتر سه بعدی: FDM vs SLA
هوافضا و صنایع وابسته به آن اولین کسانی هستند که از این تکنولوژی بهره مند می شوند (و به همین دلیل کشور ایران در این صنعت تحریم بین المللی گردیده است). قطعات SLM در ابزار، تجهیزات، بخشهای موتور مانند روتور و پروانه، کانال های خنک کننده و غیره استفاده میشوند. صنایع اتوماتیک، بخش های تحقیقاتی، مهندسی پزشکی و دندانسازی نیز از استفاده کنندگان معمول این تکنولوژی محسوب میگردد.
با پیشرفت و دستیابی به روش جدید تولید با فلز، SLM در زمینه های ذکر شده تقویت شده است و در زمینه های بیشتری نیز وارد خواهد شد.
در پایان این مقاله، برای درک بهتر قدرت ساخت و ویژگیهای پرینت سه بعدی فلز، مشخصات یک مدل پرینتر از کمپانی SLM Solutions را می آوریم:
مشخصات فنی پرینتر سه بعدی SLM 500:
– Price: range of 1-2 million $
– Build Envelope (L x W x H) : 500 x 280 x 365 mm³ reduced by substrate plate thickness
– 3D Optics Configuration Twin: (2x 400 W), Quad (4x 400 W), Twin (2x 700 W), Quad (4x 700 W) IPG fiber laser
– Build Rate: up to 171 cm³/h (depending on material and build part geometry)
– Variable Layer Thickness: 20 µm – 75 µm
– Min. Feature Size: 150 µm
– Beam Focus Diameter: 80 – 115 µm
– Max. Scan Speed: 10 m/s
– Average Inert Gas Consumption in Process: 5 – 7 l/min (argon)
– Average Inert Gas Consumption Purging: : 70 l/min (argon)
– E-Connection / Power Input : 400 Volt 3NPE, 64 A, 50/60 Hz, 8 – 10 kW
– Compressed Air Requirement / Consumption: ISO 8573-1:2010 [1:4:1], 50 l/min @ 6 bar
– Dimensions (L x W x H): 5200 mm x 2800 mm x 2700 mm (inkl. PSV, PRS)
– Weight (without / incl. powder) : approx. 2400 kg / 3100 kg
Ethernet port – closed frame – LCD Screen
تشکر از نوشتار در مورد تکنیک
slm.
مطمئنا در جهت گسترش تکنولوژی مفید می باشد. با اینحال خواهشمندم مطالب کامل و صحیح بیان شوند. بعنوان مثال به چندمورد از ایرادات اشاره می شود:
تکنیک
DMLS
هم ذوب فلز در آن رخ می دهد ولی چون معمولا از دو فلز با نقطه ذوب متفاوت استفاده می شود، فلز با نقطه ذوب پایین تر ذوب شده و مانند چسب عمل می کند.
مورد بعدی:
فناوری پرینت۳بعدی فلزی در داخل کشور تجاری شده (توسط شرکت نورا لایه نگار و چند شرکت دیگر) و قابل خرید هست. قیمت هم کمتر از نمونه های خارجی است.