چه می شود اگر بتوانید علاوه ساخت یک قطعۀ فلزی جدید، فقط آنرا تعمیر کنید؟ یا ویژگی خاصی را به یک قطعه موجود اضافه کنید؟ بیایید با فناوری چاپ سه بعدی DED آشنا شویم.
Direct Energy Deposition چیست و چگونه کار می کند؟
چاپ سه بعدی Direct Energy Deposition، که به اختصار DED خوانده می شود، یک فرایند تولید افزایشی شگفت انگیز است که امکان های جدید در تعمیرات، توانایی افزودن ویژگی ها و تولید قطعۀ نهایی را ممکن می سازد.
فناوری Direct Energy Deposition یا DED چندین اصطلاح دیگر نیز به زبان انگلیسی دارد:
- Laser Engineered Deposition
- Laser Engineered Net Shaping (LENS)
- Electron Beam Additive Manufacturing (EBAM)
- Direct Light Fabrication
- Direct Metal Deposition
- 3D Laser Cladding
این تکنیک نوظهور، یک فرایند پیچیده است که معمولاً برای تعمیر یا افزودن متریال اضافی به قطعات موجود استفاده می شود.
یک 3D Printer DED معمولی شامل یک نازل است که بر روی یک بازوی چند محوره نصب شده و متریال ذوب شده را روی سطحی معین دپوزیت می کند، که این متریال همانجا سفت و جامد می شود. این فرایند در اصل مشابه اکستروژن در چاپگرهای سه بعدی رومیزی متریال ترموپلاستیک است، اما نازل می تواند در جهات مختلف حرکت کند و روی یک محور خاص ثابت نیست: متریال، که به واسطۀ شاسی چهار یا پنج محوره می تواند در هر زاویه ای دپوزیت شود، توسط یک لیزر یا پرتو الکترونی ذوب می شود. در این فرایند می توان از پلیمرها و سرامیک ها استفاده کرد، اما معمولاً از فلزات، به صورت پودر یا سیم، استفاده می شود.
بنابراین بصورت خلاصه میتوانیم بگوییم:
DED نوعی فرایند تولید افزایشی Additive Manufacturing است که در آن از انرژی حرارتی متمرکز لیزر، الکترون یا پلاسما برای ذوب مواد در هنگام دپوزیت شدن و در نتیجه همجوشی متریال استفاده می شود. این فناوری اغلب برای تعمیر، تغییر شکل و پوشش دهی قطعات ساختاری به کار گرفته می شود.
پرینت سه بعدی Direct Energy Deposition به صورت گام به گام
- بازوی پنج محوره در اطراف یک جسم ثابت حرکت می کند.
- متریال از درون نازل بر روی سطوح موجود دپوزیت (خروج با فشار) میشود.
- متریال به صورت سیم فلز یا پودر فلز و ندرتا سرامیک است.
- متریال، پس از رسوب، با استفاده از لیزر، پرتو الکترونی یا قوس پلاسما ذوب می شود.
- متریال بیشتر به صورت لایه به لایه اضافه و جامد میشود و در نتیجه جسم موجود تعمیر شده یا ویژگی های جدیدی به آن افزوده می شود.
اطلاعات فنی DED Additive Manufacturing
در فرایند DED از متریال به شکل سیم و پودر استفاده میشود. معمولا سیم فلزی به دلیل شکل پیش‌ساخته ای که دارد چاپ نادقیقتری خواهد داشت اما در مقایسه با پودر به صرفه تر است، زیرا فقط متریال مورد نیاز استفاده می شود.
برای ذوب متریال از لیزر، پرتو الکترونی یا قوس پلاسما استفاده می شود، که همه در یک محفظۀ کنترل شده که در آن سطح اکسیژن کاهش یافته صورت میگیرد. در مقایسه با محور رسوب گذاری ثابت و عمودی، حرکت سرِ تغذیه در دستگاه های 4 یا 5 محوره نرخ جریان متریال را تغییر نمیدهد.
در حالی که در بیشتر موارد این بازو است که حرکت می کند و جسم در یک موقعیت ثابت می ماند، امکان معکوس کردن آن وجود دارد: یعنی می توان سکوی ساخت را حرکت داد و بازو را در یک موقعیت ثابت نگه داشت. انتخاب این امر به کاربرد دقیق و قطعۀ چاپی بستگی دارد.
برترین پرینترهای سه بعدی متریال فلزی رومیزی و صنعتی
زمان خنک شدن متریال بسیار سریع است، (معمولاً بین 1000 تا 5000 درجۀ سانتیگراد در ثانیه). زمان خنک شدن به نوبۀ خود بر ساختار دانه های نهاییِ متریالِ دپوزیت شده تاثیر می گذارد، هرچند همپوشانی مواد نیز باید در نظر گرفته شود، چون در این حالت همپوشانی میتواند باعث ذوب مجدد شود و ساختار دانه را تغییر دهد و در نتیجه ریزساختاری یکنواخت اما متناوب ایجاد میشود.
ضخامت لایۀ معمول در فناوری DED معمولا 0.25 تا 0.5 میلیمتر است.
مقایسۀ Direct Energy Deposition با Powder Bed Fusion
تحقیقات نشان می‌دهد که هنگام تولید قطعات فلزی با اندازۀ متوسط، DED ده برابر سریع تر و پنج برابر ارزان تر از PBF: Powder bed fusion خواهد بود؛ در این تحقیق، یک قطعۀ فلزی با قطر 150 میلیمتر و ارتفاع 200 میلیمتر از جنس اینکونل توسط هر دو فرایند ساخته شد. هندسۀ قطعه طوری طراحی شده بوده که بدون ساختارهای ساپورت ساخته شود تا پارامترها قابل مقایسه باشند.
مزیت دیگر DED آنست که استفاده از متریال و همچنین زمان خنک شدن و ساخت در مقایسه با PBF به شدت کاهش می‌یابد.
مزایا و معایب چاپ سه بعدی DED
از چاپ DED نه تنها برای تولید قطعات جدید استفاده می شود، بلکه می توان از آن برای افزودن متریال به منظور تعمیر قطعات موجود یا ایجاد پوشش برای قطعات در کاربردهای خاص بهره گرفت. با این حال، چاپگرهای DED گران هستند و برای کار به تکنسینهای ماهر نیاز دارند. اگر بخواهید از متریال پودری استفاده کنید، به یک اتاق پودر هم نیاز پیدا می کنید. با توجه به این که وضعیت نهایی قطعات چاپ شده با DED بسته به متریال مورد استفاده متفاوت است، معمولاً پرداخت نهایی برای بهبود قطعه و دستیابی به سطوح دلخواه ضروری است.
- توانایی کنترل ساختار دانه ها تا درجۀ بالا که امکان تعمیر قطعات کاربردی را با کیفیت بالا فراهم می کند.
- همیشه باید بین کیفیت سطح و سرعت چاپ، تعادل وجود داشته باشد؛ با این حال در تعمیر قطعات می توان سرعت را قربانی دقت بالا و ریز ساختارهای از پیش تعیین شده کرد.
- کیفیت سطح نهایی قطعه بسته به متریال مصرفی می تواند متفاوت باشد، اما برای دستیابی به نتیجۀ مطلوب می توان پرداخت نهایی را روی قطعه اعمال کرد (اغلب این فرایند ماشین کاری ناچیزی دارد ولی گاهی اوقات، قطعات چاپ شده با دستگاه های DED به ماشینکاری نهایی قابل توجهی نیاز پیدا خواهند کرد).
- از آنجا که اندازۀ قطعات چاپی صرفاً به واسطۀ دسترسی بازوی چند محوره محدود می شود (که قابل افزایش هست)، با استفاده از فناوری DED می توان قطعاتی بسیار بزرگ تر از چاپگرهای سه بعدی معمولی تولید کرد.
- چاپ DED به طور گسترده در صنعت هوافضا برای ایجاد قطعات ساختاری در ماهواره ها و هواپیماهای نظامی استفاده میشود. این تکنولوژی در تعمیر قطعات آسیب دیده نظامی سایز بزرگ، پره های توربین و سایر تجهیزات کارایی خوبی دارد.
- از DED برای افزودن متریال یا پوشش به قطعات موجود برای کاربردهای خاص استفاده کرد.
- فرایندهای همجوشی ساخت افزایشی برای پیشرفت به تحقیقات بیشتری نیاز دارند تا رواج بیشتری پیدا کنند.
مطلب مشابه: فناوری پرینت سه بعدی EBM چیست؟
تاریخ ظهور فناوری چاپ DED
Electron Beam Additive Manufacturing (EBAM) راهکار تجاری شرکت Sciaky برای فناوری DED است؛ این شرکت در زمینۀ چاپ سه بعدی فلزات فعالیت می کند. شرکت های دیگر مانند BeAM نیز راهکارهایی برای فرایند DED ارائه داده اند.
پرسش های متداول درباره چاپ سه بعدی DED
در فناوری DED از چه متریالی استفاده می شود؟
دو نوع دسته بندی متریال بصورت رشته فلز با قطر 1 تا 3 میلیمتر و پودری با اندازه 50 تا 150 میکرون در این فناوری بکار میرود. طیف گسترده ای از مواد فلزی را می توان در فرایند DED به کار برد: از جمله تیتانیوم، آلومینیوم، تنگستن، فولاد ضدزنگ، سوپرآلیاژهایی مثل اینکونل، تانتال … و البته برخی متریال های خاص دیگر هم مثل سرامیک و پلیمرها در حال توسعه هستند.
اندازۀ قطعات چاپی در DED چقدر است؟
از DED می توان برای ساخت و تعمیر قطعاتی با پهنای پنج متر استفاده کرد، که یکی از بزرگ ترین اندازه های قابل چاپ در حال حاضر محسوب می شود.
چاپ DED برای چه دقتی مناسب است؟
DED راهکار خوبی برای ایجاد و تعمیر قطعات بزرگ فلزی است. با این حال، از آنجا که دستگاه های DED مقداری از کیفیت را فدای سرعت می کنند، وقتی به دقت بالا و سطوح بسیار صاف نیاز داشته باشید، استفاده از آن ایده‌آل نیست.
چگونه از چاپ DED برای تعمیر قطعات استفاده می شود؟
چاپ DED می تواند لایه های فلزی را بر روی قطعات فرسوده یا خراب اضافه کند تا طول عمر آنها را افزایش دهد و آنها را قابل استفادۀ مجدد کند.
چاپ DED برای چه کسانی مناسب است؟
مشتریان این فناوری در زمینه های مختلفی مانند هوافضا، خودروسازی، گاز، نفت، معادن، صنایع نظامی و دانشگاهی فعالیت می کنند.
مطلب مشابه: فناوری چاپ سه بعدی SLS چیست؟
تولید قطعات نهایی با DED 3D Printing
DED می تواند قطعاتی مشابه با ماشینکاری سنتی تولید کند. یعنی برای تولید قطعاتی که با روش سنتی گران یا کند ساخته می شوند، می توان از DED بهره برد. این امر باعث می شود که DED برای تولید قطعات ساخته شده از فلزات گران قیمت و سخت بافت، ایده‌آل باشد. در نتیجه، DED به تولید اقلامی مانند بست ها، مخازن و دنده های مورد استفاده در زمینۀ هوافضا و خودروسازی کمک شایانی می کند. ساخت قطعات نهایی این تکنیک، اغلب در بخشهای هوافضا، دفاعی و نیروی دریایی استفاده می شود.
در حالی که این فرایند منجر به طراحی بهتر محصول، صرفه جویی در زمان و کاهش هزینه می شود، بدلیل قیمت بالای دستگاه و نیاز به پرداخت نهایی، برای تولید قطعات حجم بالا مناسب نیست.
افزودن ویژگی به قطعات موجود
از آنجا که DED می تواند روی قطعات موجود کار کند، برای افزودن ویژگیهای اضافی به قطعات ایده‌آل است. وجود بازوی چند محوره و پیشرفت نرم افزار امکان ساخت اشکال پیچیده تر را فراهم کرده است، به ویژه وقتی که افزودن ویژگیها توسط تکنیک های مرسوم گران باشد.
DED همچنین به واسطۀ امکان تغییر متریال در حین چاپ، اجازۀ استفاده از چندین فلز را می دهد. در چنین موردی، برای انجام یک چاپ موفق باید ملاحظات مهمی را در مورد طراحی و ویژگی های پیوندی فلزات غیر مشابه در نظر گرفت.
تعمیر قطعات فلزی
پرینت3بعدی DED به طور فزاینده ای جایگزین روش های مرسوم تعمیر قطعات خواهد شد. از آنجا که DED فرایندی خودکار است، سطح بالایی از کنترل و تکرارپذیری را فراهم می کند، که این امر به ویژه برای قطعات پیچیده و دارای جزئیات زیاد اهمیت دارد. هم‌اکنون از این فرایند برای کاربردهایی مانند تعمیر پره ها یا پروانه های توربین استفاده می شود.
شرکتهای برتر سازنده دستگاههای چاپگر سه بعدی DED
تعداد متوسطی از تولیدکنندگان پرینترهای سه بعدی DED در بازار جهانی حضور دارند.
BeAM یکی از بازیگران اصلی در این زمینه است؛ آنها سه مدل Magic 80، Modulo 250 و Modulo 450 را ارائه کرده اند که همگی از لیزر به عنوان منبع حرارتی بهره می برند.
از دیگر سازندگانی که دستگاه های DED مبتنی بر لیزر میسازند می توان به:
Trumpf، Optomec، FormAlloy، DMG Mori، InssTek و Relativity اشاره کرد.
در مورد سیستم های DED مبتنی بر پرتوی الکترونی:
شرکت Sciaky نوعی فناوری به نام EBAM را تجاری کرده است. آنها پنج دستگاه و همچنین امکان تولید دستگاه سفارشی را ارائه می دهند.
سازندۀ دیگر Evobeam GmbH است.
در نهایت، تولیدکنندگان پرینترهای سه بعدی DED مبتنی بر قوس پلاسما عبارتند از:
Norsk Titanium، WAAM GEFERTEC، Prodways و Lincoln Electric.
امیدواریم از خواندن این مقاله، اطلاعات مفیدی درباره روشهای نوین چاپ سه بعدی متریال فلز کسب کرده باشد. لطفا نظرات و اطلاعات تکمیلی درباره پرینت DED یا فناوریهای مشابه را به اسم خودتان در بخش کامنتیگ پایین صفحه مطرح کنید.
