Cold spray 3D Printing

فرایند cold spray، که به آن رسوب ذرات مافوق صوت نیز گفته می شود، یک پوشش حالت جامد با انرژی بالا و فرآیند تثبیت پودر است. یک روش کارآمد برای استفاده از فلز، آلیاژهای فلز و ترکیبات آن در کاربردهای مختلف است.

پرینت سه بعدی کلد اسپری از یک گاز حاملِ تحت فشار گرم شده به صورت الکتریکی مانند نیتروژن و هلیوم استفاده می کند، تا فلزهای پودری را در طول یک نازل مافوق صوت de Laval، بالاتر از سرعت بحرانی شتاب دهد. هنگام برخورد ذرات فلز با سطح قطعه، به دلیل انرژی جنبشی بالا که باعث تغییر شکل و چسبندگی ذرات به یکدیگر می شود، مکانیزم اتصال که ترکیبی از پیوند متالوژی و همبندی مکانیکی است را بوجود می آورد.

کلد اسپری می تواند با تولید مخلوطی از مواد فلزی و غیرفلزی یک پوشش سطحی یا یک قطعه مستقل را ایجاد کند، به همین دلیل از این تکنولوژی در صعنت برای پوشش دهی و ساخت قطعات بزرگ استفاده می شود.

برای مثال یک شرکت آلمانی با همکاری شرکت بریتانیایی پروژه ای برای آزمایش کاربرد cold spray در صنعت ساخت موتور جت های تجاری راه اندازی کرده اند.

موتورهای موشک تجاری جدید به فرآیندهای سریع و کم هزینه AM ( Additive Manufacturing ) نیاز دارند که انعطاف کافی برای واکنش به تقاضای در حال تغییر پرتاب ها را فراهم کند. در چند سال گذشته، به دلیل آزادی طراحی و رواج آن در بازار، توجه قابل توجهی به پودر بستر فیوژن ( PBF ) شده است. با این حال، تکنیک‌های PBF می‌تواند چالش‌هایی را برای تولید محفظه احتراق ایجاد کند، مانند ابعاد محفظه ساخت محدود، مواد محدود و در نتیجه زبری سطح بالا ( به ویژه در دیواره‌های کانال خنک‌کننده ) که می‌تواند راندمان را به میزان قابل توجهی کاهش دهد.

فرآیند cold spray  توانایی غلبه بر این محدودیت ها را دارد و راه حلی بالقوه برای تولید محفظه های احتراق با خواص برتر بدون محدودیت اندازه محفظه ارائه می دهد. برای امتحان این موضوع، یک محفظه احتراق به همراه منیفولد ورودی مطابق با دستورالعمل های خاص طراحی شده که جنس لایه داخلی آلیاژی از مس با استحکام بالا است و جنس پوشش بیرونی از اینکونل ( Inconel ) .

نمونه آزمایشی نشان می دهد که فرایند پرینت سه بعدی کلد اسپری موثر تر از دیگر فرآیندها شناسایی شده است. مزایای این روش در مقایسه با دیگر روش ها به شرح زیر است:

1. بدون نیاز به محفظه محافظ
2. تکنیک اتصال ساده مواد غیر مشابه مانند آلیاژها
3. تنش حرارتی ناچیز
4. رفع مشکل زبری کانال خنک کننده
5. امکان بررسی مجدد در طول پروسه تولید
6. قابلیت تعمیر نمونه های اولیه
7. امکان اتصال قطعات اضافی بدون جوشکاری ( مانند سر انژکتور، پایه های محرک )

با به کارگیری تکنولوژی پرینت سه بعدی کلد اسپری می توان بر بسیاری از محدودیت ها در صنعت غلبه کرد و قطعاتی دقیق تر و کارآمد تر ساخت.

پرینت سه بعدی تیتانیوم

تیتانیوم مستحکم تر اما سبک تر از فلزهای دیگر است. کار با تیتانیوم کمی پیچیده است اما برای پرینت سه بعدی بسیار مناسب است.

تیتانیوم رایج ترین فلز مورد استفاده در صنعت ساخت افزایشی است. تیتانیوم به صورت گسترده در هوافضا، جایگزینی مفاصل و ابزار جراحی، ماشین های مسابقه و بدنه دوچرخه، الکترونیک و دیگر محصولات کارآمد کاربرد دارد. تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم استحکام مکانیکی بالا، نسبت استحکام به وزن بالا و مقاومت در برابر خوردگی بالاتر از استیل ضد زنگ دارند. این موجب می شود که راکت ها و هواپیماها سبکتر شده و سوخت کمتری مصرف کنند و توانایی بازده آن ها افزایش یابد.

در صنایع هوافضا چندین  قطعه تولید شده با ساخت افزودنی بر پایه تیتانیوم که توسط FAA آمریکا تأیید شده اند، مورد استفاده تجاری و نظامی هستند و همچنین قطعات جدیدی در انتظار أخذ گواهی نامه هستند. تیتانیوم پرینت سه بعدی به علت نسبت پایین خرید به وزن خود در هوافضا بسیار ارزشمند است. نسبت خرید به وزن یک اصطلاح هوافضا است که به ارتباط بین وزن ماده اولیه و وزن قطعه چاپ شده اشاره دارد.

در صعنت دارویی، پرینت سه بعدی ایمپلنت های تیتانیوم مثل ستون فقرات، لگن، زانو و سایر اندام‌ها به دلیل زیست سازگاری ذاتی فلز و خواص مکانیکی خوب همراه با توانایی پرینت سه‌بعدی در ایجاد ساختارهای متخلخل که امکان یکپارچه‌سازی استخوان و سفارشی‌سازی انبوه را برای بیمار بهتر فراهم می‌کند، موفقیت‌آمیز بوده است. ایمپلنت‌های تیتانیوم پرینت سه‌بعدی هم در تأییدیه‌های نظارتی و هم از نظر تقاضا در حال افزایش هستند. از آنجایی که بیشتر ایمپلنت های پزشکی به صورت گسترده برای افرادی که بیماری یکسانی دارند به صورت مشابه تولید می شود، اما باید ذکر شود که این ایمپلنت ها برای تمام افراد ایده آل نیستند. افرادی که از شرایط نادر رنج می برند اغلب نادیده گرفته می شوند. در حال حاضر، با پرینت سه بعدی، امکان تولید ایمپلنت هایی که به طور انحصاری برای بیماران خاص طراحی شده اند، وجود دارد.

برای پرینت سه بعدی تیتانیوم و آلیاژهای آن چندین تکنولوژی پرینت سه بعدی وجود دارد اما فرآیند هم جوشی بر بستر پودر ( همجوشی بر بستر لیزر پودر، همجوشی بر بستر پرتو الکترونی پودر) و استفاده از پودر تیتانیوم بیشتر مورد استفاده قرار میگرد.

همجوشی بستر پودر لیزری (LPBF) یک فناوری تولیدی مبتنی بر رسوب مواد است که با ذوب موضعی یک ماده توسط لیزر پرقدرت شروع می شود. LPBF با افزودن یک لایه مواد روی لایه قبلی، قطعه ای را تولید می کند. این فرآیندی است که در آن مواد و قطعه هر دو به طور همزمان ایجاد می شوند. بر اساس خواص آلیاژ مبتنی بر تیتانیوم برای پردازش، پارامترهای پروسه LPBF باید برای کنترل تخلخل، ریزساختار و خواص مواد نهایی بهینه و تنظیم شوند. همجوشی بستر پودر پرتو الکترونی فرآیندی مشابه است اما از پرتو الکترونی به جای لیزر استفاده می شود. به گفته AMPower، دمای بالای فرآیند پرتو الکترونی منجر به خنک‌ شدن آهسته‌تر  هرلایه می شود.

در فرآیندهای همجوشی بستر پودری، پرینترهای سه بعدی فلزی از یک بستر پودر فلزی شروع به کار می کنند که به صورت انتخابی اسکن می شود. تمام اطلاعات هندسی از یک مدل CAD که قبلاً در نرم افزار مدلسازی سه بعدی تعریف شده بود به سیستم چاپ داده می شود. مواد پودری عمدتاً با ویژگی هایی مانند مورفولوژی ذرات (نامنظم یا کروی) و توزیع اندازه ذرات مشخص می شوند. مورفولوژی کروی مطلوب تر است زیرا پس از ادامه فرآیند چاپ، امکان جریان پذیری خوب پودر فراهم می شود. فرآیندی که از آن پودر ایجاد می شود ویژگی های نهایی آن را تعیین می کند. پودرهای فلزی را می توان با اتمیزه کردن گاز، اتمیزه کردن چرخشی، فرآیند الکترود دوار پلاسما و اتمیزه کردن آب تولید کرد. نکته اصلی این است که پودر با کیفیت، قطعات با کیفیت تولید می کند. سایر روش‌های تولید افزودنی مناسب برای تیتانیوم شامل رسوب مستقیم انرژی (DED)، رسوب سریع پلاسما (RPD) و جت بایندر است.

پرینت سه بعدی مس

مس یکی از جدید ترین و امیدوار کننده ترین حوزه های پرینت سه بعدی فلز برای همه چیز از موتورهای الکتریکی گرفته تا سینک های حرارتی است. پیش از این پرینت سه بعدی مس به دلیل بازتاب پذیری و رسانایی حرارتی بالا، چالش برانگیز بوده. اما پیشرفت های پرینترها و متریال سه بعدی تا حد زیادی با این چالش ها رو به رو شده است. امروزه پیشرانه های مسی پرینت سه بعدی راکت ها را به فضا می فرستند، سینک های حرارتی را خنک نگاه میدارند و کویل های مسی را برای عملکر بهتر موتور الکتریکی پرینت سه بعدی می کنند.

مس به دلیل توانایی بالا در انتقال گرما و الکتریسته، مقاومت در برابر خوردگی و حتی کشتن باکتری ها و ویروس ها، همیشه یک فلز بسیار مفید بوده است. امروزه تقاضا برای قطعات با هندسه پیچیده افزایش یافته ، زیرا پرینت سه بعدی کاربرد های بیشتری را برای این فلز ارائه می دهد. پرینت سه بعدی قطعات فلزی را دقیق و با جزئیات بیشتر تولید می کند که این باعث کاهش وزن، افزایش کارایی و کاهش زمان ساخت و مونتاژ می شود، زیرا یک مجموعه چند قسمتی را می توان به صورت یک واحد تولید کرد.

پرینتر سه بعدی همچنین باعث کاهش ضایعات این فلز می شود و تولید قطعات را با این فلز گران قیمت کارآمدتر می کند. در این صورت هزنیه ها به صورت چشمگیری کاهش می یابند.

تمام پرینتر های سه بعدی قابلیت پرینت مس را ندارند اما هنوز هم تنوع زیادی در فناوری و قیمت پرینتر ها برای پرینت مس وجود دارد.

بسته به کاربرد های مختلف می توان از پرینتر های متفاوت استفاده کرد برای مثال شما می توانید با فیلامنت های پلاستیکی که پودر مس به آن ها افزوده شده است به وسیله پرینتر سه بعدی FDM جواهرات مسی، اقلام دکوری و قطعات دیگری با ظاهر مسی تولید کنید. اما برای تولیدات پیشرفته تر می توان از پرینتر هایی که از پودر مسی و یا دوغاب مس و پلیمر برای پرینت سه بعدی قطعات صنعتی با خواص مکانیکی بالا و رسانایی عالی استفاده کرد که می توانند استانداردهای بین‌المللی مانند IACS (استاندارد بین‌المللی مس آنیل شده) را برآورده کنند.

پرینتر سه بعدی همجوشی بر بستر پودر یکی از رایج ترین روش های پرینت فلزات، مس را نیز به متریال پرینت سه بعدی خود اضافه کرده است. به دلیل بازتاب پذیر بودن مس امکان استفاده از لیزر برای این فلز امکان پذیر نیست از این رو پرینترهای سه بعدی بر بستر پودر با استفاده از لیزر سبز اقدام به ساخت قطعات مس و آلیاژهای آن کرده اند.

یکی دیگر از انواع پرینترها که برای پرینت مس استفاده می شود بایندر جت است که قطعات فلزی را بدون نیاز به ساپورت تولید می کند. این پرینتر ذرات پودر مس را با استفاده از یک مایع اتصال دهنده بدون نیاز به حرارت طبق الگوی از پیش تعیین شده به یک دیگر می چسباند.

پرینتر سه بعدی DED

 ( DED ) Directed Energy Deposition روش پرینتر سه بعدی است که از منابع انرژی متمرکز برای ذوب و ارجاع همزمان مواد به نازل استفاده می کند، به عنوان مثال انرژی پرتو لیزر، پرتو الکترون و قوس پلاسما. DED همانند سایر فرآیندهای ساخت افزودنی ( AM )، برای تعمیر یا ساخت قطعه جدید به کار می رود.

DED با توجه به منبع انرژی اسامی دیگری نیز دارد، که در زیر اشاره شده است:

1. Laser Engineered Net Shaping (LENS)
2. Direct Metal Deposition (DMD)
3. Electron Beam Additive Manufacturing (EBAM)
4. Directed Light Fabrication
5. 3D Laser Cladding

پرینتر سه بعدی DED با به کارگیری یک منبع گرما، پودر یا فیلامنت را ذوب می کند و طبق الگوی مشخص شده، مواد را روی یک سطح رسوب گذاری می کند تا لایه ها باهم جوش بخورند و ساختار مورد نظر را تشکیل دهند. پرینترهای سه بعدی  DED معمولا نازل هایی را به کار می برند که بر روی یک بازوی چند محوره نصب شده اند و می توانند در جهات مختلف امکان رسوب گذاری متغیر را فراهم کنند. این فرآیند معمولا در یک محفظه کنترل شده با کاهش سطح اکسیژن شکل می گیرد. مواقعی که منبع انرژی پرینتر پرتو الکترونی باشد، فرآیند الزاما باید در خلأ شکل گیرد. درحالی که سیستم های مبتنی بر لیزر هنگام کار با فلزات واکنش پذیر از یک محفظه کاملا بی اثر استفاده می کنند. همچنین می توان از یک گاز محافظ برای پوشاندن قطعه و جلوگیری از آلوده شدن آن در هنگام پرینت سه بعدی فلزی استفاده کرد. معمولا متریال مورد استفاده در این پرینتر سه بعدی، فلز است اگرچه در فرآیند مذکور  موادی مثل پلیمر و سرامیک نیز کاربرد دارد. در کل، هر نوع فلز قابل جوشکاری را می توان در DED  به کار برد؛ از جمله آلومینیوم، اینکونل ( Inconel )، نیوبیم ( niobium )، فولاد ضد زنگ، تانتالیوم ( tantalum ) ، تیتانیوم، آلیاژهای تیتانیوم و تنگستن.

 در این پرنیتر سه بعدی لایه ها 0.25 تا 0.5 میلیمتر ضخامت دارند و سرعت سرد شدن بسیار بالا حدود 1000 تا 5000 درجه سانتی گراد بر ثانیه است.

پرینتر سه بعدی DOD 

Drop on Demand (DOD) یکی از انواع پرینتر سه بعدی است که از یک جفت نازل، به طور هم زمان استفاده می کند. یکی از نازل ها ماده اولیه ساخت را رسوب گذاری می کند که معمولا مواد مشابه موم است. و دیگری برای مواد حل شدنی ساپورت گذاری استفاده می شود.

همانند دیگر پرینتر های سه بعدی، DOD نیز با پیروی از یک الگوی از پیش تعیین شده، لایه به لایه جسم را تولید می کند.

همچنین DOD از یک مگس برش برای صاف کردن سطح مقطع هر لایه استفاده می کند تا از کاملا صاف بودن سطح قبل از شروع لایه جدید اطمینان حاصل کند.

تکنولوژی DOD معمولا برای ساخت قالب های lost-wax casting یا investment casting و دیگر کاربردهای قالب سازی مناسب است.

پرینتر سه بعدی EBAM

( EBAM ) Electron Beam Additive Manufacturing پروسه شبیه به LENS دارد با این تفاوت که منبع انرژی آن پرتو الکترونی است که با توجه به نام آن کاملا واضح است. و هردو می توانند از منبع تغذیه مواد اولیه پودر و سیم استفاده کنند. همچنین EBAM نازل های جدا گانه برای مواد اولیه و منبع انرژی دارد.

فرآیند EBAM معمولا در خلأ انجام می گیرد این کار باعث کاهش مواد آلاینده و عدم نیاز به گازهای بی اثر می شود. پرتو الکترونی با ایجاد حوضچه مذاب و اضافه کردن مواد به جایی که دستور می گیرد، لایه ها را یکی پس از دیگری می سازد.

فلزات رایجی که در این روش استفاده می شوند عبارت اند از: آلیاژهای مس، تیتانیوم، کبالت و نیکل. تیتانیوم و تانتالیوم ( tantalum )خالص نیز استفاده می شود.

آلیاژ تیتانیوم پرمصرف ترین ماده برای استفاده از این روش پرینت سه بعدی برای ساخت قطعاتی مثل ایمپلنت های پزشکی ( به عنوان مثال تعویض مفصل ران ) است.  

پرینتر سه بعدی EBM 

( EBM ) Electron Beam Melting یکی از روش های پرینت سه بعدی بر پایه پودر است که متمایز از سایر روش ها از پرتو انرژی بالا یا الکترون برای القای ذوب بین ذرات پودر فلز استفاده می کند.

یک پرتو الکترون متمرکز شده در میان یک لایه نازک پودری می گذرد و فلز را به صورت متمرکز ذوب و پس از آن بر روی یک سطح مقطع خاص منجمد می کند، این سطوح، جسم جامد را می سازند. در این پرینتر از یک نازل برای خروج پودر و پرتوی الکترونی استفاده می شود.

تکنولوژی EBM در مقایسه با پرینتر های سه بعدی DMLS و SLM از سرعت پرینت بالاتری، به علت چگالی انرژی بالاتر برخوردار است . اما در عین حال مینیمم سایز ، سایز ذرات پودر، ضخامت لایه بزرگتر و همچنین نیاز به پرداخت سطحی بیشتر است. بنابراین نمی تواند به دقتی مشابه با دقت لیزر در پرینتر های سه بعدی مذکور دست پیدا کند .

همچنین  جنس متریال باید رسانا باشد زیرا پرتو های الکترونی بر پایه نیروی الکتریکی کار می کنند. لازم به ذکر است تمام پروسه پرینت قطعات EBM الزاما در خلأ صورت می گیرد زیرا، فلزات هنگام ذوب شدن در دمای بالا تمایل به اکسیداسیون در آنها بیشتر می شود که این موجب شکنندگی قطعه تولید شده می گردد. در حالی که پرینتر سه بعدی EMB با انجام فرآیند در خلأ با دمای بالا و محیطی بدون اکسیژن که باعث کاهش تنش درونی شده و موجب تولید قطعه ای، دارای خاصیت فنری بیشتر و منعطف تر می شود.

پرینتر سه بعدیMJ

Material Jetting ( MJ ) مانند پرینتر های سه بعدی معمولی است با این تفاوت که به جای پرینت تنها یک لایه، چندین لایه را هم زمان روی یک دیگر، برای ساخت قطعه پرینت می کند.

نازل پرینت، صدها قطره فوتوپلیمری بسیار کوچک را پرتاب می کند و آنها را توسط نور فرا بنفش سفت می کند. پس از آنکه یک لایه رسوب گذاری شد، بستر ساخت به اندازه ضخامت یک لایه پایین می رود و این پروسه تکرار می شود تا قطعه ساخته شود.

رسوب گذاری و پخت مواد در MJ متفاوت از سایر پرینتر های سه بعدی است. در این پرینتر سه بعدیبرای دیپوزیت یا پخت، به جای استفاده از یک نقطه که الگوی شکل دهنده سطح مقطع لایه ها را دنبال می کند، از رسوب گذاری نقطه ای استفاده می کند. این پرینترها مواد را به صورت سریع و خطی رسوب گذاری می کنند.

برتری رسوب گذاری خطی در پرینتر سه بعدی MJ این است که، می تواند چند قطعه را در یک خط تولید کند بدون هیچ تاثیری بر سرعت ساخت. تا زمانی که مدل ها صحیح چیده شوند و فضای درون هر خطِ ساخت بهینه شده باشد؛ پرینتر MJ سریعتر از سایر پرینتر های سه بعدی خواهد بود.

قطعات ساخته شده توسط MJ نیاز به ساپورت گذاری دارند که این ساپورت ها از مواد حل شدنی در طول پرینت همزمان با قطعه ساخته می شوند و در مرحله پرداخت حذف می شوند.

MJ تنها نوع پرینتر سه بعدی است که برای پرینت قطعاتی با چند نوع متریال و رنگ، پیشنهاد می شود.

پرینتر سه بعدی MJF

تکنولوژی Multi Jet Fusion یکی از رایج ترین پرینتر ها برای ساخت قطعاتی با دقت و دوام بالا است. این پرینت سه بعدی بر پایه پودر است اما لیزر ندارد و پروسه ای مشابه با binder jetting دارد.

در پرینتر سه بعدی مولتی جت سر پرینتر یک لایه نازک از مواد پودری را بر روی بستر چاپ می ریزد سپس نازل در سرتاسر مواد پودری حرکت کرده و دو نوع مختلف عامل مایع را روی لایه پودری رسوب گذاری می کند، عامل ذوب و عامل جزئیات. بعد از آن واحد گرمایشی( نورUV ) از سرتاسر بستر پودری عبور کرده و هرجایی که عامل ذوب اضافه شده باشد، لایه زیرین آن را ذوب کرده و به یک شکل خاص فرم می دهد. درحالی که عامل جزئیات بدون آنکه ذوب شود، مانند پودر، باقی می ماند. کاربرد عامل جزئیات، تعیین کردن درستی و دقت ابعادی قطعه در حال پرینت است. سپس قسمت های پودری ریخته می شوند و قسمت های چاپ شده با هندسه مورد نظر را به جا می گذارند. همچنین نیاز به مدل سازی ساپورت ها را از بین می برد، زیرا لایه های زیرین نقش ساپورت را برای لایه های بالایی خود ایفا می کنند.

مولتی جت با دیگ�