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 WAAM

 Wire arc additive manufacturing یک روش پرینت سه بعدی است که سال ها در صنایع سنگین و هوا فضا استفاده می شود. در دهه هفتاد میلادی، این روش shape welding نامیده می شد، اما از آن زمان تا کنون تغییرات زیادی داشته است. به طوری که امروزه با به کار بردن این روش در تولید، صنایع سنگین، صنایع دفاعی و هوافضا می توان قطعات بزرگ فلزی را با زمان و هزینه کمتری نسبت به آهنگری، ریخته گری یا ماشین کاری سنتی تولید کرد.

در این روش از یک سیم فلزی به عنوان مواد اولیه و از قوس الکتریکی به عنوان منبع انرژی استفاده می شود، که بسیار شبیه به جوشکاری است. قوس الکتریکی، سیم فلزی را ذوب می کند و توسط یک بازوی رباتیک به صورت لایه ای بر روی لایه ای دیگر مواد را روی سطحی، مانند میز گردان چند محوره، رسوب گذاری می کند. درست همانند جوشکاری، یک گاز بی اثر برای جلوگیری از اکسیداسیون و بهبود یا کنترل خواص فلز استفاده می شود.

این فرآیند به تدریج قطعه ای کامل تولید می کند و یا قطعه ای را تعمیر می کند. در این روش هیچ گونه ساختار ساپورت، برای حذف وجود ندارد. بعد از اتمام فرآیند، قطعه پرینت سه بعدی را می توان توسط CNC پرداخت کرد که در این صورت قطعه دقت بالایی خواهد داشت یا در صورت لزوم می توان سطح قطعه پرینت سه بعدی را جلا داد. به طور معمول، قطعات چاپ شده برای از بین بردن هرگونه تنش باقیمانده، عملیات حرارتی دریافت می کنند.

WAAN بر اساس روش های ثابت شده و شناخته شده و نتایج مواد جوشکاری است. اگرچه WAAM در طول فرآیند، از نرم افزارهای پیچیده برای کنترل فهرست متغیر های خود استفاده می کند اما آشنایی با روش کلی این فرآیند، شرکت های بیشتری را به این تکنولوژی جذب می کند.

ممکن است که WAAN  به نام های دیگری نیز شناخته شود زیرا که شرکت ها تلاش می کنند که تکنولوژی خود را پر قدرت تر و متفاوت تر از رقیبان خود نشان دهند. با این وجود روش هایی که به جای قوس الکتریکی از لیزر یا پرتو الکترونی به همراه سیم فلزی استفاده می کنند در دسته بندی دیگری قرار می گیرند که به آن پرینتر سه بعدی directed energy deposition (DED) می گویند.

WAAN مقرون به صرفه ترین روش بین تکنولوژی های DED در نظر گرفته می شود. زیرا می تواند از ربات های جوش قوسی و منابع انرژی موجود و علاوه بر آن از مواد جوشکاری در دسترس استفاده کند، بنابراین امکان منع ورود WAAM به صنعت تقریبا پایین است. تکنولوژی قوس الکتریکی WAAN ،که شامل قوس پلاسما نیز می شود، در مقایسه با پرتو الکترونی و لیزر در سایر انواع پرینتر های DED ارزان تر و ایمن تر است. همچنین به محفظه خلأ نیز نیاز ندارد.

شاخص ترین ویژگی تکنولوژی WAAM برای فروش، پرینت سریع و اقتصادی اجسام بزرگ فلزی است. اما این تکنولوژی جذابیت های دیگر نیز دارد که در ادامه به برخی از این ویژگی ها اشاره می کنیم.

• WAAM می تواند هر فلز قابل جوشکاری را پرینت کند.
• WAAM حجم و سرعت بالایی دارد (به سرعت قطعات را پرینت می کند).
• WAAM به شدت مصرف مواد خام و اتلاف آن را کاهش می دهد.
• WAAM توانایی ساختن قطعات بسیار بزرگ را دارد.
• WAAM از تکنولوژی جوشکاری استفاده می کند.
• WAAM امکان طراحی هندسه های پیچیده را فراهم می کند.
• WAAM بر اساس قوس جوشکاری است بنابراین رفتار مواد و فرآیند شناخته شده است.

پرینت سه بعدی و فضا

یک شرکت آمریکایی( Launcher ) با کمک تکنولوژی پرینت سه بعدی شروع به ارتقای قطعات موتور جت E-2 خود کرده.

موتور E-2 برای تولید 22000 پوند نیروی رانش در سطح دریا با استفاده از RP-1، شکل بسیار تصفیه شده نفت سفید، و اکسیژن مایع به عنوان پیش رانش طراحی شده است. این موتور به وسیله نقلیه لانچر لایت این شرکت نیرو می‌دهد، که می‌تواند با اولین پرتابش که برای سال 2024 برنامه ریزی شده است، محموله‌هایی تا 330 پوند را به مدار پایین زمین ( LEO ) برساند. که طبق گزارشات، بزرگ‌ترین قسمت از نوع خود با ارتفاع 860 میلی‌متر بوده و به صورت سه بعدی در یک قطعه چاپ شده است.

به گفته لانچر، این محفظه بیشترین نیروی رانش را تولید می کند، کمترین مصرف پیشران را دارد و هزینه کمتری به ازای هر پوند رانش را در کلاس پرتابگرهای ماهواره کوچک ارائه می دهد. موتورهای E-2 لانچر از آلیاژ مس با کارایی بالا پرینت سه بعدی می شوند و به گونه ای طراحی شده اند که برای رسیدن به مدار به پیشرانه کمتری نیاز دارند.

پرینتر سه بعدی

پرینتر سه بعدی دستگاهی حاصل از تخیلات بی حد و مرز بشر است که جهت کاهش هزینه و زمان ساخت و نمونه اولیه قطعات ، به عنوان بهترین و سریعترین انتخاب محسوب می شود .

پرینتر های سه بعدی جهت قابل لمس  کردن و واقعی کردن طرح ها و ایده های شما بهترین گزینه هستند.

پرینتر سه بعدی برای طراحی صنعتی ، طراحی نمونه قطعات خودرو، هوا فضا، تجهیزات کمیاب و خاص، مهندسان مکانیک، الکترونیک، مکاترونیک، معماری و...  مورد استفاده قرار می گیرد .

قطعات تولید شده توسط پرینتر سه بعدی دقیق، سریع، ارزان و محکم هستند که در موارد زیر کاربرد دارند :

1. ساخت انواع قطعات بدون طی کردن فرآیند های پیچیده ساخت و تولید.

2. بررسی ایده و طراحی انجام شده بر اساس مدل واقعی پرینت شده.

3. ساخت قالب رزینی یا تزریق پلاستیک برای قطعه مورد نظر.

4. صنعت ریخته گری، صنعت هوا فضا، صنایع نظامی .

5. معماری و ماکت سازی، ساخت بدنه سیستم های الکترونیکی و رباتیک، پزشکی جهت ساخت پروتز 

6. مجسمه سازی و نمونه کارهای هنری ، تزئینی و...

مزیت پرینت سه بعدی نسبت به فرایندهای ساخت سنتی
اساسی ترین ویژگی متمایز کننده پرینت سه بعدی از فرایندهای ساخت سنتی این است که پرینت سه بعدی یک فرایند ساخت افزایشی است .

پرینت سه بعدی یک روش ساخت کاملاً متفاوت بر اساس فناوری پیشرفته است که قطعات را به صورت افزایشی ( لایه گذاری متوالی ) تولید می کند.
در تولید سنتی محدودیت‌هایی وجود دارد. برای مثال، در قالب گیری و ریخته گری نیاز به طراحی و ساخت قالب می باشد.
فرایند CNC یک فرآیند تولید کاهشی می باشد. بنابراین محدودیت هایی دارد به طور مثال اگر قطعه ما یک حجم توخالی باشد و داخل قطعه دارای جزئیات باشد، CNC قادر به ساخت چنین قطعه ای نیست ولی با پرینتر سه بعدی به راحتی می‌توان چنین قطعه ای را ساخت. می توان گفت پرینتر سه بعدی انقلابی در طراحی و ساخت ایجاد کرده است.

پرینت سه بعدی یک فناوری توانمند است که توسط آن بدون ابزار و با کاهش هزینه ها می توان قطعات پیچیده را ساخت.

پرینتر سه بعدی فوتومسک ( MSLA ) Masked StereoLithography

MSLA از آرایه LED به عنوان منبع نور خود استفاده می کند، نور UV را از طریق یک نمایشگر LCD می تاباند و یک تکه لایه را به عنوان ماسک نمایش می دهد. به همین دلیل به این نام شناخته می شود. 

همانند DLP، فوتومسک LCD به صورت دیجیتالی نمایش داده می شود و از پیکسل های مربعی تشکیل شده است. سایز پیکسل های فوتومسک LCD کیفیت پرینت را تعیین می کند. بدین گونه که دقت محورهای X و Y ثابت شده است و بر خلاف DLP، به چگونگی زوم یا تنظیم لنز بستگی ندارد.

از دیگر تفاوت های بین تکنولوژی MSLA و پرینتر DLP می توان به استفاده MSLA از صدها ساطع کننده نور منفرد به جای منبع ساطع کننده نور تک نقطه ای مانند دیود لیزری یا لامپ DLP اشاره کرد.

MSLA تحت شرایط خاص می تواند در مقایسه با SLA به زمان پرینت کمتری دست یابد. زیرا تمام یک لایه به جای ترسیم مقطعی سطح با نقطه لیزر به صورت یکباره نمایش داده می شود.

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 بعدیDigital Light Processing ( DLP )

پرینتر سه بعدی DLP تقریبا شبیه پرینتر سه بعدی SLA است با این تفاوت که DLP از پروژکتورهای دیجیتال نوری استفاده می کند تا یک عکس از هر لایه را به یکباره منعکس کند (یا برای قطعه های بزرگ به صورت چندگانه ).

پروژکتور یک صفحه دیجیتالی است به همین دلیل، تصویر هر لایه از نقطه های مربعی تشکیل شده است، در نتیجه یک لایه از بلوک های کوچک مستطیلی که  voxel نامیده می شوند، شکل گرفته است.

نور، با استفاده از صفحه های دیودی ساطع کننده نور ( LED ) یا یک منبع نور UV، که هدایت شده برای ساخت یک سطح توسط دستگاه میکرو آینه دیجیتال ( DMD )، بر رزین ساطع می شود.

یک DMD آرایه ای از میکرو آینه ها است که مکان ساطع شدن نور و تولید یک الگوی نوری بر روی سطح ساخته شده را کنترل می کند. تعداد این میکروآینه ها بر کیفیت قطعه ساخته شده تأثیر گذار خواهد بود.

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.