همجوشی سرد فلزات روشی است نوین به نام cold metal fusion که قطعات فلزی را با هزینه‌‌ی کمتری تولید می‌کند و با استفاده از چاپگر SLS مراحل پرینت سه بعدی پیش می‌رود. پرینت پودرهای فلزی برای اولین بار توسط شرکت Headmade در آلمان به دنیای صنعت معرفی شد. در این نوع چاپ ذرات پودر فلز با لایه‌ای بسیار نازک از پلیمر پوشانده شده‌اند و سپس با استفاده از چاپ SLS قطعات تولید شده به یکدیگر متصل می‌شوند.
فناوری CMF چیست و چه کاربردهایی دارد؟
همانند تمام چاپ‌های سه بعدی، مراحل شروع این نوع چاپ هم با طراحی در نرم‌افزارهای مربوط شروع می‌شود. نکته‌ی قابل توجه در هنگام طراحی این قطعات این است که در این نوع پرینت سه بعدی، در طول انجام عملیات چاپ امکان کوچک‌تر شدن قطعات وجود دارد. فرآیند پرینت سه بعدی فلزات با استفاده از دستگاه‌های SLS همجوشی فلز سرد نام دارد این روش بسیار شبیه به قالب تزریق فلزی است که با سرعت بالایی انجام می‌شود و با چاپ سه بعدی آمیخته شده است. مواد پودر فلزی با پوشش پلیمری بسیار نازک در طول مرحله‌ی پخت با حرارت ثانویه به یکدیگر متصل می‌شوند. وجود لایه‌ی پلیمری از اکسید شدن فلزات جلوگیری کرده و مانند یک عایق عمل می‌کند. مهمترین بخش فناوری cmf ترکیبات شیمیایی ماده‌ی اولیه‌ی آن است. برای این نوع چاپ از موادی مانند: فولاد ضدزنگ 316L، فولاد ضدزنگ 17-4PH، فولاد ابزار M2، تیتانیوم Ti6Al4V، تیتانیوم CP-Ti (درجه 1) و تنگستن استفاده می‌شود. از صنایعی که بیشترین بهره را از این فناوری می‌برند می‌توان به خودرو سازی، هوا فضا، تولید تجهیزات پزشکی و برخی از تولیدکنندگان کالاهای مصرفی اشاره کرد.
بررسی مفهوم همجوشی سرد فلز در چاپ سه‌بعدی
این روش مشابه روش قالب گیری تزریقی فلز است، فناوری همجوشی فلزات سرد یک روش ساخت پرینتر سه بعدی پیشرفته است که امکان ساخت قطعات فلزی را با کیفیت بالا در مدت زمان کوتاه فراهم می‌کند. در مقایسه با روش‌های سنتی تولید فلز این روش می‌تواند تولید ضایعات را کاهش دهد. در این فرآیند فلز ذوب نمی‌شود زیرا از دمای زیر 80 درجه استفاده می‌شود که به نقطه ذوب فلز نمی‌رسد. ذرات فلزی که ماده‌ی اولیه‌ی این روند هستند با لایه نازکی از پلیمر پوشانده شده‌اند که در طی فرایند چاپ سه بعدی SLS به یکدیگر متصل می‌گردند.
فناوری چاپگر سه‌بعدی پلیمری SLS و نحوه عملکرد آن
فناوری پرینت سه بعدی SLS که معادل selective laser sintering است، با استفاده از لیزر و ایجاد تغییر در ماهیت ساختارلایه‌های ذرات پودری و تبدیل آنها به مایع و سپس جامد، قطعه جدید ساخته می‌شود. این نوع پرینترها دارای دو سینی به نام پیستون می‌باشند. هنگام شروع پروسه‌ی پرینت، یک لیزر اولین لایه قطعه را روی پودر می‌اندازد.این عمل موجب ذوب شدن پودر می‌شود. پس از اینکه این لایه به حالت جامد برگشت، سینی ساخت به سمت پایین حرکت کرده و سینی دیگر که حامل پودر است نیز به بالا حرکت می‌کند و لایه جدیدی روی قطعه قرار می‌گیرد. با تکرار شدن این روند و قرارگیری لایه‌ها بر روی یکدیگر قطعه‌ی نهایی شکل می‌گیرد.
چاپگرهای سه‌بعدی SLS پلیمری چگونه کار می‌کنند؟
روش کار پرینتر SLS به این صورت است:
1- ابتدا مخزن پودر دستگاه و محفظه ساخت تا نزدیکی دمای ذوب گرم می‌شوند، سپس یک لایه پودر روی صفحه ساخت پخش می‌شود.
2- در مرحله بعد نوعی لیزر co2 روی سطح مقطع مدل در لایه اول حرکت می‌کند و با انتخاب کردن نواحی مورد نظر ذوب صورت گرفته و لایه‌ی اول ایجاد می‌شود و ذرات پودر در نهایت به یکدیگر متصل می‌شوند.
3- پس از اتمام مرحله قبل و شکل‌گیری کامل لایه، صفحه ساخت پایین‌تر رفته و لایه بعدی با پخش مجدد پودر و تکرار شدن مراحل پیشین ایجاد شده و این مراحل تا شکل‌گیری قطعه نهایی تکرار می‌شود.
4- پس از تکمیل پرینت سه بعدی، قطعات در پودر به صورت دفن‌شده هستند. این مرحله نیازمند زمان است تا مخزن پودر به صورت تدریجی خنک شود.
5- در نهایت قطعات تولیدشده با فشار هوا یا دیگر ابزار پودرزدایی شده و ادامه عملیات ساخت و پرداخت بر روی آنها انجام می‌شود.
مزایای استفاده از فناوری SLS پلیمری در تولید قطعات فلزی
استفاده از فناوری SLS پلیمری در تولید قطعات فلزی مزایای زیادی دارد که می‌تواند تأثیر زیادی در بهبود کیفیت و کاهش هزینه‌ها داشته باشد و باعث ارتقاء دقت قطعات تولیدی می‌شود و امکان ایجاد طراحی‌های پیچیده‌تر و سفارشی را فراهم می‌کند.
در اینجا به چند مورد از این مزایا اشاره می‌کنیم:
1. کاهش هزینه‌های تولید
2. طراحی پیچیده و هندسه آزاد.
3. افزایش سرعت تولید
4. کاهش ضایعات مواد اولیه
5. امکان تولید قطعات سفارشی و پروتوتایپ‌ها
6. دقت و کیفیت بالا
7. پیشرفت در مهندسی مواد
8. امکان تولید سری‌های کوچک و قطعات خاص
تفاوت‌های همجوشی سرد فلز با همجوشی داغ در تولید قطعات
در صنعت تولید قطعات فلزی، فرآیندهای همجوشی سرد و همجوشی داغ به عنوان دو روش اصلی برای اتصال فلزات مورد استفاده قرار می‌گیرند. این دو روش از نظر دما، روش اتصال و ویژگی‌های تولید قطعات تفاوت‌های قابل توجهی دارند.
در همجوشی سرد، اتصال فلزات بدون نیاز به افزایش دما و به طور معمول در دماهای محیطی انجام می‌شود. این فرآیند برای فلزاتی با خواص چکش‌خواری بالا مناسب است و به دلیل عدم استفاده از حرارت، به حفظ ویژگی‌های مکانیکی مواد کمک می‌کند. همجوشی سرد بیشتر در تولید قطعات دقیق و حساس، مانند قطعات الکترونیکی و خودروها کاربرد دارد.
اما در همجوشی داغ، فرآیند اتصال فلزات در دماهای بالا انجام می‌شود، جایی که فلزات نرم شده و به یکدیگر جوش می‌خورند. این روش معمولاً برای اتصال فلزات سنگین‌تر و قطعاتی که نیاز به استحکام بالاتری دارند استفاده می‌شود. همجوشی داغ به دلیل افزایش دما، می‌تواند باعث تغییر در ساختار میکروسکوپی مواد شود، اما از نظر قدرت اتصال، بسیار مؤثر است.
در مجموع، انتخاب بین همجوشی سرد و داغ بستگی به نوع فلزات، نیازهای استحکامی و دقت مورد نیاز در تولید قطعات دارد.
کاربردهای فناوری CMF در چاپگرهای سه‌بعدی پلیمری SLS برای تولید قطعات فلزی
فناوری CMF در چاپگرهای سه‌بعدی پلیمری SLS نقش مهمی در بهبود کیفیت و طراحی قطعات فلزی ایفا می‌کند. این فناوری به طراحان امکان می‌دهد تا قطعات با رنگ‌ها، مواد و پوشش‌های متنوع تولید کنند. فیلامنت سیلیکونی در پرینتر سه‌بعدی یکی از مواد محبوب در این فرآیند است که به دلیل انعطاف‌پذیری و مقاومت بالا در برابر دما، انتخابی مناسب برای تولید قطعات فلزی با ویژگی‌های خاص است. استفاده از CMF در SLS به ایجاد قطعات پیچیده با کیفیت بالا کمک می‌کند.
ذوب سرد پودر فلزات چگونه کار می‌کند؟
این روش با بهره‌گیری از انرژی بالا و فشار مکانیکی، ذرات پودر فلزات را به هم می‌چسباند و قطعاتی یکپارچه و مقاوم ایجاد می‌کند. در این فرآیند، به دلیل عدم استفاده از دماهای بالا، ساختار فلز حفظ شده و تغییرات میکروسکوپی ایجاد نمی‌شود. ذوب سرد پودر فلزات با همجوشی سریع به تولید قطعات با استحکام بالا و خواص مکانیکی عالی کمک می‌کند.
مرحله چاپ SLS
در این مرحله، لیزر با دقت بالا پودر پلیمر یا فلز را ذوب کرده و لایه به لایه قطعه را می‌سازد. این فرآیند به طراحان امکان می‌دهد تا قطعات را بدون نیاز به قالب‌های گران‌قیمت تولید کنند.
مرحله پودرزدایی
پس از اتمام فرآیند چاپ و ساخت قطعه، پودر اضافی که در اطراف قطعه باقی مانده است، باید به‌طور کامل از سطح قطعه حذف شود. این مرحله به نام پودرزدایی شناخته می‌شود و به کمک ابزارهای خاص یا جریان هوای فشرده، پودر اضافی از بین می‌رود. پودرزدایی باعث می‌شود که قطعه نهایی تمیز، دقیق و آماده برای مراحل بعدی مانند پخت، رنگ‌آمیزی یا تکمیل شود.
مرحله قطعه خام
مرحله قطعه خام اولین مرحله در فرآیند چاپ سه‌بعدی است که در آن پودر مواد (مانند پلیمر یا فلز) به صورت یکنواخت بر روی سطح پلتفرم چاپ پخش می‌شود. در این مرحله، لیزر با دقت بالا شروع به ذوب کردن پودر در نواحی مشخص کرده و لایه به لایه قطعه را می‌سازد. قطعه تولید شده در پایان این مرحله به صورت قطعه خام در می‌آید که هنوز نیاز به پودرزدایی و تکمیل دارد.
مرحله حلال‌زدایی
در این مرحله قطعات تولیدی نیاز به حذف مواد حلال یا پشتیبانی‌کننده دارند. این مرحله به ویژه برای قطعاتی که از ترکیب مواد پلیمری یا کامپوزیت استفاده می‌کنند، ضروری است. در حلال‌زدایی، قطعه تحت فرآیند شیمیایی یا مکانیکی قرار می‌گیرد تا مواد اضافی از بین رفته و ساختار قطعه خالص شود.
مرحله زینترینگ
در این فرآیند، پس از چاپ قطعه، آن را در یک کوره قرار می‌دهند تا ذرات پودر ذوب نشده به طور جزئی ذوب شوند و به یکدیگر بچسبند
مرحله ماشین‌کاری
مرحله ماشین‌کاری به فرآیند تکمیلی گفته می‌شود که پس از چاپ و زینترینگ قطعه انجام می‌شود تا سطح قطعات تولیدی صاف‌تر و دقیق‌تر شود. در این مرحله، از ابزارهای ماشین‌کاری مانند فرز، تراش یا سنگ‌زنی برای حذف مواد اضافی و بهبود کیفیت سطح قطعه استفاده می‌شود.
مزایا و معایب چاپگرهای سه‌بعدی پلیمری SLS
| مزایا | معایب |
| دقت بالا و جزئیات دقیق: چاپگرهای SLS قادرند قطعات پیچیده با دقت بالا و جزئیات ریز تولید کنند. | هزینه بالا: تجهیزات و مواد اولیه برای چاپگرهای سه‌بعدی SLS معمولاً هزینه‌بر هستند. |
| امکان تولید قطعات پیچیده: با استفاده از فناوری SLS می‌توان قطعات با هندسه‌های پیچیده و ساختارهای داخلی تولید کرد که در روش‌های سنتی غیرممکن است | نیاز به پردازش تکمیلی: پس از چاپ، ممکن است قطعات نیاز به مراحل تکمیلی مانند پودرزدایی یا ماشین‌کاری داشته باشند. |
| بدون نیاز به قالب: در چاپگرهای سه‌بعدی SLS، نیازی به ساخت قالب‌های پیچیده برای تولید قطعات نیست، که زمان و هزینه تولید را کاهش می‌دهد | مواد محدود: اگرچه طیف وسیعی از مواد پلیمری و فلزی در دسترس است، اما محدودیت‌هایی در انتخاب مواد نسبت به سایر فناوری‌ها وجود دارد. |
| کاهش ضایعات مواد: در این فرآیند، فقط مقدار مورد نیاز پودر مصرف می‌شود و مواد اضافی قابل استفاده مجدد هستند | سرعت پایین تولید: فرآیند چاپ SLS نسبت به برخی دیگر از فناوری‌ها مانند FDM زمان‌برتر است. |
| استحکام بالا: قطعات تولید شده با فناوری SLS از استحکام مکانیکی بالا برخوردارند و برای کاربردهای صنعتی مناسب هستند | نیاز به مهارت تخصصی: برای استفاده بهینه از چاپگرهای سه‌بعدی SLS و تنظیمات دقیق آن، به مهارت‌های تخصصی نیاز است. |
مزایای استفاده از چاپگرهای SLS پلیمری برای همجوشی سرد فلز
فناوریSLS به تولید قطعات فلزی با دقت بالا و ویژگی‌های مکانیکی مطلوب کمک می‌کند، بدون اینکه نیازی به قالب‌سازی یا فرآیندهای پیچیده اضافی باشد. این فرآیند امکان تولید قطعات پیچیده با هندسه آزاد را فراهم می‌کند که در همجوشی سرد فلز بسیار مفید است. همچنین، چاپگرهای SLS پلیمری با کاهش ضایعات مواد و استفاده مجدد از پودر اضافی، به کاهش هزینه‌ها و افزایش کارایی کمک می‌کنند. این ویژگی‌ها باعث افزایش سرعت تولید و بهبود کیفیت قطعات فلزی در صنایع مختلف می‌شود.
محدودیت‌ها و چالش‌های استفاده از SLS پلیمری در چاپ قطعات فلزی
استفاده از SLS پلیمری برای چاپ قطعات فلزی با چالش‌هایی همراه است. یکی از محدودیت‌ها، هزینه بالای تجهیزات و مواد اولیه است که ممکن است برای کسب‌وکارهای کوچک مقرون به صرفه نباشد. همچنین، فرآیند زینترینگ در چاپ قطعات فلزی می‌تواند نیاز به زمان طولانی‌تری نسبت به فناوری‌های دیگر داشته باشد. علاوه بر این، محدودیت در انتخاب مواد فلزی و نیاز به تکمیل‌های پس از چاپ مانند پودرزدایی و ماشین‌کاری، می‌تواند زمان و هزینه اضافی به فرآیند تولید اضافه کند. این چالش‌ها می‌توانند برای تولید قطعات بزرگ یا کاربردهای خاص مشکل‌ساز شوند.
مقایسه پرینت فلزی CMF با چاپ فلزی بایندرجتینگ و LPBF (SLM)
در پرینت فلزی CMF، امکان کنترل دقیق رنگ، ماده و سطح قطعات وجود دارد که این ویژگی برای تولید قطعات پیچیده و زیبا اهمیت دارد. در مقابل، چاپ بایندرجتینگ و LPBF (SLM) بیشتر بر روی تولید قطعات فلزی با استحکام بالا و دقت مکانیکی تمرکز دارند
پرینترهای سه بعدی سازگار با فناوری CMF (ذوب سرد پودر فلز)
از پرینترهای سازگار با این فناوری به پرینترهای SLS (Selective Laser Sintering)،
پرینترهای BJT (Binder Jetting) ، پرینترهای DMLS (Direct Metal Laser Sintering)و پرینترهای EBM (Electron Beam Melting) می‌توان اشاره کرد.
استفاده از پرینترهای چاپ سه‌بعدی CMF به تحولی چشمگیر در تولید قطعات پیچیده و سفارشی منجر شده است. این فناوری به طراحان امکان می‌دهد تا قطعات با ظرافت و کیفیت دقیق‌تری تولید کنند. در مقایسه با روش‌های سنتی، چاپ سه‌بعدی CMF سرعت تولید را افزایش می‌دهد و هزینه‌ها را کاهش می‌دهد، در حالی که طراحی‌های پیچیده‌تر و شخصی‌سازی‌شده را امکان‌پذیر می‌کند. به همین دلیل، ساخت پرینتر سه‌بعدی با قابلیت‌های CMF به طور گسترده در صنایع مختلف مانند خودروسازی، پزشکی و طراحی محصول مورد استفاده قرار می‌گیرد.