مسحوق الطباعة ثلاثية الأبعاد: ما هو وكيف يتم استخدامه؟

تم ذكر الطباعة ثلاثية الأبعاد، وهو اسم تجاري أكثر للتصنيع الإضافي (AM)، لأول مرة من قبل موراي لينستر في الأربعينيات. على الرغم من أن الطباعة ثلاثية الأبعاد تمثل أقل من 1% من سوق التصنيع العالمي، إلا أن مزاياها مقارنة بالتصنيع التقليدي تجعل سوق الطباعة ثلاثية الأبعاد يتضاعف حجمه تقريبًا كل 3 سنوات. من المتوقع أن ينمو سوق الطباعة ثلاثية الأبعاد العالمي بنسبة 20.8% سنويًا من 2022 إلى 2030 [1]. ومن خلال تطبيقها الواسع في مجالات الرعاية الصحية والسيارات والفضاء والطيران والدفاع وغيرها، فإن الطباعة ثلاثية الأبعاد هي بلا منازع واحدة من أكثر طرق التصنيع شعبية في المستقبل.

تنقسم الطباعة ثلاثية الأبعاد إلى 7 أقسام: البلمرة الضوئية في الحوض، ونفث المواد، وبثق المواد، ونفث المواد، ونفث المواد، ونفث المواد، ودمج طبقة المسحوق، وتصفيح الصفائح، والترسيب بالطاقة الموجهة. تستخدم الأقسام الأربعة الأخيرة جميعها مسحوق الطباعة ثلاثية الأبعاد كمادة وسيطة.

ما هو مسحوق الطباعة ثلاثية الأبعاد؟

يشير مسحوق الطباعة ثلاثية الأبعاد إلى المسحوق المستخدم في الطباعة ثلاثية الأبعاد. عادة ما تكون مصنوعة من المعدن أو السبائك أو السيراميك أو البوليمر.

يمكن تقسيم مسحوق الطباعة ثلاثية الأبعاد إلى مجموعتين حسب الشكل: كروي وغير منتظم. يُظهر مسحوق الطباعة ثلاثي الأبعاد الكروي قابلية تدفق أفضل. وبعبارة أخرى، يمكن أن ينتشر مسحوق الطباعة ثلاثي الأبعاد الكروي بشكل متساوٍ أكثر ويصنع طبقات متجانسة لصنع مكونات أقوى. ولكن في الوقت نفسه، يعد مسحوق الطباعة ثلاثي الأبعاد الكروي أكثر تكلفة من المسحوق غير المنتظم.

كيف يتم إنتاج مسحوق الطباعة ثلاثية الأبعاد؟

تصنع معظم التجارب مسحوق الطباعة ثلاثية الأبعاد عن طريق الانحلال، بما في ذلك الانحلال المائي والانحلال الغازي.

الانحلال المائي (WA)

يبدأ الانحلال بذوبان سبيكة/معدن المادة الأولية (أي شكل مقبول) في فرن. بعد ذلك، يتم الانتظار لبعض الوقت للتأكد من توزيع السائل المنصهر بشكل متجانس. بعد ذلك، ينقل السائل إلى بوتقة مزودة بفوهة حرارية يمكنها التحكم في معدل التدفق. افتح الفوهة ودع السائل يدخل إلى غرفة الانحلال. يتساقط السائل بحرية ثم يتم تبريده وتفتيته وتوحيده بواسطة نفاثات مياه عالية السرعة. وأخيرًا، يمكنك جمع المسحوق في قاع الحجرة. وهناك خطوة أخرى مطلوبة لاحقًا وهي تجفيف المسحوق.

عادة ما يكون المسحوق الناتج عن الانحلال المائي غير منتظم ولن يتم استخدامه في الطباعة ثلاثية الأبعاد.

الانحلال الغازي (GA)

يشبه الانحلال الغازي الانحلال الغازي الانحلال المائي باستثناء عملية الانحلال. يستخدم تدفق الغاز عالي الضغط (عادة ما يكون غاز خامل) لتفتيت المسحوق. لأن السعة الحرارية النوعية للغاز أصغر من سعة الماء. سيستغرق الأمر وقتًا أطول حتى تبرد القطرات وتتماسك. ونتيجة لذلك، سيكون المسحوق الناتج عن الانحلال الغازي أكثر كروية. ومع ذلك، يصعب التحكم في قطر المسحوق جيدًا ويتراوح من 0 إلى 500 ميكرومتر. حتى إذا استخدمنا الغاز الخامل أثناء جميع العمليات، يمكن أن يحدث تلوث عند نقل سائل الصهر من الفرن إلى البوتقة أو في خطوات أخرى.

الانحلال بغاز الصهر بالحث الكهربي بالحث الكهربائي (EIGA)

تم تطوير ترذيذ غاز الذوبان بالحث الكهربائي (EIGA) على أساس ترذيذ الغاز. وبدلاً من استخدام البوتقة لتغطية السائل المعدني المنصهر، تستخدم EIGA قضبان معدنية دوارة كمادة وسيطة يتم صهرها بواسطة حرارة الحث. يمكن أن تسقط قضبان الصهر مباشرة في غرفة الانحلال.

يمكن أن تنتج EIGA مسحوقًا في نطاق جسيمات أصغر، وتصبح تدريجيًا الطريقة الرئيسية لإنتاج مسحوق السبائك النشطة مثل Ti-6Al-4V.

الانحلال بالبلازما (PA)

تستخدم عملية الانحلال بالبلازما (PA) البلازما كمصدر للحرارة لإذابة المادة الأولية التي يجب أن تكون في شكل مسحوق أو سلك. عندما تشتعل المادة الأولية بالبلازما، يتم صهرها وتذريرها في نفس الوقت بواسطة نفاثات الغاز الخامل. الخطوات التالية هي نفس خطوات الانحلال الغازي.

يمكن أن ينتج الانحلال بالبلازما مسحوقًا أكثر كروية وأصغر حجمًا.

يوضحالجدول 1 ملخص طرق الانحلال الأربعة المذكورة أعلاه.

كيف يتم استخدام مسحوق الطباعة ثلاثية الأبعاد؟

يُستخدم مسحوق الطباعة ثلاثية الأبعاد بشكل أساسي في تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد القائمة على المسحوق مثل اندماج المسحوق السريري، والنفث الموثق. المبدأ الرئيسي لهذه التقنيات هو بناء المكونات طبقة تلو الأخرى باستخدام مسحوق الطباعة ثلاثية الأبعاد. ومن خلال هذه العملية التي تعتمد على الطبقات طبقة تلو الأخرى، يمكننا صنع منتجات أكثر تعقيدًا وتخصيصًا مقارنة بالتقنيات التقليدية.

تأخذ الأسطوانة/المُعيد الطلاء المسحوق (عادةً مسحوق كروي معدني أو بوليمر مثل مسحوق التيتانيوم الكروي) من نظام التوصيل وتنشر طبقة رقيقة متساوية على اللوحة الأساسية. ثم يقوم شعاع ليزر بدمج المسحوق بشكل انتقائي. يتم إنتاج طبقة رقيقة ثم تتحرك منصة البناء لأسفل بمسافة طبقة ويتحرك نظام التوصيل لأعلى بمسافة طبقة لمواصلة الخطوات المتكررة. وهذا ما يسمى اندماج طبقة المسحوق.

تستخدم تقنية أخرى مادة رابطة لدمج المسحوق. وهناك عمليات أخرى مشابهة جدًا لدمج طبقة المسحوق. وهذا ما يسمى النفث الموثق.

المسحوق هو المادة الأولية التي تنتشر على الصفيحة لتشكيل طبقة رقيقة. من أجل الحصول على مكونات أكثر صلابة وتفصيلاً، فإن معلمات المسحوق مهمة حقًا. لا يمكن للمسحوق غير المنتظم أن يشكل طبقات متجانسة وعالية الكثافة (أقل مسامية)، وسيؤدي ذلك إلى مكونات منخفضة الكثافة حتى في حالة تعطل الطباعة ثلاثية الأبعاد أثناء الطباعة. يعمل المسحوق الكروي بشكل أفضل ولكنه يكلف أكثر أيضًا. يمكن أن يشكل المسحوق ذو الجسيمات الأصغر حجمًا طبقة أرق، أي مع استهلاك المزيد من المسحوق لنفس الطبقة السميكة. تكون الطبقة أدق وأكثر حساسية من تلك التي ينتجها مسحوق الجسيمات الأكبر. كن حذرًا أثناء استخدام المسحوق الأصغر من 20 ميكرومتر، والذي يمكن أن يتكتل بسهولة ويشكل طبقة غير موحدة. التقنيات الخاصة مطلوبة لهذا النوع من المسحوق.

لمزيد من المعلومات، يرجى زيارة الصفحة الرئيسية Stanford Advanced Materials.

المراجع

1. تقرير حجم وحصة سوق الطباعة ثلاثية الأبعاد، 2022-2030. (n.d.). تم الاسترجاع في 7 ديسمبر 2022، من https ://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/3d-printing-industry-analysis