الدرس 8.4التشكيل الأوليالفصل 8 · التصنيع الإضافي

الصهر بالليزر لطبقة المسحوق (معدن، SLM/DMLS)

ليزر يصهر طبقات رقيقة من مسحوق المعدن (دمج طبقة المسحوق)

يصهر الصهر بالليزر لطبقة المسحوق (LPBF) مسحوق المعدن الناعم بالليزر، طبقة رقيقة تلو أخرى، لبناء قطع معدنية كثيفة بالكامل. ويسميه صانعو الآلات SLM (الصهر الانتقائي بالليزر) أو DMLS (التلبيد المباشر للمعدن بالليزر). وأهميته أنه يصنع أشكالًا معدنية لا تستطيعها أداة قطع ولا قالب، مثل أجزاء محرّكات الصواريخ بقنوات تبريد في داخلها.

الصورة: Matti Blume, CC BY-SA 4.0, عبر Wikimedia Commons

حجرة دمج طبقة مسحوق المعدن في مقطع: تدفق الأرغون، والليزر، والشفرة، والدعامات، ولوحة البناءتطابق الأرقام المحاطة بدوائر الخطوات أدناه؛ وتتكرر الخطوات من 3 إلى 5 آلاف المرات.

كيف تعمل

قطّع وأضف دعامات. يقطّع البرنامج النموذج إلى طبقات رقيقة جدًا ويضيف دعامات (سيقان معدنية رقيقة). تثبّت الدعامات الأجزاء المتدلية بلوحة البناء وتسحب الحرارة بعيدًا كي لا تلتوي القطعة.
املأ بالأرغون. تُغلَق الحجرة وتُغسَل بالأرغون أو النيتروجين، غازين خاملين يمنعان المعدن الساخن من التأكسد. ويكنس تدفق غاز ثابت الدخان والرذاذ (قطرات ساخنة صغيرة) بعيدًا عن مسار الليزر.
فرد طبقة. يرتفع مكبس التغذية، وتنشر شفرة إعادة الطلاء مسحوق المعدن فوق لوحة البناء، عادةً بسمك 0.02–0.06 مم.
اصهر الشريحة. يرسم ليزر ليفي، عادةً بقدرة 200–1,000 W، الشريحة. يصهر المسحوق في بركة مصهورة صغيرة تتجمد تقريبًا فورًا، ملتحمة بالطبقة التي تحتها.
الإنزال والتكرار. تنخفض لوحة البناء بمقدار طبقة وتتكرر الدورة، غالبًا آلاف المرات على مدى يوم أو أكثر.
أنهِ القطعة. وهي ما تزال على اللوحة، تخضع القطع لمعالجة حرارية لتخفيف الإجهاد (تسخين بطيء يريح الإجهادات المحبوسة). ثم تُقطع، وتُزال الدعامات، وتتجه كثير منها إلى HIP (الكبس المتساوي الضغط الساخن، الدرس 9.3) والتشغيل.

حقائق أساسية

المواد: سبائك التيتانيوم (Ti-6Al-4V)، والفولاذ المقاوم للصدأ وفولاذ الأدوات، والسبائك الفائقة من النيكل (Inconel)، والألومنيوم (AlSi10Mg)، والكوبالت-كروم، وسبائك النحاس
القطع النموذجية: حاقنات محرّكات الصواريخ، وأجزاء التوربينات ونظام الوقود، والغرسات الطبية، وتيجان الأسنان، وقوالب بقنوات تبريد، ومبادلات حرارية
حجم القطعة: عادةً 25–40 سم للضلع؛ وأكبر الآلات يتجاوز 1 م
الدقة: نحو ±0.1 مم كما طُبعت؛ وتُشغَّل الأوجه الحرجة لاحقًا
تشطيب السطح: مطفأ وخشن قليلًا، كورق صنفرة ناعم؛ وأخشن على الأسطح المواجهة للأسفل؛ وغالبًا تُنظَّف بالرمل أو تُصقل أو تُشغَّل
حجم الدفعة المناسب: من قطعة واحدة إلى بضعة آلاف من القطع سنويًا؛ وهو الأفضل حين تكون كل قطعة معقدة وثمينة
كلفة العدّة والآلة: بلا عُدد؛ والآلات تكلّف من عدة مئات الآلاف إلى بضعة ملايين من الدولارات
السرعة: بطيء: غالبًا تستغرق عمليات البناء من يوم إلى عدة أيام

نقاط القوة والحدود

نقاط القوة

أشكال يستحيل تشغيلها أو سبكها: قنوات داخلية، وشبكات، وأشكال عضوية
معدن كثيف بالكامل، يضاهي المعدن المسبوك أو المطروق بعد المعالجة الحرارية
دمج عدة قطع في واحدة، فيوفّر التجميع والوزن
تصاميم خفيفة من تحسين الطوبولوجيا (برنامج يزيل المادة غير اللازمة)

الحدود

آلات ومسحوق ومعالجة لاحقة باهظة جدًا
يحتاج إلى دعامات يجب قصها أو تشغيلها وإزالتها
الإجهادات الحرارية المحبوسة قد تلوي القطع أو تشققها وتفصلها عن اللوحة
بطيء، وأسطح خشنة غالبًا ما تحتاج إلى تشغيل

أين تُستخدم

الفضاءحاقنات محرّكات الصواريخ، وغرف الاحتراق، وأجزاء المضخات التوربينية
الطيرانفوهات وقود المحرّكات النفاثة، والحوامل، والمبادلات الحرارية
الطبكؤوس الورك وغرسات العمود الفقري بأسطح مسامية، وغرسات مخصصة
طب الأسنانتيجان وجسور وهياكل أطقم أسنان من الكوبالت-كروم
العدد والقوالبقوالب الحقن بتبريد مطابق للشكل (قنوات تتبع شكل القطعة)
سباقات السياراتحوامل خفيفة، وقوائم، وأجزاء عادم وهيدروليك

كيف تتعرف عليها

سطح معدني رمادي مطفأ حبيبي قليلًا، غالبًا مع خطوط طبقات باهتة.
ندوب صغيرة أو بقع خشنة على الأسطح المواجهة للأسفل حيث أُزيلت الدعامات.
قاعدة مسطحة، غالبًا مشغّلة، حيث قُطعت القطعة عن لوحة البناء.
أشكال عضوية أو شبكات أو قنوات داخلية لا يستطيع أي مثقاب أو قالب إنتاجها.

قارنها بـ

التلبيد الانتقائي بالليزر8.3فكرة طبقة المسحوق نفسها مع النايلون؛ لا حاجة إلى دعامات، لكن للقطع البلاستيكية فقط.نفث الرابط8.5يلصق مسحوق المعدن بدل صهره، ثم يلبّده في فرن؛ أرخص للقطعة، لكن القطع تنكمش.الترسيب بالطاقة الموجّهة8.7يغذّي مسحوقًا أو سلكًا إلى بركة مصهورة بالليزر؛ يبني أو يصلح قطعًا أكبر، بتفاصيل أخشن.

شاهدها

RAPID DIRECT · سير عمل SLM كاملًا، مشروحًا للمبتدئين

Billy Wu · لقطات قريبة لقطعة تُبنى

3D Distributed · آلة تعمل: الليزر، والشرارات، وأداة إعادة الطلاء

NASA's Marshall Space Flight Center · أجزاء محرّكات صواريخ مطبوعة في NASA

شاهد صورًا حقيقية

ويكيبيديا: Selective laser melting — مخطط العملية وصور لقطع معدنية مطبوعة
البحث عن الصور في ويكيميديا كومنز

تذكّر

يصهر LPBF مسحوق المعدن بالليزر في غاز خامل، فيبني قطعًا كثيفة بالكامل طبقة بعد طبقة.
يصنع قطعًا معدنية معقدة وخفيفة لا تستطيعها عملية أخرى، لكن ببطء وبتكلفة عالية.
الدعامات، والمعالجة الحرارية، والقطع عن اللوحة، وغالبًا التشغيل، جزء من كل عمل.