تأثير خصائص المسحوق على أداء الطباعة ثلاثية الأبعاد للمعادن

يُعدّ التصنيع الإضافي بتقنية دمج المساحيق (PBF) أسرع تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد للمعادن نموًا وأكثرها استخدامًا. فهو يتميز بدقة تشكيل عالية، وخصائص ميكانيكية ممتازة، ومكونات معقدة، وكفاءة تشكيل عالية. تشمل مساحيق الطباعة ثلاثية الأبعاد للمعادن المستخدمة عادةً في التصنيع الإضافي بتقنية دمج المساحيق سبائك التيتانيوم، وسبائك النيكل، وسبائك الحديد، وسبائك الكوبالت والكروم، وسبائك الألومنيوم، وسبائك النحاس، والمعادن المقاومة للحرارة مثل التنغستن، والموليبدينوم، والتنتالوم، والنيوبيوم.

كمواد خام، تُحدد جودة مساحيق المعادن بشكل كبير جودة المنتج النهائي. وتُعدّ نظافة المسحوق وشكله وتوزيع حجم جسيماته عوامل أساسية تؤثر على أداء تشكيل القطع.

نظافة المسحوق

يتكون التركيب الكيميائي لمساحيق المعادن المستخدمة في الطباعة ثلاثية الأبعاد من عناصر معدنية وشوائب. تشمل العناصر المعدنية الشائعة: Fe، Ti، Ni، Al، Cu، Co، Cr، والمعادن النفيسة مثل Ag و Au. تتكون الشوائب بشكل رئيسي من مركبات معدنية أو مكونات غير معدنية، مثل Si، Mn، C، S، P، O، وغيرها من العناصر الموجودة في الحديد المختزل. قد تُضاف شوائب ميكانيكية، مثل SiO2 وAl2O3، وسيليكات، وكربيدات معدنية غير قابلة للذوبان، ومواد أخرى غير قابلة للذوبان في الأحماض، أثناء عملية إنتاج المواد الخام والمسحوق. كما قد يمتص سطح المسحوق الأكسجين وبخار الماء وغازات أخرى.

عند مسح المسحوق بشعاع الليزر أو الإلكترون، قد تتفاعل الشوائب مع المعدن الأساسي، مما يُغير خصائصه ويؤثر على جودة القطع المطبوعة ثلاثية الأبعاد. إضافةً إلى ذلك، تُسبب الشوائب ذوبانًا غير متساوٍ للمسحوق، مما يُؤدي إلى عيوب داخلية في القطعة النهائية. تُقلل الشوائب الميكانيكية، على وجه الخصوص، من متانة القطع بشكل كبير، وخاصةً مقاومتها للصدمات. كما أن توزيع وشكل الشوائب غير المعدنية يؤثران بشكل متفاوت على القطع المُشكَّلة.

في الحالات التي تحتوي على نسبة عالية من الأكسجين، يُشكّل أكسدة المعدن الأساسي عند درجات حرارة عالية طبقة أكسيد كثيفة تؤثر على الأداء، وقد تؤدي إلى كروية، مما يُقلل من كثافة وجودة تشكيل القطع. تُعدّ عناصر مثل الكربون والفوسفور والكبريت والأكسجين والنيتروجين في الفولاذ ضارةً بشكل خاص بمتانته. لذلك، يجب مراقبة مستويات الشوائب والشوائب في المسحوق بدقة لتلبية متطلبات عملية التصنيع الإضافي وأداء القطع النهائية.

مورفولوجيا المسحوق

ال علم التشكل يؤثر حجم المسحوق بشكل مباشر على كثافته وسيولته، مما يؤثر بدوره على عملية تغذية المسحوق والأداء النهائي للجزء.

في تصنيع إضافات دمج المساحيق، تضمن آلية توزيع المساحيق توزيع جزيئات المسحوق بالتساوي في منطقة التشكيل. تُعد السيولة الجيدة ضرورية للحصول على طبقة مسحوق متجانسة ومسطحة. تتميز المساحيق الكروية وشبه الكروية بسيولة جيدة، وكثافة عالية، وبنية موحدة، مما يجعلها المواد الخام المفضلة لتصنيع إضافات دمج المساحيق.

ومع ذلك، في حال وجود مساحيق مجوفة أو ساتلية في مساحيق كروية أو شبه كروية، سيتأثر الأداء النهائي للقطعة. يُعد المسحوق المجوف أكثر شيوعًا في المساحيق ذات أحجام الجسيمات التي تزيد عن 70 ميكرومتر، مما يؤدي إلى عيوب مثل المسام التي يصعب إزالتها في القطعة المُشكَّلة. يُقلل المسحوق الساتل من السيولة ويُعيق التراكم المُنتظم للمسحوق. تحدث هذه العملية أثناء انتشار طبقات المسحوق المُستمرة، مما يُؤدي إلى عيوب في القطعة. لذلك، ينبغي أن تُقلل مساحيق المعادن المُستخدمة في التصنيع الإضافي لدمج طبقات المسحوق من نسبة المساحيق المجوفة والساتلية.

توزيع حجم جسيمات المسحوق

يُميز توزيع حجم جسيمات المسحوق تركيب وتنوع الجسيمات ذات الأحجام المختلفة في نظام المسحوق. ويُعدّ هذا التوزيع معيارًا مهمًا لوصف خصائص جسيمات المسحوق. يؤثر حجم الجسيمات بشكل مباشر على جودة وضع المسحوق، وسرعة التشكيل، والدقة، والاتساق التنظيمي أثناء عملية التصنيع الإضافي. تتطلب العمليات المختلفة أحجامًا مختلفة لجسيمات المسحوق. تستخدم تقنية الصهر الانتقائي بالليزر (SLM) مساحيق بأحجام جسيمات تتراوح بين 15 و45 ميكرومتر، بينما تستخدم تقنية الصهر الانتقائي بشعاع الإلكترون (SEBM) مساحيق بأحجام جسيمات تتراوح بين 45 و106 ميكرومتر.

من منظور الديناميكا الحرارية والحركية، تتميز جزيئات المسحوق الأصغر بمساحة سطح أكبر، مما يزيد من قوة دفع التلبيد. تساعد الجزيئات الصغيرة في تكوين الأجزاء. مع ذلك، تُقلل المساحيق شديدة النعومة من السيولة، وتُخفض الكثافة، وتُقلل التوصيل الكهربائي، وتُسبب كروية أثناء الطباعة. تُقلل المساحيق الخشنة من نشاط التلبيد، وتُعيق تجانس توزيع المسحوق، وتُخفض دقة التشكيل. لذلك، يُعدّ موازنة المساحيق الخشنة والناعمة أمرًا أساسيًا لتحسين الكثافة الكلية والسيولة، مما يُفيد في التصنيع الإضافي بدمج طبقات المسحوق.

تشير الأبحاث إلى أن توزيع حجم الجسيمات بشكل أوسع يُحسّن كثافة طبقة المسحوق أثناء عملية النشر. تملأ الجسيمات الأصغر الفجوات بين الجسيمات الأكبر، مما يُعزز الكثافة.

مسحوق التماسك

في عملية دمج مسحوق الليزر، تُنشر طبقات من مسحوق المعدن وتُصهر بواسطة الليزر. يؤثر تماسك المسحوق على اتساق الانتشار وجودة التشكيل. يُعدّ التماسك، إلى جانب حجم الجسيمات وشكلها، عاملاً أساسياً. في صناعات الأدوية والأغذية، دُرِس تأثير تماسك المسحوق على السيولة بشكل جيد. يتأثر التماسك بعوامل مثل الحمل الميكانيكي، وقوى تفاعل الجسيمات، وقوى الشعيرات الناتجة عن الرطوبة الممتصة. تؤثر هذه العوامل على السيولة، مما يؤثر بدوره على الانتشار.

تؤثر التغيرات في حجم الجسيمات وشكلها وخصائص السطح على جودة الانتشار والتشكيل. يؤدي التوزيع المعقول للحجم، والكروية العالية، وانخفاض التماسك إلى تحسين الكثافة الظاهرية وجودة الانتشار. وهذا يقلل المسام والعيوب غير المندمجة، مما يُحسّن كثافة وجودة الأجزاء النهائية.

الوضع الحالي لصناعة مسحوق المعادن للتصنيع الإضافي

حققت الصين تقدمًا ملحوظًا في مجال البحث والتطوير لمساحيق المعادن وتصنيعها لدمج طبقات المساحيق. ومع ذلك، لا تزال متأخرة عن الدول الأجنبية. تخضع التقنيات والمعدات الرئيسية بشكل رئيسي لسيطرة دول مثل ألمانيا والولايات المتحدة والمملكة المتحدة. تمتلك شركات مثل كاربنتر وجنرال إلكتريك (الولايات المتحدة)، وLPW، وساندفيك، وGKN (المملكة المتحدة)، وهوجاناس (السويد) أكثر من 60% من براءات اختراع مسحوق سبائك التيتانيوم للتصنيع الإضافي. تفرض بعض الدول قيودًا على تصدير مساحيق المعادن الكروية، مثل سبائك التيتانيوم، مما يرفع تكاليف المواد الخام ويطيل دورات التوريد. وهذا يعيق تطوير صناعات دمج طبقات المساحيق وتصنيع الإضافات المعدنية في الصين.

لمعالجة هذا الوضع، ينبغي على الصين تطوير أنظمة سبائك معدنية (مثل سبائك التيتانيوم) تتمتع بملكية فكرية مستقلة. إن حل التحديات الرئيسية في إنتاج مساحيق كروية عالية الجودة سيخفض التكاليف، ويزيد الإنتاج، ويعود بالنفع على صناعات مثل الفضاء والطب الحيوي.

آلات مسحوق ملحمة

آلات مسحوق ملحمة شركة رائدة في توفير معدات معالجة المساحيق المتطورة للتصنيع الإضافي وغيرها من الصناعات. مع تركيزنا على الابتكار والجودة، نقدم حلولاً متطورة لتحسين خصائص المساحيق، وتحسين أداء عمليات الطباعة ثلاثية الأبعاد للمعادن، وتلبية احتياجات عملائنا الخاصة. سواء كنت تنتج مساحيق معدنية للتصنيع الإضافي أو تُحسّن خصائص المساحيق لتطبيقات أخرى، مسحوق ملحمي تلتزم بتوفير معدات موثوقة وعالية الأداء تعمل على تحقيق النجاح في الصناعات القائمة على المسحوق.