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.

موارد قابل استفاده از پرینتر سه بعدی 

چند برنامه برتر پرینت سه بعدی

پرینتر سه بعدی تکنولوژی ساخت افزایشی توانمند است، که به طراحان آزادی عمل بیشتری می دهد. مواردی که می توان از تکنولوژی پرینتر سه بعدی استفاده کرد بی حد و مرز است، اما در ادامه به چند مورد از کاربردها اشاره می کنیم.

1. ساخت نمونه اولیه: پرینتر سه بعدی بهترین گزینه برای ساخت نمونه های اولیه با هر هندسه پیچیده ای است.

2. پزشکی و دندان پزشکی: پرینتر سه بعدی در پزشکی کاربرد فراوانی دارد. از ساخت انواع ایمپلنت ها تا اعضای بدن مصنوعی و پرینت سه بعدی پوست انسان را می توانیم به وسیله پرینتر سه بعدی بسازیم.

3. میراث فرهنگی: برای نگهداری، ترمیم و کپی برداری از آثار باستانی کاربرد دارد. بسیاری از موزه ها به وسیله پرینتر سه بعدی بسیاری از آثار را بازسازی می کنند.

4. تحصیلات و آموزش: پرینتر سه بعدی بهترین منبع برای آموزش در کلاس درس است و دانش آموزان می توانند با سرعت بالا و هزینه کم در کلاس به نمونه سازی بپردازند.

5. خودرو سازی و صنعت: پرینتر سه بعدی می تواند با دقت بالایی انواع قطعات خودرو و قطعات صنعتی با انواع متریال مختلف تولید کند.

6. ساختمان سازی: با استفاده از تکنولوژی پرینتر سه بعدی ساختمان سازی با هزینه و زمان کمتر ممکن شده است.

7. جواهر سازی: یکی از کاربرد های پرینتر سه بعدی مدل سازی و قالب سازی برای فروشندگان طلا و جواهر است.

8. ساخت مجسمه و اسباب بازی: به وسیله پرینتر سه بعدی می توان انواع اسباب بازی و حتی سردیس و تندیس هر فرد را ساخت.

فرآیند همجوشی بر بستر پودر ( Powder Bed Fusion ( PBF ) 3D printing )

فرآیند همجوشی بربستر پودر ( PBF )  شامل تکنیک های پرینت زیر است:

جوش لیزری مستقیم فلز ( DMLS )، ذوب پرتو الکترونی( EBM ) ،پخت حرارتی انتخابی ( SHS )،ذوب لیزری انتخابی ( SLM )، مولتی جت ( MJF ) و جوش لیزری انتخابی ( SLS ).

همجوشی بر بستر پودر ( PBF ) از لیزر یا پرتو الکترونی برای ذوب و ترکیب مواد پودری استفاده می کند. روش های ذوب پرتو الکترونی ( EMB )، نیازمند خلأ هستند اما می توانند با فلزات و آلیاژها در ایجاد قطعات کاربردی استفاده شوند. تمام فرآیندهای PBF شامل پخش مواد پودری روی لایه های قبلی است. در اینجا مکانیسم های مختلفی برای فعال کردن این کار وجود دارد، از جمله یک غلتک یا یک تیغه. یک قیف یا یک مخزن زیر بستر کناری، مواد تازه را تامین می کند. پخت مستقیم لیزر فلزات ( DMLS ) که مشابه SLS است، اما با این تفاوت که از فلزات استفاده می کند و نه پلاستیک. این فرآیند لایه به لایه پودر را جوش می دهد. جوش حرارتی انتخابی از طریق استفاده از سر پرینت حرارتی گرم شده برای ذوب مواد پودری با سایر فرآیندها متفاوت است. مانند قبل، پودر فلز برای هر لایه با یک غلتک در بین همجوشی لایه ها اضافه می شوند.

یک پلتفرم مدل را دقیقا بر این اساس پرینت می کند: ابتدا  یک لایه، معمولاً به ضخامت 0.1 میلی متر از مواد روی سکوی ساخت پخش می شود. لیزر اولین لایه یا اولین مقطع مدل را ذوب می کند.سپس لایه جدیدی از پودر با استفاده از یک غلتک روی لایه قبلی پخش می شود. لایه ها یا مقاطع بیشتر ذوب شده و اضافه می شوند. و در آخر قسمت های ذوب نشده لایه ها و شل شده در موقعیت خود باقی می مانند اما در طول پردازش بعدی حذف می شوند.