هل يمكن طباعة الأجزاء المعدنية المتطورة بكفاءة ثلاثية الأبعاد وقابلة للتكرار على دفعات؟ يمكن للباحثين من آخن الإجابة على هذا السؤال على وجه اليقين: في معهد فراونهوفر لتكنولوجيا الليزر ILT، قاموا بنقل ترسيب مادة ليزر EHLA عالي السرعة ثنائي الأبعاد إلى نظام CNC معدل خماسي المحاور للمعالجة. بالإضافة إلى المكونات المعقدة.
من خلال توسيع عملية EHLA إلى ثلاثة أبعاد، يمكن للمعهد الطباعة ثلاثية الأبعاد للمواد التي يصعب لحامها مثل فولاذ الأدوات والتيتانيوم والألمنيوم والسبائك القائمة على النيكل.
سيطرت عمليتان ليزر على طباعة وطلاء الأجزاء المعدنية لعقود. التكنولوجيا الرائدة للطباعة ثلاثية الأبعاد للصناعات المعدنية المباشرة هي عملية دمج طبقة المسحوق القائمة على الليزر (LPBF) الحاصلة على براءة اختراع من قبل Fraunhofer ILT منذ 26 عامًا. هنا، إشعاع الليزر يذيب جزءًا صغيرًا من يحول المسحوق إلى طبقة صلبة تلتصق بالركيزة مع المعادن. بهذه الطريقة، تنمو المكونات ثلاثية الأبعاد طبقة تلو الأخرى.
لقد أثبت ترسيب المواد بالليزر (LMD) أيضًا أنه تقنية سطحية فعالة بشكل خاص. في LMD، يتم تشكيل حوض مصهور على سطح الجزء حيث يتم إدخال مادة الحشو أو الأسلاك أو المسحوق باستمرار. يعمل التجميع على إذابة الركيزة والمواد الحشو، مما يؤدي إلى تكوين رابطة معدنية بين الطبقة والركيزة المكونة.
إنقاذ المكونات باهظة الثمن
من ناحية، تكمن الإمكانات الاقتصادية في حقيقة أنه يمكن ترقية المكونات الأساسية من خلال طبقات وظيفية، أو إمكانية إجراء تعديلات محلية ومكونات إضافية. المجال الثاني المهم لتطبيق LMD هو الإصلاح، أي إعادة تدوير المكونات باهظة الثمن مثل تلك الموجودة في صناعة الطيران أو الأجهزة. يمكن أن تعمل الأجزاء التالفة بكامل طاقتها بعد أن يتم تغطيته من الأعلى بـ LMD، يتم تنشيطه مرة أخرى لذلك لم يعد بحاجة إلى العلاج.
أصبح LMD و LPBF جزءًا لا يتجزأ من تصنيع المواد المضافة القائمة على المعادن نظرًا لمزاياها الخاصة بالعملية: LMD جذابة بسبب إنتاجيتها العالية، بينما يمكن استخدام LPBF للطباعة ثلاثية الأبعاد للمكونات الدقيقة المعقدة للغاية. تم افتتاح كرسي Fraunhofer ILT و DAP لإنتاج المواد المضافة الرقمية في جامعة RWTH Aachen في عام 2012، تم فتح آفاق جديدة مع تطوير EHLA لترسب المواد بالليزر عالي السرعة للغاية.
في العملية الحاصلة على براءة اختراع، يقوم الليزر بإذابة جزيئات المسحوق الموجودة بالفعل أعلى حوض الذوبان. بفضل هذا الابتكار، يمكن زيادة سرعة العملية من 0.5 إلى 2.0 (LMD) السابقة إلى 200 م / دقيقة ويمكن تقليل سماكة الطلاء من 500 ميكرومتر إلى 10 ميكرومتر. يمكنها الآن طلاء ما يصل إلى خمسة أمتار مربعة في الساعة. بالإضافة إلى ذلك، يصبح الطلاء أكثر نعومة ويتم تقليل الخشونة إلى عُشر القيمة النموذجية لـ LMD.
نجاحات دولية في الطلاء السريع
أشهر الاختراعات: على سبيل المثال، قامت شركة Hornet Laser Cladding BV في ليكسموند (هولندا) بدمج مصدر شعاع الليزر، ورأس معالجة EHLA ونظام تغذية المسحوق في مخارطها من أجل استخدام EHLA في العمليات الصناعية. TRUMPF Laser- und Systemtechnik GmbH، ومقرها في ديتزينجين، ألمانيا، يشمل أيضًا العملية في مجموعة من منتجاتها وتزودها بمعدات الليزر وتكنولوجيا النظام لعملية EHLA.
ومن بين أوائل الشركات التي تبنت هذا التطبيق شركات في هولندا والصين وألمانيا وتركيا. في عام 2015، تم إحراز تقدم كبير في القطاع البحري: منذ ذلك الحين، تم طلاء مئات الأمتار من الأسطوانات الهيدروليكية بسبائك مقاومة للتآكل ومقاومة للتآكل لاستخدامها في البيئات البحرية في جميع أنحاء العالم.
في عام 2019، تبع الانتقال إلى الأبعاد الثلاثية مزيدًا من النجاح في طلاء أقراص المكابح والمكابس والأسطوانات والمحامل بسرعة وموثوقية. Jonathan Schaible هو باحث سابق في Fraunhofer ILT وشارك في التطوير الإضافي كجزء من الدكتوراه: لقد تعامل مع المتطلبات الخاصة لتكنولوجيا الآلات والأنظمة، يجب أن تتحقق من أجل الجمع بين EHLA والطباعة ثلاثية الأبعاد عالية السرعة.
وفي الوقت نفسه، واصل خليفته، Min-Uh Ko، تحسين هندسة العمليات لنظام CNC خماسي المحاور معدل خصيصًا والذي يجمع بين أعلى دقة مع معدلات تغذية عالية للآلات المضافة وطلاء السطح الحر وإصلاح المكونات باستخدام EHLA.
تجمع EHLA 3D بين إنتاجية LMD وسمك الطبقة من 500 إلى 2000 ميكرومتر مع التراكم الدقيق المستهدف هيكليًا لـ LPBF مع طبقات من 30 إلى 100 ميكرومتر، رئيس التصنيع الإضافي ومجموعة ترميم LMD، معهد Fraunhofer لليزر Min-Uh Ko يشرح تقنية ILT. يقع EHLA 3D في النطاق المتوسط من 50 إلى 300 ميكرومتر.
بالقرب من الكفاف النهائي
منطقة التليين المنخفضة ومعدل التبريد المرتفع يفيدان العملية أيضًا. نظرًا لهذه الخصائص، يمكن أيضًا إنتاج مكونات مصنوعة من مواد يصعب لحامها وأزواج متعددة المواد. تظهر العملية قوتها في الطباعة ثلاثية الأبعاد الحقيقية.
يشرح العالم Kuo: باستخدام EHLA 3D، يمكن تصنيع المكونات التي هي بالفعل قريبة جدًا من محيطها النهائي بكفاءة. بالإضافة إلى ما يسمى بتشكيل الشبكة الضيقة، تتيح العملية أيضًا إنشاء سريع ودقيق، بالإضافة إلى تطبيق الطلاءات على الأسطح ذات الشكل الحر.
يتم إكمال الأشكال المعقدة في وقت قياسي - وهذا ممكن فقط من خلال تقنية الماكينة المصممة بشكل صحيح وتخطيط المسار التكيفي لبرنامج CNC. يُطلق على انخفاض الإنتاجية أو السباحة هنا اسم fly-in - عندما يتسارع رأس الليزر إلى نقطة الاستخدام ويقوم بتشغيل شعاع الليزر - يتفاعل مع الطيران اللاحق - حيث يبطئ بعيدًا عن منطقة العلاج.
تعتمد الكفاءة على نسبة وقت المعالجة مع شعاع الليزر إلى إجمالي وقت المعالجة. تثبت تحقيقات Schaible هذا: عند تسارع 50 م / ث 2 ومعدل تغذية 50 م / دقيقة، تبلغ كفاءة ترسيب المسحوق المعتمد على الآلة M-PDE حوالي 80٪ على مسافة 100 مم. عند تسارع 10 م / ث²، يكون M-PDE تقريبًا. 40٪.
لقد أتت جهود المعهد لتطوير عملية EHLA ثمارها، كما يتضح من العرض الأول الناجح. في عرض تقديمي في ربيع 2022 في AKL'22 - المؤتمر الدولي لتكنولوجيا الليزر في آخن، ألمانيا، قدم علماء Ku التطور الحالي لتقنية EHLA 3D.
على سبيل المثال، يوضح مقطع فيديو التصنيع الإضافي لأداة تشكيل، مما يقلل من وقت الطباعة بمعامل 2 مقارنة بـ LMD. بالإضافة إلى ذلك، فإن الجهد المخفض المطلوب للتشطيب النهائي له مزايا أخرى.
طباعة معدنية موثوقة ثلاثية الأبعاد باستخدام مسحوق قديم
تتميز العملية أيضًا بكفاءة عالية: تم طباعة المكونات المصنوعة من مادة Inconel 718 الفضائية ثلاثية الأبعاد على نظام CNC خماسي المحاور بمعدل ترسيب يزيد عن 2 كجم / ساعة، وبلغت كثافة أكثر من 99.5٪. قام باحثو آخن أيضًا بالتحقيق في استخدام مساحيق المعادن المعاد تدويرها بدلاً من ذلك الجديد. في كلتا الحالتين، تبلغ قوة الشد Rm حوالي 1300 ميجا باسكال.
وأوضح كو أنه في كلتا الحالتين، كانت قوة الشد جيدة مثل طاقم الممثلين. حقق العالم Schaible أيضًا نتائج جيدة، ويتضمن عمله EHLA 3D تطوير مكونات مصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ 316L وسبائك الألومنيوم والسيليكون. هنا أيضًا، تتوافق الخواص الميكانيكية التي تم الحصول عليها مع العينات المذكورة في الأدبيات تقليديا. دقة هيكلية تبلغ حوالي 500 ميكرومتر ممكنة حاليًا لأجزاء الألومنيوم ذات الجدران الرقيقة التي يتم إنتاجها باستخدام EHLA 3D.
يعد نظام CNC من Fraunhofer ILT نموذجًا أوليًا تم تكييفه خصيصًا لنقل الأداة بطريقة موثوقة ودقيقة وفي نفس الوقت ديناميكية للغاية. يدعو Ko الأطراف المهتمة إلى إلقاء نظرة فاحصة: إذا كنت مهتمًا بهذه التقنية الرائعة أو الاستخدامات الممكنة الأخرى لعملية EHLA 3D، فسيسعدني تقديم المساعدة هنا فراونهوفر ILT.