گاهی اوقات تولید سریعتر از مشتریان خود حرکت می کند. روشهای تولید پودر فلزی که یک دهه پیش غیرقابل تصور به نظر می رسید ، اکنون ناگهان بخشی از جریان اصلی هستند - یا به همین ترتیب می شنوید.
درست هنگامی که فکر می کردید فواید متالورژی پودر را کاملاً درک کرده اید ، در کنار پسر عموی آن ، تولید مواد افزودنی فلزی ، با نام مستعار چاپ سه بعدی.
آیا واقعاً امکان "چاپ" قطعات کامل و از بین بردن برخی از مراحل در فرآیند تولید وجود دارد؟یا آیا دلیلی وجود دارد که تولید افزودنی یک مفهوم تا حدودی طاقچه است؟
در اینجا ما در مورد مزایا و مضرات فرآیندهای تولید افزودنی در مقابل متالورژی پودر انواع "سنتی" ، از جمله کامپوزیت های مغناطیسی نرم برای موتورهای برقی وجود دارد.
مزایا و مضرات فرآیندهای تولید مواد افزودنی فلزی
تولید افزودنی چیست؟
(اگر از قبل اصول اولیه تولید افزودنی را می دانید ، می توانید به بخش "چاپ سه بعدی با متالورژی پودر در کجا متناسب باشد؟" پیش بروید.)
مانند هر فناوری جدید ، بسته به فناوری خاص مورد استفاده ، چندین جوانب مثبت و منفی از تولید افزودنی وجود دارد.
ما می توانیم در مورد انواع مختلف تولید مواد افزودنی فلزی به طول زیادی ادامه دهیم ، اما فقط دو نوع در صنعت استفاده می شود:
- پودر بستر اتصال (جت جوهر)
- لیزر فلزی مستقیم (DML)
فرآیند تولید مواد افزودنی فلزی (AM) از ابزار کمتری است-از پودر برای ایجاد یک مؤلفه به روشی که شبیه چاپگر جوهر افشان باشد ، استفاده می کند. این قسمت را به بسیاری از لایه های 2D می شکند و لایه تمام شده را به صورت لایه چاپ می کند.
جت جوهر
چاپ جت جوهر فرایندی است که بیشتر شبیه چاپگر جت جت جوهر سنتی شما در خانه است. ما این فناوری را با جزئیات بیشتر بحث خواهیم کرد زیرا در آن زمان ، اگرچه نسبتاً کند است ، اما این فناوری سریعتر در فضای AM است.
- یک لایه نازک از پودر فلزی در کل پاکت ساخت پخش می شود.
- یک سر چاپ در بستر چاپی حرکت می کند که لایه ای از چسب را به شکل لایه قسمت مورد نظر اسپری می کند.
- مراحل 1 و 2 را تکرار کنید تا کل قسمت "چاپ شود".
- به طور معمول ، کل بستر پودر به یک فرآیند "اتصال" حرارتی منتقل می شود ، که در آن اتصال دهنده ای که روی هر لایه پاشیده شده است خشک می شود و استحکام آن را به دست می آورد.
- بستر پودر به یک ایستگاه پودر منتقل می شود ، جایی که پودر شل برداشته می شود و قطعات تمیز می شوند.
- قطعات سینتر شده اند. این جایی است که این قسمت تقریباً 20 ٪ کاهش می یابد و اوراق قرضه متالورژی خود را بدست می آورد.
لیزر فلزی مستقیم
DMLS فرایندی است که با ایجاد یک قسمت سه بعدی از بسیاری از لایه های 2D نیز کار می کند.
- یک لایه پودر بسیار نازک روی طول پاکت ساخت پخش می شود.
- پرتو لیزر در سراسر لایه حرکت می کند و با تمرکز بر مناطقی که قسمت را تشکیل می دهند.
- انرژی حاصل از لیزر ذرات را با هم در تماس می کند.
- بستر پودر به یک ایستگاه پودر منتقل می شود ، جایی که پودر شل برداشته می شود و قطعات تمیز می شوند.
چاپ سه بعدی با متالورژی پودر کجاست؟
سالهاست که چاپ سه بعدی در تولید نمونه های اولیه مفید بوده است ، اما کاستی های آن در صورت نیاز به مقادیر زیادی کالاهای سریع و کم هزینه مشهود است.
تولید مواد افزودنی در حال یافتن جایگاه خود در تولید جزء به عنوان مکمل قالب تزریق و فشار و پخت و پز معمولی است. نسخه های خانگی یا اداری چاپگرهای سه بعدی از پلاستیک برای تشکیل قسمت انتهایی استفاده می کنند ، اما چاپ سه بعدی نیز می تواند در دنیای صنعتی با استفاده از فلز به شکل پودر ، مشابه پودرهای مورد استفاده در تراکم فلز پودر حاصل شود.
آیا تصمیم دارید با تهیه کننده تولید افزودنی یا PM (متالورژی پودر) کار کنید؟چه برای تولید باشد و چه به سادگی نمونه های نمونه اولیه ، جوانب مثبت و منفی هر دو فناوری را در نظر بگیرید.
مطمئناً ، پرش با این فناوری در حال ظهور شسته و رفته است ، اما آیا واقعاً منطقی است؟یا آیا می توانید با متالورژی پودر معمولی که با برخی از تکنیک ها و مواد پیشرفته مخلوط شده است ، تجربه کلی بهتری کسب کنید؟
مزایای تولید افزودنی
تولید مواد افزودنی فلزی فقط به خاطر فناوری فناوری نیست. در واقع مزایای عملکردی فرآیند تولید افزودنی وجود دارد
1. توانایی شکل دادن نادر
تولید مواد افزودنی برای اشکال غیر معمول یا پیچیده مؤلفه بسیار جذاب است که تولید با استفاده از سایر فرآیندهای دیگر دشوار است.
طراحی نرم افزار امکان ایجاد تقریباً هر فرم هندسی مانند:
- فضاهای توخالی
- لانه زنبوری پر کردن
- کانال های خنک کننده داخلی
- پیش نویس های منفی
امکانات از دیدگاه طراحی واقعاً بی پایان است.
در این راستا ، از چاپ سه بعدی به عنوان متالورژی پودر روی استروئیدها فکر کنید.
2. ساخت + مونتاژ در 1
یک خط تولید افزودنی می تواند چندین مؤلفه را در یک زمان در همان جعبه ساخت تولید کند. به جای ایجاد قطعات جداگانه و مونتاژ آنها در یک نقطه بعدی (به دلیل محدودیت های هندسه) ، یک سازنده افزودنی می تواند مجامع را به صورت مجزا ترکیب کند ، که می تواند هزینه کلی محصول را در شرایط منحصر به فرد کاهش دهد.
3. بدون هزینه ابزار
با تولید افزودنی ، هیچ هزینه ابزار جلو مانند آنچه در PM سنتی مشاهده می کنید وجود ندارد. این همچنین می تواند یک مزیت بسیار جذاب برای یک استراتژی تولید با حجم کم باشد.
بگویید اولین نمونه های اولیه خود را انجام می دهید ، سپس آنها را آزمایش کنید. اگر متوجه شدید که نیاز به تغییر طراحی دارید؟به سادگی با تغییرات یک مدل جدید را برای تأمین کننده AM خود ارسال کنید - این کار آسان است. مهندس می تواند مدل را بارگیری مجدد کرده و برای شروع سری نمونه های بعدی خود آماده باشد.
مضرات تولید افزودنی
بنابراین ، اگر این کار آسان است ، چرا ما هرگز از AM استفاده نمی کنیم؟
بسیاری از مزایای تولید افزودنی در حال حاضر در متالورژی پودر ، فقط به شکل ظریف تر وجود دارد. شما باید تصمیم بگیرید که آیا پیشرفت های متوسط در آن مناطق دارای مضرات مرتبط با چاپ سه بعدی است:
1. هزینه بخشی
تولید مواد افزودنی فلزی در صورت نیاز به اجرای نمونه های اولیه 1-100 ، مزایای آن را دارد. هر چیزی فراتر از آن ، و هزینه های شدید "در هر بخشی" تمام صرفه جویی در هزینه های اولیه جلو را از بین می برد.
بسته به اندازه قسمت ، AM می تواند 5-100 برابر هزینه یک قسمت سنتی فلزی پودر باشد. این هزینه شدید توسط دو عامل اصلی هدایت می شود: استفاده از تجهیزات و هزینه مواد.
ما در مورد تجهیزات زیر صحبت خواهیم کرد ، اما ابتدا ، اجازه می دهیم که هزینه مواد را به دست آوریم.
شرکت هایی که مواد را برای AM غالباً برای توزیع ذرات بسیار ریز یا کوچک مشخص می کنند. این می تواند هزینه مواد اولیه پروژه شما را افزایش دهد - حتی اگر پودر نیاز به کروی داشته باشد. این شکل های ذرات از یک فرآیند اتمی سازی گاز که به طور خاص در قالب تزریق فلزی و اتصال دهنده بستر پودر استفاده می شود ، تولید می شود.
اگر این قسمت را می توان با PM سنتی تحت فشار قرار داد و بعداً در صورت لزوم ماشینکاری کرد ، معمولاً دلیلی برای مجبور کردن AM در فرآیند تولید شما وجود ندارد.
2. پایان سطح
قابلیت های پایان سطح برای یک قسمت چاپی سه بعدی طی یک دهه گذشته مسیری طولانی را طی کرده است. با این حال ، هنوز دو چالش اساسی وجود دارد.
یکی قابلیت پایان کلی خود پودر تولیدی افزودنی است که در مقایسه با مواد سنتی فلزی پودر بسیار خشن است. مورد دیگر اثر لایه بندی ذاتی در ساخت قسمت AM است. این بسیار شبیه به توپوگرافی یک نقشه است. هنگامی که ارتفاع در یک قسمت از یک قسمت به تدریج تغییر می کند در حالی که سطح مقطع به سمت داخل یا بیرون رشد می کند ، یک اثر لایه بندی مشخص رخ می دهد.
برای حل این مشکل ، تولید کنندگان به طور معمول قطعات خود را برای ریزش یا الکتروپولیش ارسال می کنند. این یک کار عالی برای ترکیب لایه ها است. با این حال ، حذف مواد مانع دیگری برای کنترل دقت بعدی ایجاد می کند.
3. کنترل بعدی
هنگامی که از طریق اتصال چسبنده پردازش می شود ، تولید مواد افزودنی فلزی دارای چالش های بعدی مشابه قالب تزریق فلزی است. یعنی ، مواد در حین پخت حدود 20 ٪ کاهش می یابد. بنابراین اگرچه چاپگرها بیشتر و دقیق تر می شوند ، روند پخت و پز می تواند منبع دل درد باشد.
تغییر بعدی 0. 5 ± in در همان دسته پخت و پز انتظار می رود. این بدان معنی است که هرچه طراحی شما بزرگتر باشد ، تحمل بیشتری نیز باید شامل شود.
علاوه بر این ، به دلیل کوچک شدن ، قطعات در هنگام پخت و پز اصطکاک اضافی را تجربه می کنند. این امر باعث می شود که دایره ها به سمت تخم مرغ و غرق شدن در حال فروپاشی باشند ، مگر اینکه سازنده شما برای طراحی وسایل پخت و پز پیچیده مراقبت ویژه کند.
4. بدون آلیاژ سفارشی
خصوصیات مکانیکی یک محصول نهایی به ویژگی های پودری که با آن شروع می کنید بستگی دارد.
تولید افزودنی به طور معمول از یک ماده prealoyed در پودر پایه استفاده می کند. چرا؟هیچ راهی برای معرفی موفقیت آمیز مواد و صفات اضافی بعداً در فرآیند چاپ سه بعدی وجود ندارد.
اگر مواد آلیاژ شما هنوز از تأمین کننده شما در دسترس نیست ، از شانس خارج نمی شوید. تمام مواد و ویژگی های مورد نظر در مؤلفه خود باید در ترکیب باشد.
5- کند است و محدودیت های اندازه دارد
سازگاری صنعتی با تولید افزودنی کند بوده است ، و هنوز هم در سال 2021 یک روند طاقچه محسوب می شود. به این دلیل است که بعد از این همه سال ، AM هنوز یک روش کارآمد برای تولید حجم زیاد قطعات نیست.
به یاد داشته باشید که چگونه ما از توانایی AM در تولید چندین قطعات به طور همزمان تعریف کردیم؟چیز خوب ، زیرا در غیر این صورت یک فرآیند حلزون مانند PM است. بسته به شکل و اندازه نهایی مورد نظر شما ، می تواند 2-3 ساعت طول بکشد تا شکلی تولید کند که متالورژی پودر معمولی می تواند در 5-10 ثانیه ایجاد کند.
حتی اگر سرعت برای شما نگران کننده نباشد ، بسته به نوع چاپ سه بعدی ، در هنگام حداکثر اندازه قسمت سقف کم وجود دارد.
به عنوان مثال: با استفاده از Binder Jetting ، می توانید بخشی به اندازه جعبه ساخت را چاپ کنید. با این حال ، با موفقیت بخشی از طریق اتصال حرارتی ، فرسوده و فرآیند پخت و پز بدون ترک خوردن یا پیچ و تاب ، داستان دیگری است. این می تواند انجام شود ، اما بسیار مشکل و پرهزینه می شود.
مگر اینکه طراحی شما به گونه ای منحصر به فرد نباشد که هیچ راه دیگری برای تولید اقتصادی وجود ندارد ، بهتر است از چاپ سه بعدی دوری کنید. حتی در مواردی که طراحی شما یک اسب شاخدار واقعی است ، ممکن است بهتر باشد شکل را به جای روش تولید خود تنظیم کنید.
چاپ سه بعدی مواد کامپوزیت مغناطیسی نرم
پس چرا ما به تولید افزودنی موضوع مورد علاقه خود، کامپوزیت های مغناطیسی نرم (SMC) نپرداخته ایم؟ممکن است به یاد داشته باشید که این "ابر پودرها" با یک لایه عایق الکتریکی پوشانده شده اند تا عملکرد مغناطیسی بهتری نسبت به لمینیت های فولادی ارائه دهند.
پاسخ کوتاه این است که فرآیند AM تا توانایی مدیریت SMC ها فاصله زیادی دارد. همانطور که ما صحبت می کنیم، ما به دنبال توسعه مواد و فرآیند در مورد این موضوع هستیم.
پاسخ طولانی؟
وقتی صحبت از اجزای موتور خودروهای الکتریکی، به ویژه استاتورها و روتورها می شود، دو نیروی محرکه در عملکرد وجود دارد - نفوذپذیری و از دست دادن هسته. تراکم جزء باعث نفوذپذیری می شود و لایه عایق اطراف SMC ها تلفات هسته را کاهش می دهد.
برای پرینت سه بعدی موفقیت آمیز یک جزء مغناطیسی نرم مانند این، محصول نهایی باید بسیار متراکم باشد و لایه عایق نمی تواند گرمای بیش از 1000 درجه فارنهایت یا بیشتر را تجربه کند.
اگرچه احتمالاً می توانید فردی را پیدا کنید که بگوید می تواند کامپوزیت های مغناطیسی نرم را به صورت سه بعدی پرینت کند، اما در واقعیت امروزه این فناوری توانایی ندارد. بایندر جتینگ در چگالی های بسیار کم چاپ می شود -- تا زمانی که کوره تف جوشی به قطعه اضافه شود، تراکم آن افزایش نمی یابد. در نتیجه، عملکرد مغناطیسی به میزان قابل توجهی کمتر از آنچه از SMC ها انتظار دارید پایان می یابد - حتی برای یک نمونه اولیه کافی نیست.
قطعات SMC را نمی توان در دماهای بالا زینتر کرد زیرا گرما لایه عایق بسیار مهم اطراف هر ذره را خراب می کند. پخت در دمای حدود 1000 درجه فارنهایت جداسازی گسسته ذرات را تضمین می کند. تمام متراکم شدن باید قبل از عمل آوری انجام شود.
ممکن است روزی بتوان نمونه اولیه اجزای SMC را با ساخت افزودنی ساخت. با این حال، امروز نیست و احتمالاً سال آینده هم نیست.
آینده پرینت سه بعدی فلزی (و متالورژی پودر) چیست؟
شرکت های تولید کننده افزودنی های فلزی در تلاش هستند تا در زمینه هایی فراتر از قطعات منحصر به فرد خودرو رقابتی تر شوند. اما در بیشتر موارد، استفاده از متالورژی پودر برای رفع نیازهای فعلی و آینده ساخت قطعات هنوز منطقی اقتصادی است.
به یاد داشته باشید، همه شرکت های فلز پودر از فناوری ها و مواد چند دهه ای استفاده نمی کنند. منابع زیر را بررسی کنید تا ببینید تامین کنندگان متالورژی پودر معمولی این روزها برای رقابت با مزایا و معایب پرینت سه بعدی فلز و سایر فرآیندهای تولید چه می کنند:
- نگاه مبتدیان به قطعات زینتر شده با دمای بالا
- مواد فلزی پودری: نمودار جریان بصری از امکانات
مقالات زیر مقایسه مستقیم تری متالورژی پودر در مقابل ریخته گری، آهنگری و سایر فرآیندها ارائه می دهند. یا برای مشاهده همه چیز، کتاب الکترونیکی رایگان زیر را دانلود کنید.
- قالب گیری تزریق فلز در مقابل. متالورژی پودر به روش قدیمی
- مزایای متالورژی پودر در مقابل. دایکستینگ
- پودر فلز در مقابلقطعات فورج شده: مزایا و معایب
- کامپوزیت مغناطیسی نرم در مقابلفولاد چند لایه: موارد استفاده و محدودیت ها
(یادداشت سردبیر: این مقاله در ابتدا در آوریل 2019 منتشر شد و به روز شد. ژوئن 2021)
