مهندسان دانشگاه ویسکانسین مدیسون (UW-Madison) با کاهش سه عیب رایج به طور همزمان به پیشرفت بزرگی در تولید افزودنی های فلزی دست یافته اند. این پیشرفت، به رهبری دانشیار لیانی چن و تیم تحقیقاتی او، می تواند راه را برای پذیرش گسترده تر صنعت همجوشی بستر پودر لیزری، یک تکنیک برجسته چاپ سه بعدی، هموار کند.
این تحقیق که در 16 نوامبر 2024 در ژورنال بین‌المللی ماشین‌آلات و ساخت منتشر شد، جزئیات چگونگی شناسایی مکانیسم‌ها و بهینه‌سازی شرایط پردازش را برای رفع نقص‌هایی که مدت‌هاست پرینت سه‌بعدی فلز را با مشکل مواجه کرده است، نشان می‌دهد.
چن گفت: «تحقیقات قبلی معمولاً بر کاهش یک نوع نقص متمرکز بوده است، اما این امر مستلزم استفاده از تکنیک‌های دیگر برای کاهش انواع باقی‌مانده نقص است. ما رویکردی را توسعه دادیم که می‌تواند تمام عیوب – منافذ، سطوح ناهموار و پاشش‌های بزرگ – را به یکباره کاهش دهد. علاوه بر این، رویکرد ما به ما این امکان را می‌دهد که قطعه‌ای را بسیار سریع‌تر و بدون هیچ گونه کاهش کیفیت تولید کنیم.»
غلبه بر چالش ها در پرینت سه بعدی فلزی
تولید افزودنی های فلزی توانایی ایجاد اشکال پیچیده ای را ارائه می دهد که تولید سنتی نمی تواند به آن دست یابد. این امر آن را برای صنایعی مانند هوافضا، پزشکی و انرژی بسیار جذاب می کند. با این حال، نقص هایی مانند منافذ (حفره ها)، سطوح ناهموار و پاشش های بزرگ به طور قابل توجهی قابلیت اطمینان و دوام قطعات فلزی پرینت سه بعدی را محدود کرده است.
این نقص ها به ویژه برای برنامه هایی که خرابی قطعه یک گزینه نیست، مشکل ساز است. روش تیم UW-Madison نه تنها کیفیت را بهبود می بخشد، بلکه سرعت تولید را نیز افزایش می دهد و به دو چالش مهم در همجوشی بستر پودر لیزری می پردازد.
نقش پرتو لیزر حلقه ای شکل
این پیشرفت به جایگزینی پرتو لیزر سنتی گاوسی شکل با پرتو لیزر حلقه‌ای شکل نوآورانه‌ای که توسط nLight، یک شرکت پیشرو در فناوری لیزر ارائه شده است، بستگی دارد. این شکل پرتو جدید نقش مهمی در کاهش ناپایداری فرآیند در طول چاپ ایفا کرد.
محققان از تصویربرداری پرتو ایکس سنکروترون با سرعت بالا در منبع فوتون پیشرفته آزمایشگاه ملی Argonne برای مشاهده رفتار مواد در طول چاپ استفاده کردند. این تیم با ترکیب این بینش ها با تجزیه و تحلیل نظری و شبیه سازی های عددی، مکانیسم هایی را شناسایی کردند که نقص ها را کاهش داده و فرآیند همجوشی بستر پودر لیزر را تثبیت می کند.
افزایش بهره وری بدون کاهش کیفیت
پرتو لیزر حلقه‌ای شکل نیز نفوذ عمیق‌تری مواد را بدون ایجاد بی‌ثباتی امکان‌پذیر می‌کند و به تیم اجازه می‌دهد لایه‌های ضخیم‌تری از فلز را چاپ کند. این تعدیل به طور قابل توجهی بهره وری تولید را بدون به خطر انداختن کیفیت افزایش داد.
چن گفت: «از آنجایی که مکانیسم‌های زیربنایی را درک می‌کردیم، می‌توانستیم سریع‌تر شرایط پردازش مناسب برای تولید قطعات با کیفیت بالا را با استفاده از پرتو حلقه‌ای شکل شناسایی کنیم.
این ترکیب کاهش عیب و افزایش بهره وری پتانسیل تغییر در ساخت قطعات فلزی با کارایی بالا را دارد، به ویژه برای صنایعی که نیاز به قابلیت اطمینان بدون خرابی دارند.
کار تیمی و نوآوری Propel Metal 3D Printing Forward
این کار نوآورانه از طریق همکاری بین محققان UW-Madison، از جمله Qilin Guo، Luis Escano، Ali Nabaa، و پروفسور Tim Osswald، در کنار کارشناسان Samuel Clark و Kamel Fezzaa از آزمایشگاه ملی Argonne امکان پذیر شد. این تیم با حمایت مالی از بنیاد ملی علوم و بنیاد تحقیقات فارغ التحصیلان ویسکانسین، به چالش های حیاتی در تولید افزودنی های فلزی پرداختند.
محققان با مقابله همزمان با عیوب مانند منافذ، سطوح ناهموار و پاشش، نه تنها کیفیت قطعه را افزایش دادند، بلکه به بهبود بهره وری قابل توجهی نیز دست یافتند. این پیشرفت استاندارد جدیدی را برای قابلیت اطمینان و کارایی همجوشی بستر پودر لیزری ایجاد می‌کند و آن را برای کاربردهای حیاتی در صنایعی مانند هوافضا، پزشکی و انرژی قابل استفاده‌تر می‌کند.
پرتو لیزر حلقه‌ای شکل نوآورانه و مکانیسم‌های کاهش نقص که توسط این تیم کشف شده‌اند، پتانسیل پذیرش صنعتی گسترده‌تر پرینت سه بعدی فلزی، بهبود تولید قطعات با کیفیت بالا و بدون خرابی را دارند.
منبع: engineering.wisc.edu
منبع: https://3dprinting.com/news/breakthrough-in-laser-powder-bed-fusion-mitigates-multiple-defects-for-reliable-metal-3d-printing/
