دستگاه نمونه سازی سریع قطعات فلزی با استفاده از فناوری لایه نشانی پودر به روش ذوب لیزری

پس از چند سال تحقیقات دانشگاهی و صنعتی فراوان و انجام آزمایشات متعددی که جهت دستیابی به این فناوری که از جمله فناوریهای پیشرفته (High Tech) می باشد، موفق به ساخت نمونه آزمایشگاهی دستگاه نمونه سازی سریع قطعات فلزی با استفاده از فناوری لایه نشانی پودر به روش ذوب لیزری شدیم.

با توجه به تحقیقات به عمل آمده دستگاهی طراحی شده است که قادر به تولید قطعات تف جوشی لیزری باشد به گونه ای كه بتواند پارامتر‌های بهینه فرآیند را ایجاد نماید. علاوه بر این امكان وجود پیش گرم نیز در این دستگاه لحاظ شده است. جهت حفاظت قطعات از گاز‌های فعال، محفظه ای طراحی شده که می تواند از ورود اکسیژن محیط به داخل آن جلوگیری کند و تا پایان تولید تمامی عملیات داخل این محیط محافظ صورت می گیرد.

این دستگاه در ایران برای اولین بار ساخته شده است و گواهی ثبت اختراع و تأییدیه ثبت اختراع سطح سه بنیاد ملی نخبگان را نیز دارا می باشد. در جهان نیز در کشورهای پیشرفته تحقیقات فراوانی روی این فناوری در حال انجام است. البته به دلیل کاربرد نظامی و هسته ای این دستگاه، خریداری نمونه های مشابه خارجی امکان پذیر نمی باشد و کنترل بسیار شدیدی روی فروش این دستگاه ها به ایران خواهد شد.

روشهای نمونه سازی سریع در دهة هشتاد ایجاد شدند. روش تولید سریع قطعات فلزی با کمک لایه نشانی با استفاده از فناوری لیزری قادر است تا قطعات فلزی را بدون نیاز به هیچ پس پردازشی مستقیما از پودر فلز تولید نماید.

روشهای نمونه سازی سریع بر سه پایة جامد، مایع و پودر تقسیم شده اند. مقایسه این روشها مشخص می سازد كه روشهای مبتنی بر پودر‌های فلزی قابلیت تولید قطعاتی با خصوصیات فلز پایه را داراست. در این طرح به بررسی مكانیزم تف‌جوشی و ذوب جزئی پودر‌های فلزی پرداخته شده است.

روش جامد‌سازی مواد پودری با استفاده از منبع حرارتی مانند یک سیستم لیزری برای اولین بار توسط کریود و هوشهولدر ابداع شد. برای تولید قطعات فلزی با کمک فرآیند تف‌جوشی لیزری سه روش عمدۀ تف‌جوشی لیزری غیرمستقیم فلز، ذوب لیزری، و تف‌جوشی لیزری مستقیم فلـز وجود دارد. در تمام این موارد مکانیزم تولید قطعه به صورت لایه ای با استفاده از مواد یکسان و همگن در خلال هر لایه می‌باشد. هر لایه با پایین رفتن بستر کار به میزان ضخامت مورد نظر و پرشدن این مقدار با پودر به دست می آید. زمانی که آخرین لایه از قطعه تف جوشی می شود فرآیند تولید پایـان یافته و قطعه تف جوشی شده از میان پودر خارج می گردد.

اصل كلی شكل گیری قطعات ساخته شده از پودر فلز، اتصال آنها به یكدیگر با كمك منبع انرژی متمركز (عموماً لیزر) می باشد. مكانیزمهای مختلفی برای اتصال پودر‌های فلزی توسط لیزر وجود دارد. اما این مكانیزمها در ساخت و تولید سریع شامل سه دستة اتصال شیمیایی، تف جوشی فاز مایع (ذوب جزئی) و ذوب كامل می باشد. بهترین خصوصیات برای قطعه ای است كه توسط مكانیزم ذوب كامل تولید می شود. علاوه بر این اغلب آزمایش ها نیز این مكانیزم را بهترین برای تولید قطعاتی با كیفیت فلز پایه می دانند.

توجیه علمی و اقتصادی

• به دلیل تحریم های ویژه ای که روی این فناوری از طرف کشورهای پیشرفته اعمال می گردد و همچنین قیمت بسیار بسیار بالای نمونه مشابه خارجی این دستگاه (در حدود 550 هزار یورو)، با طراحی و ساخت نمونه صنعتی این دستگاه امکان ساخت قطعات بسیار پیچیده میسر می شود که تولید تک تک این قطعات صرفه جویی اقتصادی قابل ملاحظه ای را برای تمامی صنعت ها فراهم می کند.

• پرینترهای سه بعدی موجود در بازار، فقط قطعات گچی یا پلیمری را تولید می کنند که بیشتر جنبه امور تبلیغاتی و نمونه های ظاهری از شکل قطعات را دارند. در این روش می توان قطعاتی با کاربرد صنعتی و یا به عبارت دیگر قطعات فلزی و یا آلیاژی تولید نمود و مستقیما از آنها استفاده کرد.

• با توجه به اینکه بعضی از صنایع مانند صنایع نظامی اکثرا قطعات تولیدی با تیراژ پایین و شکل هندسی بسیار پیچیده ای دارند، قیمت تمام شده آنها بسیار بالا بوده و همچنین قادر به تولید این قطعات بسیار پیچیده به روش های سنتی نمی باشیم.

• در روش تولید سریع به کمک لایه نشانی پودر با استفاده از فناوری ذوب لیزری پیچیدگی قطعات تاثیری در فرآیند تولید به هیچ عنوان نداشته و امکان تولید حتی یک قطعه نیز میسر می باشد. بنابراین هزینه های بسیار بالای ساخت قالبهای پیچیده و زمان بسیار زیادی که صرف ساخت آنها می شود در این روش حذف خواهند شد.

• در روشهای سنتی باید از یک بلوک خام قسمت هایی از ماده را ماشینکاری کرد تا به قطعه موردنظر برسیم، بنابراین قسمت زیادی از ماده به ضایعات تبدیل می شود. در متریالهایی که ارزش بالایی دارند مانند تیتانیوم، در روش سنتی هزینه بسیار بالایی برای تهیه بلوک خام نسبت به جرم قطعه نهایی صرف می شود در صورتی که در ساخت این قطعات به روش نمونه سازی سریع فقط به میزان جرم قطعه پودر فلز مصرف می شود و باقی مانده پودر دوباره و چند باره می تواند مصرف گردد. به عبارت دیگر می توان گفت که ضایعات در این روش تقریباً صفر می باشد.

• با این روش هر قطعه ای و یا طرحی که مهندسین به کمک کامپیوتر طراحی کنند بدون توجه به پیچیدگی طرح، قابل تولید می باشد بنابراین در این روش می توان قطعات نظامی را سبک تر و کارآمدتر از نمونه های موجود تولید کرد.

• در این روش برای تولید انواع قالبها مانند قالب دایکاست، قالب تزریق پلاستیک با کارایی بالاتر نسبت به روش های سنتی استفاده کرد. به دلیل اینکه سیستم خنک کاری بسیار مناسب تری را می توان در آنها طراحی نمود و همچنین مسیر عبور آب در این قالبها را به هیچ روش دیگری نمی توان تولید کرد چرا که شکل مارپیچ چرخش آب 70 درصد خنک کاری قالب را افزایش داده که طول عمر قالب 2 الی 3 برابر خواهد شد.

• از طرفی استفاده از انواع مختلف متریالهای آلیاژی در موارد متعددی جهت تامین بلوک های خام از آلیاژ ویژه ای با ابعاد مورد نظر مشکلات فراوانی پیش روی صنایع نظامی خاص می باشد. در صورتی که با این روش می توان فقط با استفاده از پودر این فلزات به سادگی و به همان میزان جرم نهایی قطعه، آنها را تولید کرد.