مقدمة
لقد أحدثت تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد ثورة في عمليات التصنيع في مختلف الصناعات، مما أتاح إنتاج نماذج أولية سريعة وإنتاج مكونات معقدة وخفيفة الوزن. ويُعد الألومنيوم من أكثر المواد استخدامًا في الطباعة المعدنية ثلاثية الأبعاد نظرًا لقوته العالية مقارنةً بوزنه، ومقاومته للتآكل، وموصلية حرارية وكهربائية ممتازة، وسهولة معالجته بعد ذلك.
من بين سبائك الألومنيوم المختلفة, مسحوق سبائك الألومنيوم 7050 يكتسب شعبية في تطبيقات الطباعة ثلاثية الأبعاد التي تتطلب قوة عالية وصلابة معتدلة. يحتوي الألومنيوم 7050 على الزنك والمغنيسيوم والنحاس كعناصر رئيسية في صناعة السبائك، ويوفر قوة مماثلة لبعض أنواع الفولاذ. تقدم هذه المقالة نظرة عامة على مسحوق سبائك الألومنيوم 7050 وتطبيقاته في الطباعة ثلاثية الأبعاد.
لمحة عامة عن مسحوق سبائك الألومنيوم 7050
تم تطوير مسحوق سبائك الألومنيوم 7050 في البداية في الخمسينيات من القرن الماضي للتطبيقات الهيكلية للطائرات عالية القوة. وهي جزء من سلسلة 7xxx من سبائك الألومنيوم المعروفة بقوتها الأعلى بين جميع سبائك الألومنيوم.
التركيب النموذجي لمسحوق سبائك الألومنيوم 7050 هو:
- الزنك: 6.2%
- المغنيسيوم: 2.3%
- النحاس: 2.2%
- الحديد: 0.15%
- السيليكون: 0.12% سيليكون: 0.12
- المنجنيز: 0.10%
- الكروم: 0.05%
- الزركونيوم: 0.25%.
توفر عناصر السبائك الرئيسية، وهي الزنك والمغنيسيوم، القوة من خلال التصلب بالترسيب بينما يحسّن النحاس من مقاومة التآكل. يُضاف الزركونيوم للتحكم في البنية الحبيبية.
الخصائص الرئيسية لمسحوق سبائك الألومنيوم 7050 هي:
- قوة عالية –؛ تبلغ قوة الخضوع 500 ميجا باسكال وقوة الشد 570 ميجا باسكال في مزاج T651.
- صلابة كسر جيدة –؛ حوالي 33 ميجا باسكال في المزاج T7351.
- قوة إجهاد ممتازة –؛ قوة إجهاد تبلغ حوالي 310 ميجا باسكال عند 107 دورات في المزاج T7351.
- مقاومة جيدة للتآكل –؛ بسبب سبائك النحاس.
- متوسطة الكثافة –؛ حوالي 2.83 جم/سم3.
- قابلية ممتازة للتشغيل الآلي وثبات الأبعاد أثناء المعالجة الحرارية.
إن الجمع بين القوة العالية والصلابة الجيدة والكثافة المعتدلة يجعل من 7050 خيارًا مثاليًا للأجزاء والمكونات الهيكلية التي تهدف إلى توفير الوزن.
مزايا سبائك الألومنيوم 7050 للطباعة ثلاثية الأبعاد
توفر سبائك الألومنيوم 7050 العديد من المزايا التي تجعلها مناسبة لتطبيقات الطباعة ثلاثية الأبعاد:
نسبة قوة إلى وزن عالية
ينتج عن القوة العالية نسبيًا إلى جانب الكثافة المتوسطة نسبة قوة إلى وزن ممتازة للألومنيوم 7050. وهذا يسمح بتصميم أجزاء مطبوعة ثلاثية الأبعاد خفيفة الوزن بخصائص ميكانيكية كافية.
تتيح القوة العالية لـ 7050 الطباعة ثلاثية الأبعاد للمكونات المخصصة للتعامل مع الضغوط والضغوط وأحمال التشغيل العالية. وفي الوقت نفسه، تؤدي الكثافة المنخفضة مقارنةً بالفولاذ وسبائك التيتانيوم إلى توفير الوزن.
قابلية طباعة جيدة
يمكن تشكيل جزيئات المسحوق 7050 على النحو الأمثل في شكل كروي أو شبه كروي باستخدام تقنيات الانحلال المناسبة. وهذا يسمح بالتدفق السلس للمسحوق والانتشار المنتظم لطبقات المسحوق أثناء الطباعة ثلاثية الأبعاد.
تمنع الموصلية الحرارية الممتازة للألومنيوم أيضًا حدوث مشكلات مثل الالتواء والإجهادات المتبقية أثناء الطباعة. وينتج عن ذلك قابلية طباعة جيدة ودقة أبعاد لأجزاء مسحوق سبائك الألومنيوم 7050 المطبوعة.
قابلية المعالجة الحرارية
يمكن معالجة مسحوق سبائك الألومنيوم 7050 من سبائك الألومنيوم بالحرارة لتحقيق الخصائص المرغوبة مثل القوة العالية. تسمح الطباعة في حالة التلدين متبوعة بالمعالجة الحرارية بعد الطباعة بتخصيص الخصائص حسب متطلبات التطبيق.
يمكن استخدام المعالجة بالمحلول والتبريد والتعتيق لتحقيق القوة المثلى في درجات الحرارة T6 وT7. كما يمكن أن يؤدي العمل على البارد بين دورات التقادم في 7050 إلى زيادة قوة الخضوع إلى ما يزيد عن 550 ميجا باسكال.
مقاومة التآكل
وتوفر إضافة النحاس مقاومة جيدة للتآكل للألومنيوم 7050 في العديد من التطبيقات الإنشائية. وهذا يغني عن الحاجة إلى طلاءات متخصصة في بعض الحالات، مما يسهل الطباعة والمعالجة اللاحقة.
قابلية اللحام
يتميّز مسحوق سبائك الألومنيوم 7050 بقابلية لحام أفضل من العديد من سبائك 7xxx الأخرى عالية القوة. وهذا يسمح بلحام الأجزاء المطبوعة ثلاثية الأبعاد 7050 ببعضها البعض أو بالمكونات المصنوعة باستخدام التصنيع التقليدي، مما يزيد من مرونة التصميم.
يمكن استخدام اللحام بتقليب الاحتكاك واللحام بقوس التنغستن الغازي لربط الألومنيوم 7050 دون فقدان كبير في خصائص المعدن الأساسي.
فعالية التكلفة
يعتبر مسحوق سبائك الألومنيوم 7050 من سبائك الألومنيوم 7050 أقل تكلفة من سبائك الفضاء الأخرى عالية القوة مثل التيتانيوم. وهذا يجعل 7050 خيارًا اقتصاديًا للعديد من الصناعات التي تهدف إلى تقليل الوزن وتكاليف المواد.
كما أن قابلية إعادة التدوير الجيدة للألومنيوم والقدرة على إعادة استخدام مسحوق الخردة تزيد من فعالية التكلفة. يمكن أن تصل نسبة الشراء إلى الطيران لمكونات الألومنيوم المطبوعة ثلاثية الأبعاد إلى 1:1.
تطبيقات مكونات الألومنيوم 7050 المطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد
تجعل الخصائص الفريدة لمسحوق سبائك الألومنيوم 7050 من سبائك الألومنيوم مناسبًا للاستخدامات التالية:
تطبيقات الفضاء الجوي
تُعد صناعة الطيران واحدة من الشركات الرائدة في مجال الطباعة المعدنية ثلاثية الأبعاد باستخدام سبائك الألومنيوم. يمكن استخدام الألومنيوم 7050 بقوته العالية وصلابته في الكسر وقوة إجهاده لطباعة مكونات المجال الجوي التالية:
- الإطارات الهيكلية والأقواس الهيكلية
- موانع تسرب الطائرات، والقنوات، والمبيتات
- شفرات التوربينات، والمبادلات الحرارية، وأجزاء مجموعة نقل الحركة
- مكونات الطائرات بدون طيار/طائرة بدون طيار مثل حوامل المحرك ومعدات الهبوط
تساعد الطباعة ثلاثية الأبعاد في صناعة أجزاء خفيفة الوزن من محركات الطيران ذات التصميمات المحسّنة والأشكال الهندسية المعقدة. تستخدم شركتا جنرال إلكتريك وسافران سبيكة 7050 لطباعة أجزاء المحركات النفاثة وتحقق وفورات في الوزن بنسبة 50% مقارنة بالتصنيع التقليدي.
قطع غيار السيارات
يمكن لسبائك الألومنيوم مثل 7050 أن تحل محل المكونات الفولاذية الثقيلة في السيارات وتساعد في تخفيف الوزن. تتضمن بعض الأمثلة على قطع السيارات المطبوعة ثلاثية الأبعاد باستخدام الألومنيوم 7050 ما يلي:
- الهيكل، ومجموعة نقل الحركة، ومكونات نظام التعليق مثل أذرع التحكم
- جنوط العجلات
- مكابح وأقراص الفرامل
- أغلفة ومبيتات ناقل الحركة
- المبادلات الحرارية والمبردات البينية
تتيح الطباعة ثلاثية الأبعاد دمج التجميعات متعددة الأجزاء في مكونات مطبوعة واحدة للسيارات. وقد اختبرت شركتا فورد وبوجاتي أجزاء السيارات المطبوعة ثلاثية الأبعاد من الألومنيوم لسيارات السباق والإنتاج.
الإلكترونيات الاستهلاكية
يستخدم قطاع الإلكترونيات الاستهلاكية الطباعة ثلاثية الأبعاد في صناعة الإلكترونيات الاستهلاكية في منتجات مثل
- أجهزة الكمبيوتر المحمولة والهواتف المحمولة والأجهزة اللوحية والأجهزة القابلة للارتداء
- الطابعات المكتبية ثلاثية الأبعاد وأجهزة الكمبيوتر المكتبية
- أجهزة الألعاب وملحقاتها
- أجهزة الصوت والفيديو المتطورة
تستخدم Apple سبائك الألومنيوم 7050 لصنع غلاف أجهزة كمبيوتر Mac Pro المحمولة مع الطباعة الانتقائية بالتلبيد بالليزر ثلاثي الأبعاد لزيادة القوة والإدارة الحرارية.
مكونات الروبوتات
يمكن طباعة العديد من المشغّلات وأجزاء مجموعة نقل الحركة والمفاصل والحوامل والمستجيبات الطرفية في الروبوتات طباعة ثلاثية الأبعاد من سبائك الألومنيوم للحصول على أداء خفيف الوزن وعالي القوة تحت الأحمال الديناميكية. مسحوق سبائك الألومنيوم 7050 مناسب للأجزاء الروبوتية في:
- الروبوتات الصناعية
- الروبوتات التعاونية
- الهياكل الخارجية
- الطائرات بدون طيار والطائرات بدون طيار
- الروبوتات والمركبات الفضائية
الأجهزة الطبية
توفر الأدوات الجراحية المطبوعة ثلاثية الأبعاد وزراعة الأسنان والأطراف الصناعية والأدوات الطبية باستخدام الألومنيوم 7050 القوة المطلوبة للتطبيقات الحاملة مع التوافق الحيوي.
معدات الدفاع
يؤدي تخفيف وزن المركبات والمعدات العسكرية مثل حاملات الطائرات والدبابات والمدفعية باستخدام مكونات مطبوعة ثلاثية الأبعاد 7050 إلى تحسين القدرة على الحركة. كما يمكن للدروع المصنوعة من الألومنيوم توفير الحماية مع توفير الوزن مقارنة بالدروع الفولاذية التقليدية.
معلمات المعالجة للطباعة ثلاثية الأبعاد للألومنيوم 7050
عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد الأكثر ملاءمة لسبائك الألومنيوم هي عملية دمج طبقة المسحوق، والتي تستخدم مصدر حرارة مركّز مثل الليزر أو شعاع الإلكترون لإذابة جزيئات المسحوق ودمجها طبقة تلو الأخرى بشكل انتقائي.
تقنيات قاع المسحوق المختلفة المستخدمة للألومنيوم 7050 هي:
- التلبيد المباشر بالليزر المعدني (DMLS)
- الصهر الانتقائي بالليزر الانتقائي (slm)
- الذوبان بالحزمة الإلكترونية (EBM)
النطاق النموذجي لمعاملات المعالجة النموذجية للألومنيوم 7050 هي:
الليزر والبصريات
- طاقة الليزر: 100-500 واط
- سرعة المسح بالليزر: 100-1000 مم/ثانية
- تباعد الفتحات: 0.1-0.2 مم
- سُمك الطبقة: 20-100 ميكرومتر
سرير المسحوق
- حجم جسيمات المسحوق: 15-45 ميكرومتر
- درجة حرارة قاع المسحوق: درجة حرارة الغرفة للإدارة الآلية لسحب المسحوق من القاع (SLM/DMLS)، 600-850 درجة مئوية للإدارة الإلكترونية
الغلاف الجوي الخامل
- محتوى الأكسجين أقل من 0.1% في SLM/DMLS
- تفريغ الهواء من أجل EBM
بالنسبة إلى تقنية DMLS/SLM، يساعد التسخين المسبق إلى أقل من نقطة الانصهار مباشرة، أي حوالي 500 درجة مئوية، على تقليل الإجهادات المتبقية. كما تقلل درجة حرارة طبقة المسحوق المرتفعة في EBM من الإجهادات.
بالإضافة إلى ذلك، يؤثر اتجاه الجزء وهياكل الدعم واستراتيجيات المسح الضوئي على الضغوط المتبقية وجودة الطباعة. يسمح كل من SLM وEBM بالطباعة السريعة لأجزاء الألومنيوم الكثيفة 7050 بخصائص قريبة من التصنيع التقليدي.
المعالجة اللاحقة لأجزاء الألومنيوم 7050 المطبوعة ثلاثية الأبعاد
بعد الطباعة، يتم عادةً استخدام خطوات ما بعد المعالجة التالية:
- الإزالة من لوحة البناء: طرق تقليدية مثل النشر الشريطي والقطع والتفريغ الكهربائي. تم تصغيرها لتسهيل فصل الأجزاء باستخدام واجهات مثل طبقات التحرير.
- إزالة الدعم: تتم إزالة الدعامات باستخدام الكماشة أو القواطع أو الذوبان في حمامات كاوية.
- المعالجة الحرارية: لتحقيق الخواص الميكانيكية المرغوبة والبنية المجهرية للمادة. بالنسبة للمادة 7050، يتضمن ذلك المعالجة بالمحلول والتبريد والتعتيق.
- تشطيب السطح: ينطوي على إزالة المخالفات السطحية باستخدام تقنيات مثل السفع بالرمل والطحن والتبطين والتلميع. يمكن أيضًا إجراء عملية الصقل بالخردقة لتحفيز الضغوط الانضغاطية.
- فحص الجودة: التأكد من أن الأبعاد والتفاوتات وخصائص المواد النهائية مطابقة للمتطلبات المحددة. يتم استخدام طرق اختبار مثل القياس الإحداثي واختبار الشد والتقييم غير المتلف.
- شهادة الجزء: التحقق من جودة قطع الطيران لضمان الامتثال للمعايير التنظيمية في صناعة الطيران. يقلل بشكل كبير من الوقت المستغرق مقارنةً بسير العمل التقليدي.
تعمل أتمتة عمليات ما بعد المعالجة على تحسين قابلية التكرار وتقليل الوقت الإجمالي لإنتاج القِطع. يعد دمج الطباعة وما بعد المعالجة في أداة ماكينة واحدة اتجاهًا ناشئًا.
مزايا وتحديات الطباعة ثلاثية الأبعاد للألومنيوم 7050 الألومنيوم 7050
تتضمن بعض الفوائد الرئيسية للطباعة ثلاثية الأبعاد لقطع الألومنيوم 7050 ما يلي:
- إنقاص الوزن –؛ يقلل الوزن بنسبة تزيد عن 50% مقارنة بالقطع الفولاذية، ويحسن كفاءة استهلاك الوقود
- كفاءة التكلفة –؛ انخفاض التكاليف مقارنةً بسبائك التيتانيوم، وانخفاض خسائر الخردة
- دمج الأجزاء –؛ يسمح بالتركيبات الهندسية المعقدة والمحسّنة ويجمع التجميعات في أجزاء مفردة
- التصنيع السريع –؛ مهل زمنية أقصر بكثير، وتسريع تطوير المنتجات
- قوة عالية –؛ الخواص الميكانيكية تتجاوز الألومنيوم المصنع تقليديًا
- التخصيص –؛ يسهل الأجزاء ذات ميزات التصميم الخاصة بالعميل
- الاستدامة –؛ إعادة استخدام مسحوق الألومنيوم، صديق للبيئة نسبيًا
ومع ذلك، هناك بعض التحديات التي تحتاج إلى النظر فيها:
- ارتفاع تكاليف المعدات –؛ تتطلب الطابعات وأنظمة مناولة المساحيق استثمارات كبيرة
- تحسين العملية –؛ تحتاج معلمات متعددة إلى الضبط للحصول على مطبوعات عالية الجودة
- المؤهلات المادية –؛ تعتمد الخواص الميكانيكية على عملية الطباعة المحسّنة
- المعالجة اللاحقة –؛ ينطوي على خطوات متعددة، ويتطلب وقتًا وتكلفة باهظة
- قيود حجم الجزء –؛ مقيد بأبعاد غلاف الطابعة
- تشطيب السطح –؛ قد يتطلب الأمر معالجة آلية تقليدية أو تشطيبات أخرى
بشكل عام، تفوق مزايا البنية خفيفة الوزن وتوحيد الأجزاء ومرونة التصميم التحديات الموضحة أعلاه لمعظم التطبيقات.
التوقعات المستقبلية للطباعة ثلاثية الأبعاد بمسحوق سبائك الألومنيوم 7050
من المتوقع أن ينمو استخدام سبائك الألومنيوم خفيفة الوزن وعالية القوة بشكل كبير في الطباعة ثلاثية الأبعاد في مجالات الطيران والسيارات وغيرها من الصناعات التي تهدف إلى تصميم خفيف الوزن.
وضمن سبائك الألومنيوم، سيستمر 7050 في العثور على تطبيقات متزايدة نظرًا لخصائص قوته الفائقة القريبة من الفولاذ إلى جانب كثافته المعتدلة. ومن المتوقع أن تمثل سبائك الألومنيوم أكثر من 25% من إجمالي الأجزاء المعدنية المصنوعة من الألومنيوم المضغوط بحلول عام 2025.
الاتجاهات الرئيسية التي ستزيد من اعتماد الطباعة ثلاثية الأبعاد من الألومنيوم 7050 هي
- تحسينات العمليات –؛ سيؤدي تحسين المعلمات والمعالجة اللاحقة المتكاملة ومراقبة الجودة إلى تمكين الطباعة ثلاثية الأبعاد على قدم المساواة مع التصنيع التقليدي.
- تخفيضات التكلفة –؛ ستؤدي زيادة الإنتاجية وتحسين سلسلة التوريد وإعادة التدوير إلى خفض التكاليف.
- التطبيقات الجديدة –؛ سيؤدي الابتكار في قطاعات مثل الطب والبحرية والفضاء والدفاع إلى زيادة الطلب على قطع الألومنيوم المطبوعة ثلاثية الأبعاد.
- إمكانات موسعة –؛ ستسهل أحجام البناء الأكبر، والطباعة متعددة المواد، والاعتماد السريع للتطبيقات.
- تكامل الأتمتة –؛ سيؤدي تضمين الطباعة ثلاثية الأبعاد في أنظمة التصنيع الرقمية إلى تحسين اعتمادها.
على المدى الطويل، ستصبح الطباعة ثلاثية الأبعاد باستخدام مسحوق سبائك الألومنيوم 7050 تقنية إنتاج سائدة في العديد من القطاعات الصناعية نظرًا لفوائدها الفريدة.
خاتمة
توفر سبيكة الألومنيوم 7050 مزيجًا مثاليًا من القوة العالية وصلابة الكسر وقابلية اللحام ومقاومة التآكل المطلوبة في المكونات الهيكلية والحاملة لمكونات الطيران والسيارات وغيرها من التطبيقات الصعبة.
تعمل الطباعة ثلاثية الأبعاد باستخدام مسحوق الألومنيوم 7050 على تسهيل الأشكال الهندسية المعقدة والهياكل خفيفة الوزن والتصنيع السريع الذي لا يمكن تحقيقه من خلال التقنيات التقليدية. وهي توفر فرصًا كبيرة لخفض الوزن وتوفير التكاليف وتقليل الوقت اللازم للتصنيع ومرونة التصميم في العديد من الصناعات.
مع التحسينات المستمرة في عمليات الطباعة ثلاثية الأبعاد، وخصائص المواد، ومعايير الجودة، واعتماد القطع، تستعد سبائك الألومنيوم 7050 لتصبح مادة ذات قيمة عالية للتصنيع الرقمي في السنوات القادمة. وستستمر تطبيقاتها في الارتفاع مدفوعة بالدافع للتصميم خفيف الوزن في قطاعات النقل والدفاع والسلع الاستهلاكية والقطاعات الصناعية.