ما هي مادة AM؟

مقدمة

يُعد التصنيع الإضافي (AM)، المعروف أيضًا باسم الطباعة ثلاثية الأبعاد، نهجًا تحويليًا للإنتاج الصناعي يتيح إنشاء أجزاء خفيفة الوزن ومتينة مباشرةً من النماذج الرقمية. أحد العوامل الرئيسية التي تمكّن تكنولوجيا التصنيع الإضافي هو تطوير مواد متطورة يمكن معالجتها إلى مكونات معقدة ثلاثية الأبعاد ذات خصائص ميكانيكية فائقة. مواد AM ضرورية لإنتاج أجزاء عالية الجودة باستخدام طرق الطباعة ثلاثية الأبعاد. ستقدم هذه المقالة نظرة متعمقة على مواد AM، بما في ذلك الخصائص الرئيسية والفئات والمعادن والبوليمرات والسيراميك والمواد المركبة وغيرها.

نظرة عامة على مواد AM

تشير مواد AM إلى المواد الخام مثل المعادن والبوليمرات والسيراميك والمواد المركبة التي تُستخدم كمادة وسيطة لعمليات الطباعة ثلاثية الأبعاد. وتؤثر خصائص مواد التصنيع باستخدام الإضافات المعززة تأثيرًا كبيرًا على الأداء الميكانيكي والدقة والتشطيب السطحي والخصائص الأخرى للأجزاء المطبوعة. يجب أن تمتلك المواد المستخدمة في الطباعة ثلاثية الأبعاد خصائص معينة:

• القدرة على تشكيلها في خيوط أو مسحوق أو راتينج أو غيرها من الأشكال الأخرى التي تتطلبها تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد المختلفة
• القدرة على التدفق أو الانصهار أو الترابط معًا أثناء عملية بناء طبقة تلو الأخرى
• سلامة وقوة هيكلية كافية لتشكيل أجسام معقدة ثلاثية الأبعاد بدون عيوب
• الخصائص المعدنية والكيميائية والسمات الكيميائية والبنية المجهرية لتقديم خصائص المواد المطلوبة في الأجزاء النهائية

تشمل الفئات الأكثر استخدامًا لمواد التصنيع باستخدام الإضافات المعدنية المعادن والبوليمرات والسيراميك والمواد المركبة. وتتميز كل مادة بخصائص مميزة مناسبة للتطبيقات المختلفة للتصنيع الإضافي.

خصائص المواد الرئيسية لصناعة الصنوبر المصغّر

هناك العديد من الخصائص المهمة للمواد التي تحدد مدى ملاءمتها وأدائها في عمليات التصنيع الإضافي:

قابلية الطباعة

تشير قابلية الطباعة إلى قدرة المادة على معالجتها بواسطة ماكينات الطباعة ثلاثية الأبعاد إلى أجسام دقيقة وقوية. تحتاج المواد إلى خصائص مثل التدفق المناسب للذوبان ومورفولوجيا الجسيمات وسلوك الانتشار لتتم طباعتها بنجاح.

القوة

يجب أن تتمتع مواد AM بقوة عالية لتحمل القوى والاحتفاظ بشكلها دون تشقق أو تشوه في الأجزاء النهائية. القوة مهمة في المكونات الحاملة للوزن.

الصلابة

الصلابة هي القدرة على امتصاص الضغوط الميكانيكية أو الحرارية دون حدوث كسر قبل الأوان. تتطلب مواد AM صلابة جيدة لإنتاج مكونات متينة.

الخواص الحرارية

تسمح درجة حرارة الذوبان المناسبة وحركية التصلب والتوصيل الحراري بصهر مواد AM وترسيبها وتصلبها بدقة طبقة تلو الأخرى أثناء الطباعة.

الخواص الانسيابية

يؤثر سلوك التدفق واللزوجة لمواد AM المصهورة أو المترسبة على دقة الأجزاء المطبوعة وتشطيب سطحها. تعزز الخصائص الانسيابية المثالية التدفق والترابط السلس.

الكثافة

يجب أن تظهر مواد AM كثافة عالية في الأجزاء النهائية لتوفير الوظائف وجودة السطح والسلامة الهيكلية للمكونات المطبوعة. يمكن أن تؤدي الكثافة المنخفضة إلى الإضرار بالأداء الميكانيكي.

فئات مواد AM

هناك أربع فئات رئيسية من المواد المستخدمة في التصنيع الإضافي:

معادن ل AM

تتم معالجة المعادن بشكل شائع عن طريق عمليات الاندماج القاعي للمساحيق والترسيب الموجه للطاقة AM. تشمل المعادن الشائعة ما يلي:

• الفولاذ المقاوم للصدأ - قوة ممتازة ومقاومة ممتازة للتآكل والتوافق الحيوي تجعله مثاليًا للأجزاء المصنعة في قطاعات الطيران والسيارات والطب والعديد من القطاعات الأخرى. يتم استخدام درجات مختلفة من السبائك بما في ذلك 316L، 17-4PH، 15-5PH.
• الألومنيوم - معروف بخفة وزنه وخصائصه الحرارية وقوته. يستخدم في مكونات الطيران وقطع غيار السيارات والمبادلات الحرارية والسلع الاستهلاكية. سبائك 6061 تحظى بشعبية كبيرة.
• التيتانيوم - معدن قوي للغاية وخفيف الوزن في الوقت نفسه ذو قيمة عالية في التطبيقات الفضائية. تشمل الدرجات Ti6Al4V وTi64. يوفر توافقاً حيوياً للغرسات الطبية.
• سبائك النيكل - سبائك النيكل الفائقة المقاومة للحرارة والتآكل القائمة على النيكل، مثل إنكونيل 625 و718. تستخدم للأدوات وشفرات التوربينات والأجزاء في البيئات القاسية.
• الكوبالت-الكروم - سبائك من الكوبالت والكروم توفر قوة وصلابة وتوافقًا حيويًا عاليًا لغرسات تقويم العظام والأسنان.
• المعادن الثمينة - معادن وسبائك الذهب والفضة ومجموعة البلاتين المستخدمة بشكل أساسي في المجوهرات والإلكترونيات وقطع الديكور.

البوليمرات لصناعة الصوديوم المضغوط

تتم معالجة البوليمرات الملدنة بالحرارة والبوليمرات القابلة للضوء باستخدام طرق البثق والبلمرة الضوئية في الحوض والبوليمرات الضوئية في الحوض وطرق تكبير حجم المسحوق القاعي. بعض بوليمرات AM الشائعة:

• ABS (أكريلونيتريل بوتادين ستايرين) - قوي وخفيف الوزن، يُستخدم في النماذج الأولية وأجزاء الاستخدام النهائي مثل العبوات ومكونات السيارات.
• PLA (حمض متعدد اللبنيك) - مصنوع من نشا الذرة. يستخدم للتغليف المستدام وحاويات المواد الغذائية والسلع الاستهلاكية. يوفر صلابة عالية.
• النايلون - نايلون من الدرجة الهندسية يوفر قوة وصلابة ومقاومة حرارية ممتازة. يستخدم لقطع الاستخدام النهائي والنماذج الأولية الوظيفية.
• البوليمرات الضوئية - راتنجات قابلة للمعالجة بالضوء الضوئي يتم معالجتها بالأشعة فوق البنفسجية. تُستخدم في الطباعة الحجرية المجسمة والطباعة بنفث الحبر ثلاثية الأبعاد. توفر دقة عالية وجودة سطح عالية. تشمل الأمثلة راتنجات الإيبوكسي والأكريليك.

السيراميك ل AM

يوفر السيراميك والزجاج مقاومة عالية للحرارة. تشمل طرق الإنتاج النفث بالمادة الرابطة وبثق المواد والطباعة الحجرية المجسمة. وتشمل مواد السيراميك المستخدمة في التصنيع الذكي:

• الألومينا (Al2O3) - سيراميك عالي القوة يستخدم في المكونات الفضائية وأجزاء العزل. يوفر مقاومة للتآكل والثبات الحراري.
• زركونيا (ZrO2) - صلابة شديدة تجعلها مناسبة للأدوات وإدخالات القطع والأجزاء المقاومة للتآكل. يستخدم في ترميمات الأسنان.
• كربيد السيليكون (SiC) - سيراميك صلب وخفيف الوزن يستخدم عند الحاجة إلى صلابة عالية ومقاومة حرارية. يستخدم لتصنيع المرايا وأجزاء أشباه الموصلات.

المواد المركبة لصناعة الصوديوم المغناطيسي

تتضمن مواد AM المركبة مادتين أو أكثر من المواد المكونة لها مثل البوليمرات أو السيراميك أو المعادن. وهذا يسمح بتخصيص خصائص مثل القوة والصلابة والتوصيل وما إلى ذلك. ومن الأمثلة على ذلك:

• البوليمرات المقواة بألياف الكربون - نسبة قوة إلى وزن عالية. تُستخدم لبناء هياكل ومكونات خفيفة الوزن للفضاء والسيارات.
• مركّبات المصفوفة المعدنية - يتم دمج جسيمات السيراميك مثل كربيد السيليكون مع سبائك الألومنيوم باستخدام DED AM لإنشاء خصائص محسّنة. تُستخدم لصنع مكونات الصواريخ وأجزاء الطائرات وغيرها.
• مركبات راتنج البوليمر الضوئي - خليط من البوليمرات الضوئية وجزيئات السيراميك للجمع بين المتانة والصلابة. تُستخدم لطباعة ترميمات الأسنان ثلاثية الأبعاد.

معادن للتصنيع الإضافي

تمثل المعادن جزءًا كبيرًا من المواد المستخدمة في الطباعة ثلاثية الأبعاد. تشمل المعادن الأكثر شيوعًا للطباعة ثلاثية الأبعاد الفولاذ المقاوم للصدأ والألومنيوم والتيتانيوم وسبائك النيكل والكروم الكوبالت.

الفولاذ المقاوم للصدأ

يُعد الفولاذ المقاوم للصدأ أحد أكثر المعادن استخدامًا في صناعة الصلب غير القابل للصدأ اليوم. فهو يوفر مزيجًا ممتازًا من القوة العالية والليونة الجيدة وصلابة الكسر ومقاومة التآكل والتآكل والتوافق الحيوي. تُستخدم درجات مختلفة في تصنيع الإضافات المعدنية بما في ذلك 316L و304L و17-4PH و15-5PH والفولاذ المتغير والفولاذ المزدوج. تشمل الأجزاء المطبوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ مكونات المركبات الفضائية والصواريخ، والمضخات، والصمامات، والأدوات الجراحية، وقطع غيار السيارات.

ألومنيوم

تتميز سبائك الألومنيوم مثل AlSi10Mg بخصائص مثل الكثافة المنخفضة والتوصيل الحراري الجيد والقوة الممتازة التي تجعلها جذابة لتصنيع الإضافات المعدنية. تشمل التطبيقات الرئيسية المكونات المعقدة لهياكل الطائرات والمحركات والطائرات بدون طيار في مجال الطيران وقطع غيار السيارات بما في ذلك العجلات والإطارات والأسطوانات والهياكل خفيفة الوزن المخصصة لرياضة السيارات والمبادلات الحرارية والسلع الاستهلاكية. وتشمل المزايا مقارنة بالتصنيع التقليدي تحسين الطوبولوجيا وتوحيد الأجزاء ومقاومة الكسر.

التيتانيوم

تُقدّر سبائك التيتانيوم في التطبيقات الفضائية لخصائصها مثل نسبة القوة إلى الوزن العالية، ومقاومة الكسر، وعمر التعب، ومقاومة التآكل. يُستخدم أكثر من 75% من التيتانيوم AM في مجال الفضاء الجوي. السبيكة الأكثر شيوعًا هي Ti6Al4V، تليها Ti64. تشمل أجزاء التيتانيوم AM مكونات هياكل الطائرات الهيكلية، وشفرات التوربينات، وأجزاء المركبات الفضائية، وزرعات العظام خفيفة الوزن التي تتكامل بشكل جيد مع الأنسجة البيولوجية. تشمل التحديات ارتفاع تكاليف المواد وصعوبات في تصنيع التيتانيوم المُصنَّع آلياً.

سبائك النيكل الفائقة

تستفيد السبائك الفائقة القائمة على النيكل من نقاط القوة مثل الاحتفاظ بالخصائص الميكانيكية في درجات الحرارة العالية ومقاومة التآكل والزحف لاستخدامها على نطاق واسع في البيئات القاسية. تشمل السبائك الشائعة سبائك Inconel 718 و Inconel 625 و Inconel 939 المطبوعة بطرق DED أو طرق طبقة المسحوق. تُستخدم AM لتصنيع شفرات التوربينات والأدوات ومكونات المحركات الصاروخية والأجزاء في الصناعات النووية والمعالجة الكيميائية وصناعات الطاقة.

سبائك كروم الكوبالت

تتمتع سبائك الكوبالت والكروم مثل CoCrMo بصلابة وقوة عالية وتوافق حيوي ممتاز. وهي المعادن الأكثر استخدامًا لطباعة الأطراف الاصطناعية للأسنان مثل التيجان والجسور وكذلك غرسات تقويم العظام للركبة والورك والكتف. يتيح التصنيع الذكي الصنعي تصميمات مخصصة وهياكل شبكية في الغرسات ذات الخصائص الميكانيكية الشبيهة بالعظام والتكامل المسامي مع الأنسجة. ويتمثل التحدي في تحقيق تشطيبات سطحية ناعمة.

البوليمرات للتصنيع المضاف

تتم معالجة البوليمرات بشكل شائع باستخدام طرق بثق المواد، والاندماج القاعي للمساحيق، والبلمرة الضوئية في الحوض. تُستخدم اللدائن الحرارية مثل ABS و PLA على نطاق واسع في النماذج الأولية والنماذج الأولية الوظيفية وأجزاء الاستخدام النهائي في مختلف الصناعات. تمكّن البوليمرات الضوئية من الحصول على تشطيبات ناعمة وميزات دقيقة.

ABS - أكريلونيتريل بوتادين ستايرين أكريلونيتريل بوتادين ستايرين

يوفر ABS خصائص مثل مقاومة الصدمات العالية والمتانة ومقاومة درجات الحرارة العالية نسبيًا التي تجعله مناسبًا للطباعة ثلاثية الأبعاد للأشكال الهندسية المعقدة. يُستخدم ABS في نماذج المفاهيم المرئية، والنماذج الأولية للسلع الاستهلاكية، وقطع غيار السيارات، والحاويات، والتركيبات القابلة للتركيب في قطاعات الطيران والرعاية الصحية والصناعية. تشمل القيود انخفاض درجة الحرارة القصوى للعمل مقارنةً بالمعادن ومقاومة محدودة للأشعة فوق البنفسجية.

PLA - حمض متعدد اللبنيك

PLA عبارة عن بلاستيك حراري قابل للتحلل الحيوي مشتق من نشا الذرة المتجدد أو قصب السكر. ويُستخدم على نطاق واسع في الطباعة ثلاثية الأبعاد لمنتجات مختلفة مثل حاويات الطعام وأكياس الشاي وزجاجات المياه وكذلك الغرسات الطبية والسقالات التي يمكن أن تتحلل بأمان داخل الجسم. تشمل المزايا الصلابة العالية والسمية المنخفضة ودرجات حرارة الطباعة المنخفضة نسبيًا. وتشمل القيود مقاومة منخفضة للحرارة وقوة تأثير منخفضة.

نايلون

يوفر النايلون قوة شد ممتازة، وتشطيب سطحي، ومقاومة كيميائية، ومقاومة للتآكل، ومرونة. وهذا يجعلها مفيدة للنماذج الأولية الوظيفية وأجزاء الاستخدام النهائي مثل التروس والأدوات والمكونات الحاملة وحاويات المواد الغذائية وما إلى ذلك في تطبيقات السيارات والسلع الاستهلاكية والتطبيقات الصناعية. يمكن معالجة مسحوق النايلون باستخدام تقنيات التلبيد الانتقائي بالليزر وتقنيات الاندماج متعدد النفاثات. يتيح السطح منخفض الاحتكاك إمكانية استخدام تطبيقات التلامس الانزلاقي منخفض التآكل.

البوليمرات الضوئية

تتيح راتنجات البوليمر الضوئي القابلة للمعالجة بالأشعة فوق البنفسجية دقة عالية بشكل ملحوظ وتشطيبًا عاليًا للأسطح في عمليات التصنيع المُصغّر مثل الطباعة الحجرية المجسمة والمعالجة الرقمية بالضوء. تتصلب البوليمرات الضوئية بسرعة عند تعريضها للأشعة فوق البنفسجية. وتشمل المواد راتنجات الإيبوكسي والأكريليك والأكريلات المستخدمة في تصنيع العدسات والنماذج الطبية والمجوهرات والزرعات والمسبوكات عالية الدقة في مجال الطيران وغيرها من المكونات الأخرى ذات الجودة العالية. تشمل القيود انخفاض القوة مقارنةً بالبلاستيك الحراري الصناعي.

السيراميك للتصنيع المضاف

يتميز السيراميك بقوة وصلابة عالية في درجات الحرارة المرتفعة وعزل كهربائي جيد وخصائص تمدد حراري منخفضة. وهذا ما يجعلها مفيدة لمكونات المقاطع الساخنة في محركات التوربينات وأنظمة الحماية الحرارية والتطبيقات الأخرى التي تحتاج إلى مواد حرارية. يتيح التصنيع الذكي الصلب هندسة السيراميك المعقدة التي لا يمكن تحقيقها بالطرق التقليدية.

الألومينا

توفر الألومينا أو أكسيد الألومنيوم Al2O3 صلابة عالية جدًا ومقاومة للتآكل ومقاومة للتآكل وثباتًا في درجات الحرارة. تُستخدم الألومينا AM لتصنيع مكونات الألومينا عالية الأداء لتطبيقات الفضاء والملاحة الفضائية. تشمل الأجزاء فوهات الصواريخ والدروع الإشعاعية ومكونات العزل الحراري مستفيدة من حرية التصميم التي تتيحها تكنولوجيا التصنيع باستخدام صمامات الألومنيوم الإضافية. تشمل القيود انخفاض صلابة الكسر وقوة الشد التي يمكن أن تسبب أعطالاً غير متوقعة في الأجزاء النهائية.

زركونيا

الصلابة الشديدة ومقاومة التآكل والموصلية الحرارية المنخفضة لزركونيا ZrO2 تجعلها مفيدة في تصنيع أدوات القطع والمثاقب وقوالب البثق وغيرها من المكونات المعرضة للتآكل الشديد. في طب الأسنان، يتم استخدامه لطباعة ترميمات الأسنان القوية والجمالية مثل التيجان والجسور التي تحاكي مظهر الأسنان الطبيعية. ويُعد التوزيع الدقيق لحجم الجسيمات أمرًا بالغ الأهمية للحصول على كثافة عالية وأداء عالي لأجزاء الزركونيا النهائية.

كربيد السيليكون

يمتلك كربيد السيليكون SiC صلابة وقوة عالية جدًا، خاصةً في درجات الحرارة العالية التي تتجاوز قدرة المعادن. تُعدّ عملية التصنيع الإضافي مناسبة بشكل مثالي لتصنيع مرايا كربيد السيليكون والمكونات البصرية والهياكل الخاصة بالتلسكوبات الفضائية حيث تكون التقلبات في درجات الحرارة كبيرة. وعلى الأرض، تُستخدم SiC في التصنيع الإضافي لأشباه الموصلات ومعدات تصنيع أشباه الموصلات وكريات الوقود النووي ومكونات محركات التوربينات. وغالبًا ما تتطلب أجزاء SiC تشطيبًا ثانويًا للحصول على أسطح ناعمة كالمرآة.

عمليات صقل المعادن AM

تشمل الطرق الأكثر استخدامًا لطباعة المعادن على نطاق واسع دمج طبقة المسحوق والترسيب بالطاقة الموجهة:

انصهار سرير المسحوق

ويشمل ذلك التلبيد الانتقائي بالليزر (SLS) والصهر بالحزمة الإلكترونية (EBM). يستخدم التلبيد الانتقائي بالليزر (SLS) الليزر بينما يستخدم الصهر بالحزمة الإلكترونية شعاعًا إلكترونيًا لدمج جزيئات المسحوق المعدني طبقة تلو الأخرى بشكل انتقائي بناءً على مقطع عرضي لهندسة الجزء. وبعد كل طبقة، يتم نشر المزيد من المسحوق وضغطه للطبقة التالية. تتم معالجة الفولاذ المقاوم للصدأ والتيتانيوم بشكل شائع، مما يوفر دقة عالية وبنى مجهرية دقيقة. وتشمل القيود بطء معدلات البناء.

ترسيب الطاقة الموجهة

يركز DED شعاع ليزر أو شعاع إلكترون لصهر الأسلاك المعدنية أو المسحوق أو المسحوق المنفوخ في مواقع محددة لتكديس المواد وتصنيع الشكل الهندسي المطلوب. وغالبًا ما يُستخدم DED لإصلاح أو إضافة ميزات إلى المكونات الموجودة. تشمل المزايا معدلات بناء أسرع والقدرة على مزج التركيبات المعدنية. ولكن الدقة وتشطيب السطح أقل من انصهار قاع المسحوق.

عمليات البوليمر AM

تتم معالجة اللدائن الحرارية بشكل شائع باستخدام طرق بثق المواد وطرق الانصهار القاعي للمساحيق. تُستخدم البلمرة الضوئية في الحوض لمعالجة الراتنجات القابلة للمعالجة الضوئية إلى أجزاء بوليمر عالية الدقة.

بثق المواد

يقوم بثق المواد بتسخين خيوط اللدائن الحرارية وبثقها طبقة تلو الأخرى من خلال فوهة لتصنيع جزء. تُعد نمذجة الترسيب المنصهر (FDM) من Stratasys وتصنيع الخيوط المنصهرة (FFF) من تقنيات بثق المواد المستخدمة على نطاق واسع لطباعة أجزاء ABS وPLA والنايلون والكمبيوتر الشخصي ثلاثية الأبعاد. تشمل المزايا انخفاض تكاليف الماكينة والمواد. تشمل الجوانب السلبية انخفاض الدقة وضعف الترابط بين الطبقات وخطوط الطبقات المرئية على الأسطح.

انصهار سرير المسحوق

يستخدم التلبيد المباشر بالليزر (DLS) الليزر لدمج جزيئات مسحوق البوليمر الموضوعة في طبقة رقيقة بشكل انتقائي. وبعد كل طبقة، يتم ترسيب طبقة جديدة من المسحوق وتلبيدها. يمكن ل DLS بناء أشكال هندسية معقدة للغاية في إنتاج مواد لدن بالحرارة مثل النايلون بخصائص ميكانيكية تقترب من تلك الخاصة بالقولبة بالحقن. الانصهار متعدد النفاثات (MJF) هو عملية تعتمد على المسحوق من HP التي تستخدم عوامل الصهر والتفصيل للحصول على خصائص متساوية الخواص ودقة فائقة.

البلمرة الضوئية في الحوض

تقوم الطباعة الحجرية المجسمة (SLA) بتحويل الراتنج السائل إلى أجسام صلبة ثلاثية الأبعاد باستخدام الأشعة فوق البنفسجية لمعالجة الراتنج الحساس للضوء بشكل انتقائي. تستخدم المعالجة الضوئية الرقمية (DLP) أيضًا وعاءً من الراتنج القابل للمعالجة الضوئية ولكنها تعالج كل طبقة باستخدام نظام عرض ضوئي. وتتيح هذه العمليات أسطحاً ناعمة بشكل ملحوظ والتقاط تفاصيل دقيقة لأنماط التصنيع والمسبوكات الاستثمارية والنماذج الطبية وأنماط المجوهرات.

عمليات AM السيراميك السيراميك

تُستخدم طرق النفث الموثق وبثق المواد بشكل شائع لمعالجة السيراميك ومركبات السيراميك والبوليمر في أجزاء مطبوعة ثلاثية الأبعاد معقدة وقوية في الوقت نفسه.

النفث الموثق

في عملية قاع المسحوق هذه، يتم ترسيب عامل ربط سائل بشكل انتقائي لربط جزيئات مسحوق السيراميك أثناء الطباعة. وبمجرد الانتهاء، يتم تلبيد الجزء الأخضر لحرق المادة الرابطة وتكثيف الجزء. تمت طباعة الألومينا والزركونيا وكربيد السيليكون ومساحيق الزجاج باستخدام النفث الرابط. وهي تتيح محتوى سيراميك عالي في الأجزاء. تشمل القيود انخفاض الكثافة التي يمكن تحقيقها مقارنةً بالسيراميك الصلب.

بثق المواد

يُطلق عليه أيضًا الصب الآلي أو الكتابة بالحبر المباشر، وهو عبارة عن بثق المواد التي تطبع عجائن السيراميك من خلال فوهة لبناء الهياكل على شكل طبقات. وتجمع التركيبة عادةً بين مسحوق السيراميك والمونومرات والمشتتات والمبادر. وبمجرد الطباعة، يتم معالجة الأجزاء ثم تلبيدها. يمكن طباعة مركّبات كربيد السيليكون والألومينا بمحتوى سيراميك >50% باستخدام هذه الطريقة. ولكن يمكن أن يؤدي الانكماش أثناء التجفيف والتلبيد إلى حدوث تشوهات في الشكل.

مواد AM المركبة

يسمح التصنيع الإضافي بدمج مواد أساسية مختلفة مثل البوليمرات والمعادن والسيراميك في مواد مركبة ذات خصائص مصممة خصيصًا.

مركبات المصفوفة المعدنية

يمكن مزج مساحيق المعادن مع التعزيزات الصلبة مثل كربيد السيليكون أو الألومينا أثناء المعالجة بالديود لتحقيق صلابة وقوة ومقاومة تآكل فائقة مقارنة بالمعادن غير المعززة. وقد تم تعزيز مركبات مصفوفة النيكل والتيتانيوم بجزيئات SiC والأنابيب النانوية لتعزيز الصلابة والاستقرار الحراري في أجزاء التوربينات والمقاطع الساخنة لمحرك الصاروخ.

مركبات ألياف الكربون

يمكن أن تعمل ألياف الكربون المقطعة أو المستمرة على تعزيز البوليمرات الضوئية في الطباعة ثلاثية الأبعاد SLA أو اللدائن الحرارية في FDM/FFF. وهذا يحسن من الصلابة والقوة الساكنة والمقاومة الحرارية وثبات الأبعاد للأجزاء مثل إطارات الطائرات بدون طيار والمكونات الداخلية للطائرات مع تقليل الوزن. يمكن التحكم في توجيه الألياف بشكل ممتاز أثناء الطباعة ثلاثية الأبعاد.

مركبات الراتنج القابلة للمعالجة الضوئية

يتم الجمع بين بوليمرات SLA مع جزيئات السيراميك والأنابيب النانوية لتعديل خصائص الراتنج مثل المعامل ودرجة حرارة الانحراف الحراري والصلابة والتوصيل الحراري بناءً على متطلبات التطبيق مع الاحتفاظ بمزايا دقة الأبعاد وتشطيب السطح. يتيح ذلك إمكانية عمل جسور وتيجان أسنان مطبوعة ثلاثية الأبعاد بخصائص ميكانيكية وجمالية محسّنة.

مزايا مواد AM

تُطلق مواد التصنيع المعزَّز الإضافي مزايا الأداء وإمكانيات التصميم التي لا يمكن تحقيقها من خلال التصنيع التقليدي:

• التعقيد - يمكن إنتاج الهياكل المجوفة والخلوية المعقدة مباشرةً من نماذج التصميم بمساعدة الحاسوب التي يستحيل تصنيعها بطريقة أخرى. يتيح ذلك تصميمات خفيفة الوزن ومحسّنة.
• التخصيص - يمكن طباعة غرسات ونعال داخلية وأطراف صناعية مطابقة للمريض ومطابقة للمريض وملائمة تمامًا لتشريح الفرد، وذلك من بيانات المسح الطبي لتوفير راحة أفضل واستعادة الوظيفة.
• توحيد الجمعية - يؤدي تقليل عدد الأجزاء عن طريق طباعة المكونات المدمجة إلى تحسين الموثوقية وتقليل المخزون وإتاحة إنتاج أسرع.
• أداء عالٍ - تؤدي تقوية الاتجاهات للمعادن عن طريق التصلب الفوقي والمركبات ذات البنى المجهرية الموجهة إلى خواص ميكانيكية فائقة.
• الاستدامة - تتيح المواد المضافة إمكانية الإنتاج عند الطلب بأقل قدر من النفايات. كما تدعم بعض مواد الإضافات المعدنية مثل البوليمرات الحيوية المصنوعة من مصادر متجددة الاستدامة.

التحديات التي تواجه مواد AM

على الرغم من أن مواد AM تقدم العديد من الفوائد، إلا أن هناك بعض التحديات التي يجب معالجتها من أجل اعتمادها على نطاق واسع:

• المعايير - إن عدم وجود مواصفات ومعايير على مستوى الصناعة لمعظم مواد التصنيع الإضافي يجعل الاتساق أمرًا صعبًا. يمكن أن تختلف جودة المواد بين الموردين وتقنيات الطابعات.
• التصديق - يلزم الحصول على شهادات ووثائق صارمة خاصةً بالنسبة للسبائك المعدنية المستخدمة في التطبيقات الدفاعية والفضائية والطبية ذات المهام الحرجة قبل قبول التصنيع باستخدام الإضافات المعدنية لمكونات الإنتاج للاستخدام النهائي.
• العيوب - تعاني بعض عمليات تصنيع الإضافات المعززة من المسامية والتشقق الدقيق وعيوب التصفيح في الأجزاء النهائية التي تضر بالأداء الميكانيكي. هناك حاجة إلى مزيد من التحسينات في خصائص المواد ومراقبة الجودة ومعايير العملية.
• تشطيب السطح - يمكن أن تستلزم خطوط السلالم وخطوط الطبقات من AM صقلًا يدويًا مكثفًا للأسطح. تعاني بعض المواد أيضًا من خشونة البنية الحبيبية. يتطلب الأمر فهمًا أفضل لأسباب وحلول سوء تشطيب السطح بشكل أفضل.
• التكلفة - غالبًا ما تكون تكاليف مواد AM مرتفعة بسبب التركيبات المسجلة الملكية ومحدودية الموردين وانخفاض حجم الإنتاج. يمكن أن يؤدي توسيع نطاق إنتاج مواد التصنيع باستخدام الإضافات المعدنية إلى تحسين القدرة التنافسية من حيث التكلفة مع المواد التقليدية.
• تباين الخواص - ينتج عن بعض البنى المجهرية المجهرية ذات التوجه الشديد أو الطبقات المجهرية ذات التباين في الاتجاه في الخصائص مثل القوة الأعلى الموازية للبناء مقابل المتعامدة. تساعد تقنيات الربط والترسيب المحسنة للمواد في التغلب على تباين الخواص.

مستقبل مواد صُنع الإضافات المعدنية

يعد ابتكار مواد التصنيع الإضافي أمرًا حيويًا للتوسع المستمر في التصنيع الإضافي. بعض المجالات الرئيسية التي تبشر بالخير في المستقبل:

• المواد المتعددة - ستتيح الأجزاء المفردة التي تجمع بين معادن وسيراميك وبوليمرات مختلفة إمكانية تعدد الوظائف الحقيقية. ويجري بحث ذلك باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد متعددة الفوهات.
• المواد الذكية - تشتمل الطباعة رباعية الأبعاد على سبائك ذاكرة الشكل والهلاميات المائية واللدائن البلورية السائلة لصنع أجسام تعيد تشكيل الشكل/اللون، أو الشفافية عند تعرضها لمحفزات مثل الحرارة أو الرطوبة أو الضوء أو المجالات المغناطيسية.
• متوافق حيوياً - ستدفع مواد هندسة الأنسجة الجديدة وحاملات الخلايا الجذعية إلى اعتماد AM في العلاجات الطبية لتحسين التكامل والتجديد.
• الاستدامة - يجب تطوير مواد صديقة للبيئة وغير سامة من المواد الصديقة للبيئة وغير السامة المشتقة من موارد وفيرة ومتجددة كبدائل للبوليمرات البترولية.
• مركبات النانو - ستفتح المصفوفات البوليمرية والمعدنية المعززة بالأنابيب النانوية/الجسيمات النانوية لتعزيز الخصائص الميكانيكية والحرارية والكهربائية بشكل كبير تطبيقات جديدة عالية الأداء.
• أدوات التصميم - ستؤدي النمذجة الحاسوبية متعددة النطاقات القائمة على الفيزياء لعمليات التصنيع الإضافي إلى تنبؤات أفضل للبنى المجهرية والخصائص من أجل تأهيل المواد الجديدة وتحسينها.

خاتمة

باختصار، تُعد مواد التصنيع الإضافي عوامل تمكين حيوية للمكونات الوظيفية المطبوعة ثلاثية الأبعاد في مختلف الصناعات. وتوفر كل من المعادن والبوليمرات والسيراميك والمواد المركبة قدرات متميزة لإنتاج أجزاء معقدة وعالية الأداء باستخدام عمليات التصنيع المضافة. وعلى الرغم من وجود تحديات، سيستمر ابتكار مواد التصنيع الإضافي في توسيع إمكانيات التصميم وفوائد تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد.

معرفة المزيد من عمليات الطباعة ثلاثية الأبعاد