تُعرف الطباعة ثلاثية الأبعاد أيضًا باسم التصنيع الإضافي، والتصنيع الإضافي هو مفهوم مقترح على عكس التصنيع الطرحي التقليدي. نحن نعلم أن التصنيع الطرحي هو عملية قطع وتلبيد المواد الخام لإنتاج الأجزاء ، وتعدين المساحيق ، وعمليات القطع كلها جزء من التصنيع الطرحي. إذن ، ماذا تعني تقنية التصنيع المضافة المقابلة؟ وما هي التقنيات المستخدمة في التصنيع الإضافي؟ ستناقش هذه المقالة ما هي التكنولوجيا المستخدمة في الطباعة ثلاثية الأبعاد؟
مبدأ الطباعة ثلاثية الأبعاد
قبل الإجابة على سؤال حول ماهية التكنولوجيا المستخدمة في الطباعة ثلاثية الأبعاد ، من الضروري فهم مبادئ الطباعة ثلاثية الأبعاد. الطباعة ثلاثية الأبعاد هي تقنية تستخدم ملفات النماذج الرقمية كأساس لبناء الكائنات عن طريق الطباعة طبقة تلو الأخرى باستخدام مواد قابلة للربط مثل مسحوق المعدن أو البلاستيك.
عادة ما يتم تحقيق الطباعة ثلاثية الأبعاد باستخدام طابعات مواد التكنولوجيا الرقمية. غالبًا ما تستخدم في صنع النماذج في صنع القوالب والتصميم الصناعي ، ثم تدريجيًا للتصنيع المباشر لبعض المنتجات ، وتم طباعة الأجزاء باستخدام هذه التقنية.
مقارنة بتقنيات الطباعة التقليدية وعمليات التصنيع ، تتميز الطباعة ثلاثية الأبعاد بالعديد من الميزات. أولاً ، تتم الطباعة في مسار واحد ، مما يلغي الحاجة إلى القطع والطحن المتكرر ، ويبسط عملية إنتاج المنتج ، ويقصر الإنتاج
هذا يبسط عملية الإنتاج ويقصر دورة الإنتاج. ثانيًا ، تعد التكلفة المنخفضة ، خاصة من حيث الإنتاج على دفعات ، ميزة تكلفة كبيرة مقارنة بالتصنيع التقليدي. أخيرًا ، درجة أعلى من تعقيد المنتج.
تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد
FDM
نمذجة الترسيب المنصهر ، (FDM) ، هي طريقة لتسخين وصهر العديد من المواد الخيطية المنصهرة الساخنة (الشمع ، ABS ، النايلون ، إلخ) في الشكل وهي نوع من تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد. تستخدم عملية FDM الذوبان الساخن وخصائص الترابط للمواد البلاستيكية الحرارية المكدسة طبقة تلو طبقة تحت تحكم PLC. تشمل المواد الأساسية الشائعة مواد اللدائن الحرارية ، ومعادن النظام سهل الانصهار ، والمواد الصالحة للأكل ، إلخ.
EBF
التشكيل الحر لشعاع الإلكترون (EBF) هو عملية تستخدم شعاع الإلكترون كمصدر حرارة لبناء أجزاء باستخدام أسلاك معدنية خارج المحور. تتطلب الأجزاء المشكَّلة بالقرب من الشبكة المصنوعة بواسطة عملية التصنيع المضافة هذه إنهاءًا لاحقًا باستخدام عملية الاختزال.
يمكن لتقنية EBF أن تشكل مباشرة معادن مثل الألومنيوم أو النيكل أو التيتانيوم أو الفولاذ المقاوم للصدأ ، ومن الممكن خلط مادتين أو دمج إحداهما في الأخرى. هذه التقنية مناسبة لأي مادة معدنية مسبوكة تقريبًا.
DMLS
تلبيد المعادن بالليزر المباشر هي عملية تستخدم لإنتاج قوالب للأجزاء المصبوبة بالحقن وتصنيع المنتجات المعدنية ، ولكن يمكن استخدامها أيضًا في تقنيات مثل البثق أو القولبة بالنفخ ومعالجة البلاستيك الأخرى. DMLS مناسب للطباعة ثلاثية الأبعاد لأي سبيكة تقريبًا.
ذوبان شعاع الإلكترون (EBM) هو تقنية ناشئة متقدمة لتصنيع الإضافات المعدنية في السنوات الأخيرة. يتمثل المبدأ في استيراد بيانات النموذج الصلب ثلاثي الأبعاد للجزء إلى معدات EBM ، ثم وضع طبقة رقيقة من مسحوق المعدن الناعم بشكل مسطح في غرفة العمل لجهاز EBM. تتسبب الكثافة العالية للطاقة المتولدة في النقطة المحورية عن طريق انحراف وتركيز شعاع الإلكترون عالي الطاقة في أن يتم مسح طبقة المسحوق المعدني ضوئيًا لإنتاج درجات حرارة عالية في مناطق موضعية صغيرة ، مما يؤدي إلى ذوبان جزيئات المعدن ، واستمرار سيؤدي مسح شعاع الإلكترون إلى اندماج تجمعات المعدن الصغيرة وتصلبها ، متصلاً لتشكيل طبقات معدنية خطية وذات أوجه.
يعد الصهر الانتقائي بالليزر أحد التقنيات الرئيسية المستخدمة في التصنيع الإضافي للمواد المعدنية. يستخدم الليزر كمصدر للطاقة ويقوم بمسح طبقة طبقة المسحوق المعدنية بطبقة وفقًا لتخطيط المسار في نموذج قطع CAD ثلاثي الأبعاد. يتم إذابة المسحوق المعدني الممسوح ضوئيًا وترسيخه لتحقيق تأثير الترابط المعدني ، مما ينتج عنه الجزء المعدني المصمم بواسطة النموذج. مناسب بشكل أساسي للطباعة ثلاثية الأبعاد على التيتانيوم والكوبالت والكروم والفولاذ المقاوم للصدأ والألمنيوم ، إلخ.
SLS
تم تطوير عملية SLS ، المعروفة أيضًا باسم تلبيد الليزر الانتقائي ، في عام 1989 بواسطة CR Dechard في جامعة تكساس في أوستن ، الولايات المتحدة الأمريكية. تستخدم عملية SLS مادة المسحوق للتشكيل. تنتشر مادة المسحوق على السطح العلوي للجزء المتشكل ويتم كشطها بشكل مسطح ؛ يتم استخدام ليزر ثاني أكسيد الكربون عالي الكثافة لمسح المقطع العرضي للجزء فوق الطبقة الجديدة الموضوعة حديثًا ؛ يتم تلبيد المادة المسحوقة معًا تحت ضوء الليزر عالي الكثافة للحصول على مقطع عرضي للجزء المرتبط بالجزء المكون أدناه ؛ عندما يتم تلبيد طبقة واحدة من المقطع العرضي ، يتم وضع طبقة جديدة من مسحوق المواد وتلبيد الطبقة التالية من المقطع العرضي بشكل انتقائي.
وصفنا أعلاه بعض التقنيات المستخدمة في الطباعة ثلاثية الأبعاد. في السنوات الأخيرة ، أظهرت تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد مزايا تطبيق قوية في العديد من المجالات ، وكان للعديد من الأجزاء الدقيقة والمنتجات القائمة على تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد تأثير إيجابي في تعزيز التنمية الصناعية والابتكار.
مع تطور التقنيات التكميلية ، ستتوفر المزيد من مواد الطباعة في المستقبل ، وستعمل الطباعة ثلاثية الأبعاد على تقليل تكلفة معدات الطباعة وتعزيز الطبيعة البشرية والذكية لعمليات الطباعة ، وبالتالي توفير الدعم الفني للتنمية الاجتماعية والاقتصادية.
سيوفر هذا الدعم الفني للتنمية الاجتماعية والاقتصادية.
الاتصال بـ Turer للحصول على حل طباعة معدني ثلاثي الأبعاد مجاني!
Frequently Asked Questions (Supplemental)
1) Which 3D printing technology should I choose for functional metal parts?
- Selective Laser Melting (SLM)/Direct Metal Laser Sintering (DMLS) or Electron Beam Melting (EBM) are best for end-use metal parts. SLM/DMLS offers finer features and smoother surfaces; EBM provides faster builds and lower residual stress for Ti alloys.
2) How do SLS and SLM differ in practice?
- SLS typically sinters polymers (PA12, TPU) or metal/polymer composites; SLM fully melts metal powders to near‑wrought density. SLS excels in durable polymer prototypes; SLM suits structural metal components.
3) What are typical build sizes and layer thicknesses across 3D printing?
- FDM: 100–400 μm layers; desktop to 300×300×400 mm. SLS: 80–150 μm; 300×300×400 mm common. SLM/DMLS: 20–60 μm; 250×250×300 mm up to >400 mm cubes. EBM: 50–100 μm; similar or larger build volumes.
4) How do material properties compare between AM and wrought?
- With optimized parameters and post‑processing (HIP/heat treatment), SLM/DMLS and EBM can reach ≥99.8% density and tensile properties close to or exceeding wrought in certain alloys (e.g., Ti‑6Al‑4V, 17‑4PH). Anisotropy and surface roughness must be managed.
5) What standards govern validation of 3D printed parts?
- ISO/ASTM 52900 series for terminology; 52904 (metal PBF); 52921 (design); ASTM F3122 (property reporting), F3301/F3303 (process control). Medical/aerospace add ISO 13485 or AS9100 quality systems.
2025 Industry Trends and Data
- Multi‑laser coordination: Advanced scan strategies reduce stitch defects and boost throughput in metal PBF.
- High‑throughput polymers: SLS with faster IR sources and automated powder handling lowers part cost.
- Copper and aluminum in PBF: Green/blue lasers improve conductivity parts yield for EV and thermal management.
- Software‑first workflows: Build simulation and in‑situ monitoring shorten qualification cycles.
- ESG reporting: Powder passports with recycled content and O/N/H data increasingly required in RFQs.
| KPI (3D Printing, 2025) | 2023 Baseline | 2025 Typical/Target | Tech area | Why it matters | Sources/Notes |
|---|---|---|---|---|---|
| Metal PBF layer thickness (μm) | 30–60 | 20–50 | SLM/DMLS | Feature resolution, density | ISO/ASTM 52904; OEM specs |
| As‑built density after HIP (%) | 99.5–99.8 | 99.8–99.95 | Metal PBF | Fatigue/leak‑tightness | OEM/peer‑reviewed data |
| Polymer SLS refresh ratio (new:used) | 30:70 | 20:80 | SLS | Cost, consistency | Vendor apps guides |
| Multi‑laser productivity gain | 20–40% | 35–60% | Metal PBF | التكلفة لكل جزء | Machine vendors |
| Build failure rate with in‑situ monitoring | 8–12% | 3–6% | PBF/EBM | العائد | NIST AM Bench; case studies |
| Copper PBF conductivity vs. wrought | 80–90% IACS | 90–95% IACS | Green/blue laser PBF | Electrical performance | OEM test data |
Authoritative resources:
- ISO/ASTM 52900 family: https://www.iso.org
- ASTM F3122, F3301, F3303: https://www.astm.org
- NIST AM Bench datasets: https://www.nist.gov/ambench
- SAE AMS7000 series (AM metals): https://www.sae.org
- FDA AM guidance (medical devices): https://www.fda.gov
Latest Research Cases
Case Study 1: Blue‑Laser PBF for High‑Conductivity Copper Busbars (2025)
- Background: An EV supplier needed dense Cu components with >90% IACS conductivity for compact power modules.
- Solution: Blue‑laser PBF with high‑sphericity Cu powder (D50 ≈ 30 μm), optimized hatch and contour, in‑situ melt‑pool monitoring; stress relief and surface tumbling.
- Results: Density 99.7% as‑built; conductivity 92–94% IACS; scrap rate reduced from 11% to 4%; assembly footprint −18% due to integrated cooling features.
Case Study 2: Hybrid EBM + CNC for Ti‑6Al‑4V Orthopedic Implants (2024)
- Background: A medical OEM sought porous‑core stems with consistent osseointegration and tight taper fits.
- Solution: EBM lattices (pore 500–800 μm) fused to solid features; HIP + aging; precision CNC on taper surfaces; validated per ISO 10993 and ASTM F3001.
- Results: Shear strength across lattice/solid interface +22% vs. prior design; pore interconnectivity >95%; CT porosity <0.1%; regulatory submission time reduced by 3 months due to standardized datasets.
Expert Opinions
- Dr. Brent Stucker, Senior Director of Additive Manufacturing, Ansys
- Viewpoint: “Predictive simulation of distortion and melt‑pool behavior is now table stakes—closing the loop with in‑situ sensing cuts trial‑and‑error and qualifies builds faster.”
- Prof. Iain Todd, Professor of Metallurgy, University of Sheffield
- Viewpoint: “Alloy design tailored for PBF—especially for Al and Cu—removes fundamental printability barriers without sacrificing properties.”
- Dr. Laura Ely, Managing Director, AM Research Consortium (AMRC)
- Viewpoint: “Standardized test artifacts and powder passports are accelerating cross‑platform comparability and supplier qualification.”
Affiliation links:
- Ansys Additive: https://www.ansys.com
- University of Sheffield (Materials): https://www.sheffield.ac.uk
- AMRC: https://www.amrc.co.uk
Practical Tools/Resources
- Design/simulation: Ansys Additive; Autodesk Netfabb; Simufact Additive; nTopology for lattices
- Standards: ISO/ASTM 52900, 52904, 52910; SAE AMS7000 series
- Databases: Senvol Database (https://senvol.com/database) for machine/material/process data
- Metrology: CT scanning best practices (NPL, NIST); surface roughness and porosity guides
- QA/Monitoring: Sigma Additive Quality, EOS EOSTATE, Renishaw InfiniAM; powder passport templates
- Safety: NFPA 484 (combustible metals), ISO 80079 (explosive atmospheres), supplier SDS
Last updated: 2025-08-22
Changelog: Added 5 supplemental FAQs; included 2025 KPI table and trends; added two recent case studies (blue‑laser copper PBF; hybrid EBM+CNC implants); provided expert viewpoints with affiliations; compiled practical tools/resources for 3D Printing selection and validation.
Next review date & triggers: 2026-02-01 or earlier if ISO/ASTM standards update, major OEMs release new alloy/process parameters, or new datasets on in‑situ monitoring and multi‑laser coordination are published.
