هل يمكن طباعة الأجزاء المعدنية بالليزر؟ الكشف عن التكنولوجيا المتقدمة للطباعة الثلاثية الأبعاد SLM!

عندما يُذكر الطباعة ثلاثية الأبعاد، قد تتبادر إلى الذهن أولاً الألعاب البلاستيكية ونماذج الراتنج. ولكن هل تعلم أن هناك نوعًا من الطباعة ثلاثية الأبعاد بالليزر تقنية قادرة على "طباعة" مكونات معدنية مباشرة مثل سبائك التيتانيوم والفولاذ المقاوم للصدأ، وحتى مكونات معقدة تحمل الأحمال في مجال الفضاء الجوي؟ إنها تقنية الانصهار الانتقائي بالليزر (SLM) للطباعة ثلاثية الأبعاد التقنية. ما الذي يمكن هذه التقنية من التغلب على تحديات معالجة المعادن؟ ولماذا أصبحت "أداة جديدة" للتصنيع عالي المستوى؟ اليوم، سنحلل التفاصيل التقنية الكامنة وراءها.

طباعة ثلاثية الأبعاد بالانصهار الانتقائي بالليزر (SLM): إنشاء أجزاء معدنية عبر "مسحوق مصهور بالليزر"

على عكس الطباعة الثلاثية الأبعاد الشائعة بتقنية النمذجة بالإرسال المتفجر (FDM)، تستخدم طباعة SLM ثلاثية الأبعاد مسحوقًا معدنيًا كمادة خام. حيث يقوم شعاع ليزر عالي الطاقة بتسخين المسحوق وصهره طبقة تلو الأخرى وفقًا لمسار محدد مسبقًا، ثم يبرد المسحوق المصهور ويترتب ليشكل جزءًا ثلاثي الأبعاد. تشبه العملية بأكملها "الرسم" على المسحوق المعدني بواسطة الليزر — وبعد الانتهاء من طبقة، يتم توزيع طبقة جديدة من المسحوق، وهكذا تتراكم الطبقات لتكوين المنتج النهائي. وتتيح هذه التقنية التشكيل المتكامل لهياكل معقدة دون الحاجة إلى قوالب، مما يجعلها مناسبة بشكل خاص للأجزاء ذات الأشكال الخاصة والأجزاء المجوفة التي يصعب تصنيعها باستخدام طرق القطع التقليدية.

الكشف عن "قلب" المعدات: الهياكل الأساسية التي تحدد دقة الطباعة

لتحقيق طباعة عالية الدقة للأجزاء المعدنية، فإن الهياكل الأساسية للمعدات لا غنى عنها. وفقًا للبحث الذي أجرته فريق البروفيسور تشو تيانغو من جامعة شنيانغ للهندسة، تعتمد معدات الطباعة ثلاثية الأبعاد SLM المتخصصة في المعادن بشكل رئيسي على ثلاثة "مكونات رئيسية" لضمان أدائها:

• ميكانيزم الرفع المحوري الدقيق (Z): "المصعد الدقيق" لـ "نمو" الجزء

تُصنع الأجزاء المعدنية طبقة تلو الأخرى بطريقة "النمو". بعد طباعة كل طبقة، يجب أن تنخفض منصة العمل بدقة بمقدار سماكة الطبقة الواحدة (عادةً ما بين 0.02-0.1 مم)، مما يتطلب آلية رفع دقيقة على المحور Z للتحكم. تعتمد الدراسة تصميمًا مدمجًا يجمع بين "محرك مؤازر + برغي كروي + سكة دليل خطية". المحرك من طراز Delta ECMA-CA06، وقطر البرغي 16 مم، والسكة الدليلة من النوع SSR20XV. يمكن لهذا التصميم تحقيق دقة إعادة تحديد المواقع بقيمة ±0.001 مم، أي ما يعادل 1/60 من قطر شعرة إنسان، مما يضمن حدوث أقل خطأ ممكن في تراكم الطبقات ويمنع ظهور "خطوط درج" على الأجزاء.

• غرفة الحماية بالغاز الخامل: منع تأكسد المعدن وتدهوره

يُعد مسحوق المعدن عرضةً للأكسدة بواسطة الأكسجين الموجود في الهواء عند انصهاره بدرجات حرارة عالية، مما يؤدي إلى تشكل فراغات وشقوق في الأجزاء. يقوم غرفة الحماية بالغاز الخامل في المعدات أولاً بإفراغ الهواء (إلى درجة فراغ أقل من 100 باسكال)، ثم يُملأ بالغاز الخامل مثل الأرجون. ومن خلال نظام تنقية دوري، يتم التحكم في محتوى الأكسجين ليظل ضمن 100 جزء في المليون (ما يعادل 0.1 لتر من الأكسجين فقط في كل متر مكعب من الهواء)، مما يضمن عدم أكسدة المعدن أثناء الانصهار وتحسين المتانة الميكانيكية للأجزاء.

• نظام الجالفانوميتر البصري: "الملاحة الدقيقة" للليزر

يعتمد شعاع الليزر بالكامل على نظام الجالفانومتر البصري للتحكم في مساره لتسخين المسحوق وذوبانه. يتكون النظام من جالفانومترين للمسح عالي السرعة (محورا X/Y). ويقوم المحرك بتحريك المرايا العاكسة بحيث تنحرف بسرعة، ما يسمح لشعاع الليزر بالتحرك على سطح المسحوق كـ"فرشاة" وبسرعة مسح تصل إلى عدة أمتار في الثانية. ومزودًا بلیزر ليفي (يتميز بكثافة طاقة عالية وتبريد حراري جيد)، يمكنه التحكم بدقة في حجم النقطة (الحد الأدنى حتى 0.1 مم)، مما يتيح بسهولة طباعة هياكل دقيقة مثل أسنان التروس وقنوات تدفق شفرات التوربينات.

من المختبر إلى المصنع: إلى أي مدى تُستخدم تقنية SLM عمليًا؟

اليوم، انتقلت تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد SLM من المختبر إلى الإنتاج الفعلي، وتم تطبيقها في مجالات متعددة راقية:

مجال الفضاء الجوي: استخدمت جامعة نورثويسترن للتقنية سلسلة التصنيع الإضافي (SLM) لتصنيع شفة الجناح المركزي للطائرة الكبيرة المحلية C919 في الصين، مما قلل وزن الجزء بنسبة 30٪ مع زيادة قوته بنسبة 15٪. واستخدمت جامعة بيهانغ (جامعة بكين للطيران والفضاء) هذه التقنية حتى لطباعة مكونات تحمل الأحمال الرئيسية الكبيرة من سبيكة التيتانيوم للطائرات، مما كسر الاحتكار التكنولوجي الأجنبي.

المجال الطبي: يمكن تصنيع زراعات الأسنان والمفاصل الصناعية المخصصة حسب الطلب باستخدام تقنية SLM، بحيث تتناسب بدقة مع بنية عظام المريض وتقلل من المخاطر الجراحية. كما يمكن تصميم اللوحات المستخدمة في جراحات العظام من سبائك التيتانيوم ببنية مجوفة عبر تقنية SLM، مما يخفف العبء الجسدي عن المرضى.

في مجال تصنيع السيارات: طبق فريق من جامعة شنغهاي جياو تونغ تقنية التصنيع بالإذابة الليزرية (SLM) في بحث وتطوير قطع غيار السيارات، مثل قنوات التبريد في رؤوس أسطوانات المحرك. لا يمكن للعمليات التقليدية تشكيل هياكل داخلية معقدة، لكن تقنية SLM قادرة على التشكيل دفعة واحدة، مما يحسن كفاءة تبديد حرارة المحرك بنسبة تزيد عن 20٪.

مستقبل واعد: ما هي الاختناقات التي يمكن لتقنية SLM أن تتخطاها بعد؟

مع تقدم الثورة الصناعية الرابعة (Industry 4.0)، ستتكامل تقنية SLM أيضًا مع الذكاء الاصطناعي والنسخ الرقمية (Digital Twins). على سبيل المثال، يمكن استخدام الذكاء الاصطناعي لتحسين مسار مسح الليزر وتقليل الإجهادات الداخلية للقطع؛ كما يمكن لتقنية النسخ الرقمية محاكاة عملية الطباعة وتحديد العيوب مسبقًا. في المستقبل، قد نشهد دخول المزيد من "القطع المعدنية المخصصة" إلى حياتنا — فقد تكون حتى فرامل سيارتك وصنبور المياه في منزلك مصنوعة بتقنية "الطباعة الليزرية"!