كيفية تشكيل مساحيق المعادن لطباعة الليزر ثلاثية الأبعاد

البودرة المعدنية هي واحدة من المكونات الأكثر أهمية في صناعة التصنيع الإضافي (AM)، حيث تشكل الأساس للأجزاء المعدنية المطبوعة ثلاثيًا. في مؤتمر تكنولوجيا الطباعة الثلاثية الأبعاد العالمي لعام 2013، عرّف الخبراء الطباعة ثلاثية الأبعاد مسحوق معدني على أنها مجموعة من الجزيئات المعدنية ذات الأقطار الأقل من 1 مم، بما في ذلك المعادن النقية وسبائك المعادن والمكونات المقاومة للحرارة ذات الخصائص المعدنية.

تتوفر حاليًا بودرات معدنية لـ الطباعة ثلاثية الأبعاد تشمل سبائك الكوبالت-الكروم، والفولاذ المقاوم للصدأ، وفولاذ الأدوات، وسبائك البرونز، وسبائك التيتانيوم، وسبائك النيكل-الألومنيوم. ولتلبية متطلبات عمليات التصنيع الإضافي الصارمة، يجب أن تتميز مساحيق المعادن بـ:

• حجم جزيئات ناعم

• توزيع ضيق للحجم

• كروية عالية

• قابلية جريان ممتازة

• كثافة تعبئة وكثافة مجمعة عالية

طرق إنتاج المساحيق

اعتمادًا على التطبيق المقصود والعملية الشكلية اللاحقة، تُستخدم تقنيات مختلفة لإنتاج المساحيق. وتندرج هذه التقنيات ضمن فئتين رئيسيتين:

• الطرق الفيزيوكيميائية

• الأساليب الميكانيكية

في صناعة ميتالورجيا المساحيق، التحليل الكهربائي , التقليل , و التقطير تُعتبر شائعة، على الرغم من أن ليست جميعها مناسبة لإنتاج سبائك المساحيق. وتركز التصنيع الإضافي بشكل رئيسي على سبائك التيتانيوم , السبائك الفائقة , كوبالت-كروم , الفولاذ ذو القوة العالية , و أصناف الصلب الأدواتي . لضمان الالتزام بمعايير الأداء، يجب أن تحتفظ المساحيق بما يلي:

• محتوى منخفض من الأكسجين والنيتروجين

• كروية عالية

• نطاق ضيق لحجم الجسيمات

• كثافة سائبة عالية

في الوقت الحالي، هناك أربع طرق بارزة لإنتاج مساحيق المعادن الكروية المستخدمة في التصنيع الإضافة، وهي:

1. عملية قطب الدوران البلاسما (PREP)

2. تذويب البلاسما (PA)

3. تذويب الغاز (GA)

4. تغليظ البلاسما (PS)

1. عملية القطب الدوار البلازمي (PREP)

المبدأ:
تُدار قضبان معدنية (أقطاب) بسرعات عالية في حين تنصهر نهايتها بواسطة قوس بلازمي. ويتم طرد المادة المنصهرة بفعل قوة الطرد المركزي، مُشكِّلةً قطرات صغيرة تتجمد لتصبح مسحوقًا شبه كروي تحت ظروف غاز خامل.

الميزات الرئيسية:

• ينتج مسحوقًا نظيفًا وشديد الكروية

• قابلية تدفق ممتازة وجودة سطحية عالية

• توزيع ضيق لحجم الجسيمات

قيود:

• ناتج أقل من المساحيق الدقيقة (<45 ميكرومتر)

• متطلبات معدات أعلى (السرعة الدورانية، والاحتواء)

• تكاليف أعلى للمساحيق الدقيقة

تطبيق:
تناسب بشكل أفضل إنتاج مساحيق سبائك كروية مثل التيتانيوم والسبائك ذات درجة الحرارة العالية. تُستخدم الأحجام الأكبر غالبًا في عمليات تشكيل الشبكة الصافية المُحسَّنة بالليزر (LENS) أو ترسيب الطاقة المُوجَّهة (DED).

2. التذبذب البلازمي (PA)

المبدأ:
تُغذَّى سلك معدني إلى منطقة بلازما ذات درجة حرارة عالية، حيث ينصهر أو يتبخر ويُفتت إلى قطرات دقيقة بواسطة الطاقة الحركية للبلازما. تبرد هذه القطرات وتتصلب لتصبح مساحيق دقيقة أثناء نزولها عبر غرفة غاز خامل.

الميزات الرئيسية:

• إنتاجية عالية من المسحوق الناعم للغاية (<45 ميكرون)

• عدد قليل جدًا من الجسيمات المجوفة أو احتجاز الغاز

• ممتازة للسبائك ذات درجة الانصهار العالية

قيود:

• يتطلب تغذية سلكية، مما يحد من مرونة السبائك

• تكاليف إنتاج أعلى بسبب معالجة الأسلاك

• وجود بعض المسحوق الثانوي (القمرية)

تطبيق:
مثالية للتطبيقات في التصنيع الإضافي التي تتطلب مسحوقًا نقيًا جدًا وذو حبيبات دقيقة. مناسبة جدًا للسبائك التيتانية المستخدمة في انصهار الليزر الانتقائي (SLM) وانصهار الحزمة الإلكترونية (EBM).

3. التذرية الغازية (GA)

الأنواع:

• VIGA (تذرية الغاز بالحث تحت الفراغ)
  تستخدم بوتقة لصهر المعدن تحت ظروف تفريغ. يتم تكسير تيار المعدن المنصهر إلى قطرات بواسطة فوهات غاز خامل ذي ضغط عالٍ.

• EIGA (Electrode Induction-melting Inert Gas Atomization)
  تقوم بتسخين قطب معدني دوار باستخدام ملفات الحث، مما يلغي الحاجة إلى بوتقة ويقلل من خطر التلوث.

الميزات الرئيسية:

• كفاءة عالية وفعالية تكلفة

• توافق واسع مع السبائك (الفولاذ، النيكل، الكوبالت، الألومنيوم، النحاس)

• حجم الجسيمات قابل للتحكم

قيود:

• كروية أقل من الطرق المعتمدة على البلازما

• محتوى أعلى من المسحوق المداري والمسحوق المجوف

• تسبب محاصرة الهواء في جعله أقل ملاءمة لتقنية EBM أو الضغط đẳngاري الحراري (HIP)

تطبيق:
تُستخدم على نطاق واسع لإنتاج مساحيق لعمليات SLM وDED. تحسينات مستمرة مثل ت atomization الغاز بالموجات فوق الصوتية والتدفق الطبائعي ساهمت في تحسين جودة المسحوق للتصنيع الإضافي.

4. التكوير البلاسما (PS)

المبدأ:
تُغذى مساحيق معدنية غير منتظمة إلى مصباح بلازما ذو تردد راديوي (RF). تسخن الجسيمات إلى درجة قريبة من نقطة انصهارها أو أعلى منها، ثم تُبرد بسرعة، مُشكِّلة جسيمات كروية تحت تأثير التوتر السطحي.

الميزات الرئيسية:

• كروية عالية وأسطح ناعمة

• قابلية جيدة للتدفق

• مناسبة للمعادن المقاومة للحرارة (التنغستن، النيوبيوم، الموليبدينوم، التنتالوم)

قيود:

• دورات تسخين طويلة

• محتوى مرتفع من الأكسجين بسبب زيادة مساحة السطح

• فقدان عناصر السبيكة المتطايرة أثناء عملية الإنصهار

تطبيق:
تُستخدم بشكل رئيسي لإعادة معالجة المساحيق غير الكروية إلى مساحيق كروية. كما أنها مفيدة في استرجاع المساحيق المستعملة أو المعاد تدويرها.

مقارنة الطرق

خاتمة

عالميًا، تشهد تقنيات التصنيع الإضافي تقدمًا سريعًا فيما يتعلق بالمواد والمعدات والتطبيقات. وعلى الرغم من أن الاهتمام الحالي يتركز غالبًا على عملية الطباعة نفسها، إلا أن تطوير المساحيق المعدنية في المراحل السابقة — وخاصة تصميم السبائك، ومعدات الإنتاج، وتكنولوجيا التكوير منخفضة التكلفة — تظل مجالًا حيويًا ولكنه غير مكتمل التطوير.

لدعم نظام بيئي قوي ومستقل لتقنيات التصنيع الإضافي، يجب الانتباه أكثر إلى البنية التحتية لإنتاج المساحيق والابتكار في العمليات والأبحاث المتعلقة بالمواد. وبناء القدرات في هذه المجالات أمر ضروري لتحقيق حلول متطورة وفعالة من حيث التكلفة وقابلة للتوسيع في الطباعة ثلاثية الأبعاد للمعادن.