التقدم البحثي في مجال ذرية الغاز لتحضير المساحيق المعدنية المستخدمة في الطباعة ثلاثية الأبعاد
ظهرت تكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد، والمعروفة أيضًا باسم التصنيع الإضافي، في ثلاثينيات القرن العشرين. إنها تقنية يتم من خلالها بناء الأجزاء طبقة تلو الأخرى (على سبيل المثال، باستخدام مساحيق معدنية) استنادًا إلى نموذج كمبيوتر-تم إنشاؤه ثلاثي-بأبعاد . بالمقارنة مع التصنيع الطرحي التقليدي، توفر الطباعة ثلاثية الأبعاد مزايا مثل حرية التصميم العالية، والاستخدام العالي للمواد، والقدرة على تصنيع هياكل معقدة، مما يُظهر آفاق تطبيق واسعة في الفضاء الجوي، والأجهزة الطبية، والتصنيع الدقيق، وغيرها من المجالات. يعتمد تطوير الطباعة المعدنية ثلاثية الأبعاد بشكل كبير على-مساحيق معدنية عالية الأداء، والتي تحدد خصائصها بشكل مباشر جودة وأداء الأجزاء المطبوعة. يجب أن تمتلك المساحيق المعدنية المثالية للطباعة ثلاثية الأبعاد كروية عالية، وحجم جسيمات صغير، وتوزيع ضيق لحجم الجسيمات، ونقاء عالي، وقابلية سيولة جيدة.
نشأت عملية ترذيذ الغاز (GA)، باعتبارها الطريقة الأساسية لإنتاج مساحيق المعادن، في عشرينيات القرن العشرين. فهو يستخدم نفث غاز عالي السرعة- للارتطام بتيار من المعدن المنصهر، وتقسيمه إلى قطرات صغيرة تتصلب إلى مساحيق كروية عند التبريد . تظهر المساحيق التي يتم إنتاجها بهذه الطريقة تركيبة موحدة وكروية عالية ومحتوى شوائب منخفض، وتمثل حاليًا 30% إلى 50% من إجمالي إنتاج المساحيق المعدنية للطباعة ثلاثية الأبعاد. ومع ذلك، فإن ذرات الغاز هي عملية معقدة تتضمن اقتران تدفق مرحلتين من الغاز والسائل؛ يمكن أن تؤدي التغييرات الطفيفة في معلمات العملية إلى اختلافات كبيرة في خصائص المسحوق، وبالتالي التأثير على أداء الأجزاء المطبوعة. ولذلك، فإن المراجعة المنهجية للتقدم البحثي في مجال تكنولوجيا رذاذ الغاز لها أهمية كبيرة لتعزيز تطوير صناعة الطباعة ثلاثية الأبعاد.
متطلبات أداء المساحيق المعدنية للطباعة ثلاثية الأبعاد
في عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد، تعمل المساحيق المعدنية كمواد خام، ويؤثر أدائها بشكل مباشر على توحيد انتشار المسحوق، وجودة التلبيد، والخواص الميكانيكية النهائية للأجزاء. تشمل مؤشرات الأداء الرئيسية نقاء المسحوق، وحجم الجسيمات، ومحتوى الأكسجين، وقابلية إعادة التدوير.
2.1 نقاء المسحوق
وجود عناصر شوائب يمكن أن يتفاعل مع المسحوق الأساسي، مما يقلل من الاستقرار الديناميكي الحراري والخواص الميكانيكية للمادة. على سبيل المثال، يمتص مسحوق سبائك Ti-6Al-4V بسهولة N وO وH والعناصر الأخرى عند تسخينه، مما يؤدي إلى تدهور الأداء. ومع ذلك، في بعض الحالات، قد يكون للشوائب تأثيرات إيجابية، مثل الشوائب الموجودة في مسحوق السيراميك Al2O3 والتي يمكن أن تخفض درجة حرارة التلبيد وتسهل العملية. لذلك، يجب تعديل نقاء المسحوق وفقًا للتطبيق المحدد.
2.2 حجم الجسيمات
يؤثر حجم الجسيمات بشكل مباشر على سمك طبقة انتشار المسحوق (عادةً 50-100 ميكرومتر) والقوة الدافعة للتلبيد. تستخدم عمليات التشكيل بالليزر عادةً أحجام جسيمات مسحوقية تتراوح بين 30-50 ميكرومترًا، بينما يستخدم تشكيل شعاع الإلكترون 50-90 ميكرومترًا. تميل الجسيمات الدقيقة جدًا إلى التسبب في ظواهر انتشار و"تكتل" غير متساوية، في حين أن الجسيمات الخشنة بشكل مفرط تزيد من زاوية التباعد وتقلل من كفاءة الاستخدام. ومن الناحية المثالية، هناك حاجة إلى خليط من المساحيق الناعمة والخشنة بنسبة مناسبة لموازنة قابلية التدفق وأداء التلبيد.
2.3 محتوى الأكسجين
محتوى الأكسجين ينشأ بشكل رئيسي من غاز الانحلال والمعدات. يمكن أن يشكل التلوث العالي بالأكسجين حدودًا للجسيمات السابقة (PPB)، مما يؤدي إلى تدهور أداء السبائك. أظهرت الدراسات أن محتوى الأكسجين في المساحيق يرتبط بحجم الجسيمات؛ ومع انخفاض حجم الجسيمات، يزيد محتوى الأكسجين. يمكن أن يؤدي تسخين الفراغ أو معالجة التخفيض إلى تقليل محتوى الأكسجين بشكل فعال.
2.4 إمكانية إعادة تدوير المسحوق
تكلفة مساحيق الطباعة ثلاثية الأبعاد مرتفعة، وإعادة التدوير يمكن أن توفر المواد الخام بشكل كبير. على سبيل المثال، بعد 21 دورة من الاستخدام، أظهر مسحوق Ti-6Al-4V زيادة في محتوى الأكسجين من 0.08% فقط إلى 0.19%، ويمكن إعادة استخدام الجزيئات غير الذائبة. قد تؤدي زيادة عدد دورات إعادة التدوير إلى تحسين كثافة الصنبور وقابلية التدفق دون التأثير على البنية المجهرية أو الخواص الميكانيكية.
المبادئ الأساسية لإنتاج المسحوق عن طريق الانحلال الغازي
يستخدم رذاذ الغاز نفث غاز عالي السرعة-لتقسيم تيار من المعدن المنصهر إلى قطرات، والتي تتصلب بعد ذلك إلى مساحيق كروية عند التبريد. تتكون العملية من ثلاث مراحل: ذوبان المعدن، والانحلال، والتبريد/التصلب. تُستخدم الغازات الخاملة (مثل النيتروجين والأرجون) بشكل شائع كوسيلة للانحلال لتجنب الأكسدة. يمكن تقسيم عملية ذرية الغاز إلى أربع مناطق:
المنطقة الأولى (منطقة اضطراب الضغط السلبي):يخلق غاز الانحلال ضغطًا سلبيًا عند مخرج الفوهة، مما يسحب تيار المعدن المنصهر ويشتته إلى شرائح سائلة.
المنطقة الثانية (منطقة تكوين القطرات الأولية):يتم في البداية تقسيم الشرائط السائلة إلى قطرات تحت تأثير التوتر السطحي وتدفق الغاز.
المنطقة الثالثة (منطقة الانحلال الفعالة):تعمل نفاثات الغاز عالية السرعة- على تكسير القطرات إلى جزيئات أصغر.
المنطقة الرابعة (منطقة التبريد والتجميد):تسقط القطرات بحرية وتتجمد إلى مساحيق كروية عند التبريد.