فناوری SLM چیست و چرا در تولید قطعات فلزی استفاده می‌شود؟

پرینت سه‌بعدی یا ساخت افزودنی یکی از جذاب‌ترین و تحول‌آفرین‌ترین فناوری‌های عصر حاضر است که رویه طراحی، توسعه و تولید محصولات را در صنایع مختلف زیر و رو کرده است. 

در این روش، بر خلاف روش‌های سنتی ساخت مانند تراش ‌کاری و فرزکاری که بر پایه برداشت ماده عمل می‌کنند، قطعات به‌صورت لایه ‌به ‌لایه‌ از روی یک مدل 3D کامپیوتر ساخته می‌شوند. 

این مفهوم در ظاهر ساده، دست مهندسان را برای خلق پیچیده‌ترین هندسه‌ها آزاد گذاشته است. با پیشرفت فناوری، ساخت افزودنی از حوزه نمونه‌سازی اولیه پلاستیکی فراتر رفته و وارد عرصه حساس قطعات فلزی با عملکرد بالا شده است.

 در میان تمام تکنولوژی‌های موجود برای تولید قطعات فلزی صنعتی، یک فناوری برجسته وجود دارد که به عنوان استاندارد طلایی صنایع ساخت هوافضا، پزشکی و خودروسازی شناخته می‌شود. 

این تکنولوژی پیشرفته، ذوب لیزری انتخابی یا همان SLM نام دارد که انقلابی در بازدهی و استحکام قطعات ایجاد کرده است.

مفهوم کلی پرینت سه بعدی و سیر تحول آن در صنعت

برای درک بهتر جایگاه  SLM، ابتدا باید نگاهی کوتاه به ماهیت کلی پرینت سه بعدی داشته باشیم. فناوری پرینت سه بعدی به فرایندی اطلاق می‌شود که در آن داده‌های دیجیتال سه ‌بعدی فایل‌هایCAD به قطعات فیزیکی واقعی تبدیل می‌شوند. 

در روزهای نخست پیدایش این فناوری در دهه ۱۹۸۰ میلادی، ابزارها عمدتاً محدود به رزین‌های پلیمر و ترموپلاستیک‌ها بودند و تنها برای ساخت نمونه‌های اولیه کاربرد داشتند. اما صنایع سنگین مانند هوافضا، خودروسازی و تجهیزات پزشکی نیازمند قطعاتی بودند که بتوانند در برابر دماهای بسیار بالا، فشارهای مکانیکی شدید و محیط‌های خورنده مقاومت کنند؛ ویژگی‌هایی که تنها در فلزات و آلیاژهای مهندسی یافت می‌شود.

ورود فلزات به دنیای ساخت افزودنی، سرآغاز دورانی جدید در مهندسی بود. صنایع به دنبال روشی بودند که بتواند پودرهای فلزی را با دقتی در حد میکرون ذوب کرده و قطعاتی یکپارچه، متراکم و بدون منفذ تولید کند. 

این نیاز صنعتی منجر به ظهور فناوری‌های تخت پودر یا  Powder Bed Fusion شد که سرآمد آن‌ها تکنولوژی ذوب لیزری انتخابی است.

فناوری SLM چیست؟ 

کلمه SLM مخفف عبارت Selective Laser Melting به معنای ذوب لیزری انتخابی است. این تکنولوژی یکی از پیشرفته‌ترین زیرمجموعه‌های ساخت افزودنی فلزی به شمار می‌رود که در استاندارد بین‌المللی ASTM تحت عنوان پیوند تخت پودری لیزری Laser Powder Bed Fusion یا L-PBF دسته‌بندی می‌شود.

در تکنولوژی پرینت سه بعدی فلزی SLM از یک پرتو لیزر فیبر پرقدرت برای ذوب کامل و موضعی پودرهای فلزی استفاده می‌شود.

نکته کلیدی در تعریف این تکنولوژی، کلمه ذوب کامل است. برخلاف برخی روش‌های قدیمی‌تر مانند سینترینگ گزینشی با لیزر که با نام SLS شناخته شده است، که در آن‌ها ذرات پودر تنها در سطح خود پدیده‌ سینترینگ یا چسبندگی سطحی را تجربه می‌کردند، در این فرایند پودر فلز به دمای ذوب کامل خود می‌رسد. 

این امر باعث می‌شود که ذرات فلزی کاملاً مایع شده، به یکدیگر بپیوندند و پس از انجماد سریع، قطعه‌ای با چسبندگی مولکولی فوق‌العاده و چگالی نزدیک به ۱۰۰ درصد تشکیل دهند.

فرایند ساخت معمولاً در یک محفظه بسته و کاملاً ایزوله انجام می‌شود که با گازهای بی‌خطر مانند آرگون یا نیتروژن پر شده است.

علت استفاده از این گازها، کاهش میزان اکسیژن محیط به زیر ۱۰۰۰ بخش در میلیون ppm است تا از اکسیداسیون و اشتعال پودرهای فلزی واکنش‌پذیر مانند تیتانیوم و آلومینیوم در دماهای بالای لیزر جلوگیری شود.

مکانیسم و نحوه عملکرد پرینت سه بعدی فلزی  SLM

فرایند ساخت قطعه در روش پرینت سه بعدی فلزی SLM شامل چندین مرحله دقیق و پیاپی است که بر اساس فایل سه بعدی طراحی شده اجرا می‌شوند. برای آشنایی دقیق‌تر با جزئیات گام‌به‌گام فرایند ساخت از فاز نرم‌افزاری تا خروجی نهایی، پیشنهاد می‌کنیم مقاله پرینتر سه بعدی فلزی چگونه کار می‌کند؟ از طراحی تا تولید قطعه را مطالعه کنید. به‌طور خلاصه مراحل کار در این فناوری شامل مواردی است که در ادامه بررسی می‌کنیم:

۱. آماده‌سازی فایل دیجیتال و برش‌دهی 

ابتدا مدل سه بعدی قطعه در نرم‌افزارهای CAD طراحی شده و با فرمت STL یا 3MF خروجی گرفته می‌شود. سپس نرم‌افزار آماده‌سازی پرینت، این مدل را به لایه‌های بسیار نازک که معمولاً بین ۲۰ تا ۶۰ میکرون برش می‌دهد. در این مرحله، الگوی حرکت لیزر، توان لیزر، سرعت اسکن و سازه‌های تکیه‌گاهی تعیین می‌شوند.

۲. اعمال لایه پودر فلز 

داخل دستگاه، یک تیغه یا غلتک مخصوص ، لایه‌ای بسیار یکنواخت و نازک از پودر فلز را از مخزن پودر برداشته و روی صفحه ساخت پخش می‌کند. یکنواختی این لایه تأثیر مستقیمی بر کیفیت نهایی قطعه دارد.

۳. تابش لیزر و ذوب گزینشی

پرتو لیزر فیبر با توان متداول ۲۰۰ تا ۱۰۰۰ وات با استفاده از آئینه‌های گالوانومتر پرسرعت، سطح پودر را طبق الگوی دو بعدی مربوط به آن لایه اسکن می‌کند. انرژی بالای لیزر، ذرات پودر فلز را در نقاط مشخص شده به سرعت ذوب کرده و حوضچه ذوب تشکیل می‌دهد.

۴. پایین رفتن پلتفرم و تکرار چرخه

پس از پایان ذوب یک لایه، پلتفرم ساخت به اندازه ضخامت یک لایه مثلاً ۳۰ میکرون در راستای محور Z پایین می‌رود. سپس تیغه دوباره لایه جدیدی از پودر را روی لایه قبلی می‌کشد و لیزر لایه جدید را ذوب کرده و هم‌زمان به لایه زیرین متصل می‌سازد. این چرخه صدها یا هزاران بار تکرار می‌شود تا قطعه نهایی به‌طور کامل شکل گیرد.

چرا فناوری SLM در تولید قطعات فلزی استفاده می‌شود؟ 

استفاده از پرینت سه بعدی فلزی SLM در صنایع پیشرفته بی دلیل نیست. روش‌های سنتی مانند ریخته‌گری، فورج و ماشین‌کاری CNC سال‌هاست که پاسخگوی نیازهای صنعت بوده‌اند، اما با پیچیده‌تر شدن نیازهای مهندسی، محدودیت‌های این روش‌ها نمایان شده است. دلایل اصلی محبوبیت و مزایاز کلیدی این تکنولوژی عبارتند از:

۱. ساخت هندسه‌های فوق‌العاده پیچیده و بدون محدودیت

بزرگ‌ترین مزیت این روش، آزادی بی‌نظیر در طراحی است. در روش‌های سنتی، ساخت قطعات دارای حفره‌های داخلی، کانال‌های خمیده یا شبکه‌های متخلخل تقریباً غیرممکن یا بسیار هزینه‌بر است. اما تکنولوژی پرینت سه بعدی فلزی SLM به مهندسان اجازه می‌دهد پیچیده‌ترین اشکال هندسی را بدون نیاز به ابزار برشی یا قالب‌سازی تولید کنند.

۲. خواص مکانیکی عالی و چگالی بالای ۱۰۰ درصد

به دلیل ذوب کامل ذرات فلز، قطعات خروجی دارای ساختاری یکنواخت، بدون منافذ ریز و با چگالی بالاتر از ۹۹/۹ درصد هستند. خواص مکانیکی نظیر استحکام کششی، تسلیم و سختی در قطعات حاصل از این فرایند، نه تنها با قطعات ریخته‌گری رقابت می‌کند، بلکه در مواردی به دلیل ریزساختار فوق‌العاده ریز ناشی از انجماد سریع، از قطعات فورج‌شده نیز فراتر می‌رود.

۳. بهینه‌سازی توپولوژی و کاهش وزن قطعات

در صنایعی مانند هوافضا و خودروسازی، کاهش هر گرم از وزن قطعه به معنای مصرف سوخت کمتر و کارایی بالاتر است. با استفاده از الگوریتم‌های بهینه‌سازی توپولوژی،  می‌توان جرم‌های اضافی قطعه را حذف کرده و فقط در مسیرهای انتقال نیرو ماده قرار داد. نتیجه این کار، قطعاتی سبک‌تر و در عین حال مستحکم‌تر است.

۴. کاهش ضایعات مواد اولیه

در ماشین‌کاری CNC گاهی تا ۹۰ درصد از بلوک فلزی اولیه به براده و ضایعات تبدیل می‌شود. اما در فرایند پرینت سه بعدی فلزی SLM، تنها پودری که ذوب می‌شود قطعه را می‌سازد و پودرهای ذوب‌نشده اطراف قطعه می‌توانند بازیابی، غربال و دوباره در چرخه‌های بعدی استفاده شوند.

۵. یکپارچه‌سازی قطعات

مجموعه‌های صنعتی که در گذشته از مونتاژ ده‌ها قطعه مجزا با پیچ، مهره و جوشکاری ساخته می‌شدند، اکنون می‌توانند به عنوان یک قطعه تک‌جزیی و یکپارچه به صورت مستقیم طراحی و پرینت شوند. این امر خطاهای مونتاژ و نقاط تمرکز تنش را به حداقل می‌رساند.

مواد و آلیاژهای قابل استفاده در فناوری SLM

تنوع آلیاژهای فلزی قابل استفاده در این فرایند روز به روز در حال گسترش است. پودرهای فلزی مورد استفاده باید کاملاً کروی شکل بوده و توزیع اندازه ذرات آن‌ها معمولاً بین ۱۵ تا ۶۳ میکرون باشد تا سیالیت و تراکم بالایی در لایه‌نشانی ایجاد کنند. مهم‌ترین مواد عبارتند از:

• فولادهای ضد زنگ : مانند 316L  و 17-4PH که مقاومت به خوردگی و استحکام بالایی دارند و در تجهیزات پزشکی و صنایع غذایی کاربرد دارند.
• آلیاژهای آلومینیوم:  نظیر AlSi10Mg که به دلیل وزن سبک و رسانایی گرمایی خوب، در قطعات خودرو و هوافضا استفاده می‌شوند.
• آلیاژهای تیتانیوم :  به‌ویژه Ti6Al4V که زیست‌سازگار بوده و نسبت استحکام به وزن فوق‌العاده‌ای دارد؛ ایده‌آل برای ایمپلنت‌های پزشکی و صنایع هوافضا.
• سوپرآلیاژهای پایه نیکل:   مانند Inconel 718 و Inconel 625 که در دماهای بسیار بالا و محیط‌های خورنده شدید توربین‌ها پایداری خود را حفظ می‌کنند.
• آلیاژهای کوبالت کروم : با مقاومت سایشی بالا برای کاربردهای دندان‌پزشکی و مفصل‌های مصنوعی.

مقایسه SLM با سایر فناوری‌های ساخت افزودنی فلزی

ساخت افزودنی فلزی منحصر به یک روش نیست. فناوری‌های دیگری مانند رسوب‌دهی انرژی هدایت‌شده DED و ذوب با پرتو الکترونی EBM نیز در صنعت حضور دارند. 

برای درک بهتر تفاوت‌های این روش‌ها با روش ذوب گزینشی، مطالعه مقاله فناوری DED چیست و چه کاربردی در ساخت قطعات فلزی دارد؟ می‌تواند دید جامع‌تری درباره روش‌های تغذیه مستقیم ماده ارائه دهد.

در جدول زیر، مقایسه‌ای جامع بین پرکاربردترین فناوری‌های پرینت سه بعدی فلزی انجام شده است:

کاربردهای صنعتی فناوری SLM

امروزه شیوه پرینت سه بعدی فلزی SLMاز فاز آزمایشگاهی خارج شده و در خطوط تولید پیشرفته‌ترین صنایع جهان به کار گرفته می‌شود:

۱. صنعت هوافضا و دفاعی

کاهش وزن در صنعت هوافضا ارزش بالایی دارد. با استفاده از این تکنولوژی، قطعاتی مانند نازل‌های سوخت جت، پره‌های توربین، برکت‌های ساختاری و محفظه احتراق موشک به صورت یکپارچه با کانال‌های خنک‌کننده داخلی تولید می‌شوند که هم وزن کمتری دارند و هم راندمان موتور را افزایش می‌دهند.

۲. صنعت پزشکی و دندان‌پزشکی

آناتومی بدن انسان برای هر فرد منحصر‌به‌فرد است. تکنولوژی پرینت سه بعدی فلزی SLM امکان ساخت ایمپلنت‌های سفارشی تیتانیومی مانند مفصل ران، پروتزهای جمجمه و ستون فقرات را فراهم می‌کند. علاوه بر این، امکان ایجاد ساختارهای متخلخل اسفنجی روی سطح ایمپلنت وجود دارد که به استخوان‌سازی  و پیوند سریع‌تر استخوان کمک شایانی می‌کند.

۳. صنعت خودرو و مسابقات فرمول ۱

تیم‌های مسابقه‌ای از این روش برای تولید سریع قطعات سفارشی سبک‌وزن مانند منیفولدهای ورودی، کالیپرهای ترمز و قطعات سیستم تعلیق استفاده می‌کنند تا شتاب و هندلینگ خودرو را بهبود بخشند.

۴. قالب‌سازی و ابزارسازی 

یکی از درخشان‌ترین کاربردهای این فرایند، ساخت قالب‌های تزریق پلاستیک و دایکست با کانال‌های خنک‌کاری هم‌شکل  است. این کانال‌ها فرم انحنای قطعه را دنبال می‌کنند و زمان خنک‌شدن قالب را تا ۳۰ درصد کاهش داده و کیفیت قطعات تولیدی را به شدت بهبود می‌باشند.

چالش‌ها و عملیات پس‌پردازش در SLM

با وجود تمام مزایا، این روش بدون چالش نیست. به دلیل نرخ سرمایش بسیار سریع، در حدود میلیون‌ها درجه بر ثانیه، و دمای بالای لیزر، تنش‌های حرارتی پسماند در قطعه ایجاد می‌شود که ممکن است منجر به تاب‌دیدگی یا ترک‌خوردگی گردد.

برای حل این چالش‌ها، عملیات پس‌پردازش زیر ضروری است:

• عملیات حرارتی و تنش‌زدایی: قطعه همراه با صفحه ساخت داخل کوره قرار می‌گیرد تا تنش‌های حرارتی آزاد شوند.
• جداسازی از صفحه ساخت و حذف ساپورت‌ها: قطعه به وسیله برش سیمی از صفحه جدا شده و سازه‌های تکیه‌گاهی جدا می‌شوند.
• فشرده‌سازی گرم ایزواستاتیک: برای حذف منافذ بسیار ریز باقی‌مانده و بهبود عمر خستگی قطعه استفاده می‌شود.
• ماشین‌کاری تکمیلی و پرداخت سطح: در سطوح حساس به آب‌بندی یا محل‌های اتصال، ماشین‌کاری CNC و پرداخت سطحی انجام می‌گیرد.

مجموعه این مراحل نقش مهمی در دستیابی به قطعه نهایی با کیفیت و دقت مطلوب دارد. برای آشنایی بیشتر با فرآیند تولید و خدمات پرینت سه‌بعدی فلزی، می‌توانید خدمات تخصصی این حوزه را بررسی کنید.

آینده پرینت سه بعدی فلزی SLM در صنایع پیشرفته

چرخه توسعه روش پرینت سه بعدی فلزی SLM با سرعت در حال پیشرفت است. نسل جدید دستگاه‌ها به لیزرهای چندگانهمجهز شده‌اند که ۴ تا ۱۲ لیزر هم‌زمان روی یک تخت پودر کار می‌کنند. 

این امر سرعت ساخت را چند برابر کرده و هزینه تولید را به‌طور چشمگیری کاهش می‌دهد. همچنین ادغام هوش مصنوعی و سیستم‌های پایش لحظه‌ای باعث می‌شود هرگونه عیب ساخت در همان لایه شناسایی و برطرف شود.

 با افت قیمت پودرهای فلزی و افزایش سرعت پرینترها، انتظار می‌رود این روش در سال‌های آینده جایگزین بخش زیادی از روش‌های سنتی ساخت قطعات فلزی گردد.

نتیجه‌گیری

فناوری ذوب لیزری انتخابی یا SLM به عنوان یکی از پیشرفته‌ترین روش‌های ساخت افزودنی، تحولی بنیادین در صنعت تولید قطعات فلزی ایجاد کرده است. 

توانایی خلق قطعات فوق‌العاده پیچیده با چگالی کامل، کاهش وزن، یکپارچه‌سازی مجموعه‌ها و عدم نیاز به قالب‌سازی، این روش را به انتخابی بی‌بدیل برای صنایع هوافضا، پزشکی، خودروسازی و قالب‌سازی تبدیل کرده است. 

اگرچه چالش‌هایی نظیر هزینه اولیه و نیاز به پس‌پردازش وجود دارد، اما با پیشرفت روزافزون تجهیزات و معرفی تکنولوژی‌های جدید در زمینه پرینت سه بعدی فلزی SLM، این فرایند در حال تبدیل شدن به رکن اصلی تولید پیشرفته در عصر صنعت ۴.۰ است.

سوالات متداول درباره فناوری SLM

1.آیا قطعات تولید شده با SLM استحکام کافی برای کاربردهای حساس را دارند؟

بله، قطعات تولید شده با این روش دارای چگالی بالای ۹۹/۹٪ بوده و پس از عملیات حرارتی مناسب، خواص مکانیکی و استحکام آن‌ها برابر یا حتی بالاتر از قطعات ریخته‌گری و فورج‌شده سنتی است.

2. تفاوت اصلی فناوری SLM با SLS چیست؟

فناوری SLS عمدتاً برای پودرهای پلیمری و پلاستیکی استفاده می‌شود و ذرات را سینتر می‌کند، اما SLM مخصوص پودرهای فلزی است و ذرات را کاملاً ذوب می‌نماید.

3. آیا قطعات پس از پرینت بلافاصله قابل استفاده هستند؟

خیر، تمامی قطعات نیازمند تنش‌زدایی حرارتی، جداسازی ساپورت‌ها و در صورت نیاز ماشین‌کاری تکمیلی یا پرداخت سطح هستند.

4. چرا هزینه تولید قطعات با این تکنولوژی بالاتر از روش‌های سنتی است؟

هزینه بالای دستگاه‌های لیزری، قیمت پودرهای فلزی باکیفیت و نیاز به گازهای بی‌خطر و عملیات پس‌پردازش از عوامل اصلی هزینه بالاتر در تیراژهای انبوه است، هرچند برای قطعات پیچیده و تیراژ کم بسیار به‌صرفه است.

References:  addimen - wikipedia