چالش کارایی استراتژی اسکن لیزری در کاهش تنش قطعات چاپ‌شده سه بعدی فلزی برای دانشمندان
برای تولیدکنندگان، ساخت افزایشی یا چاپ سه‌بعدی نسبت به روش‌های سنتی امکانی برتر برای ساخت قطعات پیچیده با دوام، سبک و سازگار با محیط زیست به‌حساب می‌آید. این صنعت در حال رشد است و طبق برخی از پیش‌بینی‌ها هر سه سال دوبرابر خواهد شد، اما حقیقت این است که در اغلب مواقع هر رشدی با دردهایی همراه است.
تحقیقات تازه در ایالات متحده بیان می‌کند که یک روش کاملا جا افتاده برای کاهش تنش‌های باقیمانده در قطعات چاپ شده سه‌بعدی فلزی ممکن است به اندازه تصورات فعالان بخش ساخت افزایشی موثر نباشد.
اسکن جزیره‌ای یک استراتژی اسکن لیزری مرسوم است که توسط اغلب سازنده‌های ساخت افزایشی برای از بین بردن تنش در قطعات فلزی که با روش هم‌جوشی لیزری بستر پودری[1] به‌صورت سه بعدی چاپ شده‌اند به‌کار می‌رود. این رهیافت شامل تقسیم لایه‌های ساختمان به زیر بخش‌های کوچک‌تر می‌شود که معمولا برای کاهش انقباضات در قسمت چاپ سه‌بعدی، به شکل مربع هستند.
این گروه پژوهشی که بر روی کارایی اسکن جزیره‌ای کار کرده است، شامل دانشمندان موسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST)، آزمایشگاه ملی لاورنس لیورمور و دیگر موسسات است. این گروه از محققان دریافتند که روش اسکن جزیره‌ای، برخلاف انتظارات و آنچه تا کنون عنوان می‌شد در واقع باعث افزایش تنش باقیمانده در بعضی از ساختارهای هندسی پل مانند می‌شود.
تین فان یکی از نویسندگان این مقاله که مهندس تحقیقات مواد در موسسه ملی استاندارد و فناوری است، بیان می‌کند که اسکن جزیره‌ای اگرچه در بسیاری از موارد کارگشاست اما در تحقیق ما کارساز نبود و این واقعیت را نشان داد که برای هر کار نیاز به مدل سازی دقیق داریم. او معتقد است نتیجه تحقیق جدید بسیار غیرمنتظره و موید پیچیدگی مسئله است.
شکل 1: مسیر پیوسته اسکن در مقایسه با مسیرهای اسکن جزیره‌ای. روش جدید برای کاهش تنش، هر لایه را به مربع‌های کوچک‌تر تقسیم می‌کند.(عکس از آزمایشگاه ملی لاورنس لیورمور)
تنش باقیمانده، یک نقطه ضعف در چاپ سه‌بعدی فلزات
هنگام چاپ سه‌بعدی قطعات صنعتی فلزی، تنش‌های باقیمانده باید مورد توجه قرار بگیرد. این تنش‌ها در اثر چرخه گرم و سرد شدن است که در مواد اولیه، در زمانی‌که لیزر بستر پودر را اسکن می‌کند ایجاد می‌شود. هنگامی‌که پودر داخل محفظه ذوب می‌شود، منبسط می‌شود و وقتی که سرد می‌شود به حالت قبلی برمی‌گردد. این انقباضات، مواد ذوب شده اطراف را می‌کشد و باعث ایجاد تنش داخلی می‌گردد. در موارد شدید، این تنش‌های باقیمانده می‌تواند باعث نقص‌ها، ترک‌ها و شکستگی در قسمت چاپ سه‌بعدی سرد شده شود و کل ساختار را خراب کند. حتی در بعضی موارد مقدار زیاد تنش باقیمانده در یک قطعه، می‌تواند منجر به خراب شدن خود دستگاه شود.
برای مبارزه با تنش‌های باقیمانده، اصلاح استراتژی‌های اسکن لیزری اولین خطوط دفاعی را تشکیل می‌دهد. در این راستا مهندسان به‌جای به‌کارگیری یک مسیر اسکن پیوسته که همه لایه را در یک حرکت ذوب می‌کند، می‌توانند اسکن جزیره‌ای را انتخاب و به‌جای روش قبلی جزایر یا مقاطع کوچک فلزی را ذوب کنند. راهکار اخیر به این معنی است که در یک زمان واحد ماده مذاب کمتری انعقاد می‌یابد و این امر باعث کاهش تنش کلی در قطعه می‌شود.
شکل 2: تنش باقیمانده می‌تواند باعث شکسته شدن قطعات فلزی چاپ شده سه‌بعدی شود. عکس از دانشگاه پیتسبورگ[2]
آثار اسکن جزیره‌ای
حتی در اسکن جزیره‌ای که کارساز بودن آن اثبات شده است، تحقیقات جامع محدودی در مورد تاثیرات واقعی این روش وجود دارد و این مسئله به ایجاد شکاف در درک آن منجر شده است. برای تجزیه و تحلیل این راهکار با جزییات زیاد، تیم آمریکایی تعدادی پل‌های آلیاژ تیتانیوم را به صورت سه‌بعدی چاپ کردند، هر واحد دارای طول 2 سانتی‌متر بود. هر کدام از نمونه‌های آزمایشی با استفاده از روش اسکن جزیره‌ای یا روش پیوسته ساخته شده بودند.
با نگاه از بیرون همه پل‌ها مشابه به نظر می‌رسیدند، بنابراین دانشمندان از اشعه ایکس با انرژی بالا برای محاسبه تنش در آن‌ها استفاده کردند. به‌طور جالبی بالاترین سطح کشش به‌دست آمده متعلق به برخی لبه‌های پل‌های چاپ شده سه‌بعدی با روش اسکن جزیره‌ای بود.
لایل لوین از نویسندگان مقاله و فیزیکدان موسسه ملی استاندارد اذعان می‌دارد، نمونه‌های اسکن جزیره‌ای مقدار تنش زیادی در بالا و کناره‌های خود داشتند؛ چیزی که در نمونه‌های اسکن پیوسته یا وجود نداشت یا قابل عرض نبود. و به اعتقاد این فیزیکدان اگرچه روش اسکن جزیره‌ای روشی است که در صنعت برای کاهش تنش استفاده می‌شود، اما در این مورد خاص موفقیت چندانی نداشت.
در حقیقت این گروه معتقد است روش اسکن جزیره‌ای مانند یک شمشیر دو لبه است، یعنی در حالی‌که جزیره‌هایی با اندازه کوچک‌تر سبب کاهش انقباض می‌شود، اما این جزیره‌ها ممکن است سریع‌تر از استخرهای مذاب بزرگ‌تر اطراف سرد شوند. به این ترتیب این روش سردشدن سریع‌تر و اختلاف دمایی بالاتری ایجاد می‌کند که می‌تواند تنش را افزایش دهد. در نهایت نتایج نشان می‌دهد که باید در نظر گرفت اسکن جزیره‌ای مبنای پروژه به پروژه دارد و نباید به صورت یک راه حل معجزه آسای فراگیر به‌حساب آید. برای کاهش اثرات تنش باقیمانده در چاپ سه‌بعدی فلز، تولیدکنندگان همچنین باید سایر پارامترهای چاپ ویژه ساخت را در نظر بگیرند و به‌جای آزمون و خطا از مدل‌ها برای شناسایی سریع و ارزان بهترین پارامترها استفاده کنند.
شکل 3: نقشه تنش در پل‌های تیتانیوم که به‌صورت سه‌بعدی چاپ شده‌اند. ساختمان‌های اسکن جزیره‌ای استرس بیشتری را در لبه‌ها نشان می‌دهند. تصویر متعلق به آزمایشگاه ملی لاورنس لیورمور است.
جزییات این مطالعه در نشریه ساخت افزایشی در پایگاه ScienceDirect انتشار یافته است.
کاهش نقص، یک حوزه پرکار تحقیقاتی در میان جامعه چاپ سه‌بعدی محسوب می‌شود که میزبان روش‌های نوین برای توسعه ساخت افزایشی است. پیش از این تیم دیگری از محققان آزمایشگاه ملی آرگون و دانشگاه A&M تگزاس برای پیش‌بینی نقص‌های قطعات چاپ‌شده سه‌بعدی از روش داده‌های دمایی در لحظه هراه الگوریتم‌های یادگیری ماشین استفاده کرده بودند. این روش شامل ایجاد پیوندهای همبستگی بین تاریخچه حرارتی و تشکیل نقص‌های زیرسطحی حین هم‌جوشی لیزری بستر پودری است.
همچنین، به‌تازگی یک گروه از محققان چینی و آمریکایی کشف کردند که در یک چاپ‌گر سه‌بعدی هم‌جوشی بستر پودری با «محدودیت سرعت»، در قسمت چاپ شده احتمالا نقص‌های کمتری وجود دارد. این گروه با استفاده از تصویربرداری اشعه ایکس عریض، توانست پارامترهایی را تعیین کند که در آن شرایط حباب‌های J شکل در استخر مواد مذاب بهتر می‌تواند کنترل شود.
این تحقیقات نمونه‌هایی از تازه‌ترین تحققیقات انجام شده برای بهبود روش‌های هم‌جوشی لیزری بستر پودری و کاهش و نقص در تولیدات چاپ سه‌بعدی به شمار می‌روند.
منابع:
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2021-05/nios-nrc051921.php
مرجع:
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2214860421001688
[1] Laser powder bed fusion (L-PBF)
[2] Pittsburgh