ساخت افزودنی با فولاد

چاپ سه بعدی که به عنوان تولید افزودنی نیز شناخته می شود، روش ساخت اشیا و محصولات را تغییر می دهد. بعدی به ساخت و سازهایی اشاره دارد که در آن یک آیتم در لایه بعدی از سطح زمین تا پایان توسعه می یابد. این رویکرد دارای مزیت ذاتی در پیچیدگی است، زیرا آنها می توانند تقریباً به طور منحصر به فرد اشکال و ساختارهای پیچیده ای را ایجاد کنند که نمی توانند با تکنیک های معمولی تولید شوند. هنگامی که صحبت از کاربرد فولاد ضد زنگ در تولید مواد افزودنی می شود، فرصت های بسیار متنوعی وجود دارد، اما همچنین فرصت هایی برای طیف وسیع تری از مسائل وجود دارد. فولاد یک ماده قوی و ارتجاعی است که به طور گسترده در صنایع مختلف مانند خودروسازی، صنایع هوافضا و بخش های ساختمانی استفاده می شود و بنابراین آن را برای تولید مواد افزودنی فله مناسب می کند. با این حال، استفاده از فولاد در چاپ سه بعدی با چالش های فنی، اقتصادی و زیست محیطی مختلفی مواجه است که باید حل شود.

مزایای استفاده از فولاد در تولید مواد افزودنی

با توجه به اینکه فولاد یک ماده سخت است، می توان از آن برای ایجاد قطعات و ساختارهای به همان اندازه قوی برای مصارف مختلف استفاده کرد. در صنایع با کارایی بالا مانند هوافضا، خودروسازی و صنایع نفت و گاز، کالایی که راه حل تضمینی ارائه می دهد فولاد است. فولاد را می توان به صورت سه بعدی پرینت کرد و این مزیت های زیادی را برای طراحان ایجاد می کند، مانند تولید سازه های دیواره نازک با سیستم کانال ها، به عنوان مثال سازه های توخالی که با استفاده از ریخته گری یا ماشین کاری امکان پذیر نیست. چنین انطباق پذیری افزایش فاکتورهای اجزا را از طریق کاهش وزن، افزایش قدرت و افزایش عملکرد ساده تر می کند.

مزیت عمده دیگری که می توان به استفاده از ساخت افزودنی با فولاد نسبت داد، انعطاف پذیری تولید است. از آنجایی که فرآیند دیجیتالی است، تولیدکنندگان در موقعیتی هستند که طرح ها را برای رفع نیازهای مختلف بدون نیاز به اصلاح ابزارها و/یا قالب ها اصلاح کنند. این امر به ویژه در کاربردهایی مانند ساخت ایمپلنت های پزشکی یا سایر ابزارهای سفارشی که باید با یک برنامه خاص کاملاً مطابقت داشته باشند، بیشتر است. ساخت افزودنی با فولاد نیز این مزیت را دارد که در ساخت هر لایه سازه فقط به مقدار لازم فولاد استفاده می شود. این فرآیند را در مقایسه با روش‌های استاندارد ارائه خدمات، پایدارتر و ارزان‌تر می‌کند.

انواع فولاد مورد استفاده در تولید مواد افزودنی

در تولید افزودنی می توان از چندین نوع فولاد استفاده کرد که همگی دارای ویژگی هایی هستند که استفاده از آنها در یک صنعت خاص را می طلبد. به عنوان مثال، فولاد ضد زنگ به دلیل عملکرد خوب آن در خوردگی و استحکام کششی بالا که در چندین شرایط چالش برانگیز مورد نیاز است، برای استفاده محبوب است. نوع دیگری از فولاد که به طور مکرر مورد استفاده قرار می گیرد، فولاد ابزار است که به دلیل خواص سایش سخت آن است. که برای کاربردهایی مانند ساخت قطعاتی که تنش های زیادی را تجربه می کنند یا اغلب استفاده می شوند ایده آل است. همچنین فولاد ماریجینگ وجود دارد که به دلیل سطوح بالای چقرمگی و انعطاف پذیری در عملیات حرارتی به کار می رود که باعث افزایش خواص قطعه چاپی نهایی می شود.

با این وجود، همه انواع فولاد را نمی توان برای پرینت سه بعدی به دلیل خواص ساختاری آنها استفاده کرد. آلیاژهای خاصی دارای خواص حرارتی و مکانیکی بالایی هستند و ممکن است برای فرآیند افزودنی مناسب نباشند. در حال حاضر، دانشمندان به بررسی آلیاژهای مختلف فولادی ادامه می‌دهند که می‌توانند برای تکنیک‌های تولید افزودنی، ویژگی‌های مورد نیاز استحکام، دوام و قابلیت چاپ ارائه شده توسط مواد مناسب باشند.

تکنیک های ساخت افزودنی (AM) با فولاد

برخی از رویکردهای رایج AM قابل اجرا در فولاد عبارتند از و نقاط قوت و ضعف آنها در زیر بحث شده است. بر اساس متون، تکنیک‌های مورد استفاده بیشتر ذوب لیزری انتخابی (SLM) و تف جوشی مستقیم با لیزر فلزات (DMLS) هستند که در آن از لیزر برای ذوب تدریجی پودر فلز استفاده می‌شود. این می تواند ساختارهای بسیار دقیق و پیچیده ای تولید کند، اما روشی کند است و نیاز به کنترل دقیق شرایط چاپ واقعی دارد تا از مشکلاتی مانند تغییر شکل یا سایر عیوب در محصول نهایی جلوگیری شود.

روش دیگر Binder Jetting است که در آن بایندر روی پودر فولاد اعمال می شود تا شکل یکپارچه ایجاد شود که در یک کوره پخته می شود. فرآیند بایندر جت نسبتاً ارزان‌تر و کوتاه‌تر از SLM یا DMLS است، با این حال، منجر به ایجاد قطعات نسبتا ضعیف‌تر می‌شود که برای به دست آوردن همان استحکام مورد نظر، به پلیمریزاسیون پیشرفته نیز نیاز دارند. آخرین مورد، Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) است که در آن سیم فولادی در زیر قوس جوش ذوب می شود. WAAM سریع است اما در هنگام ایجاد قطعات بزرگ در مقایسه با روش‌های دیگر بسیار موثر است و اجازه نمی‌دهد جزئیات دقیق و هندسه‌های پیچیده را ارائه دهد.

کاربردهای تولید افزودنی های فولادی

فرصت های استفاده از فولاد برای تولید مواد افزودنی متعدد و به علاوه متنوع است. در تولید هوافضا برای تولید قطعات سبک و مستحکم مناسب برای عملیات در محیط های سخت استفاده می شود. به عنوان مثال، با استفاده از فولاد، قطعات موتور پرینت سه بعدی ایجاد شده است که سبک‌تر هستند، بنابراین بهبود مصرف سوخت را آسان‌تر می‌کنند و در نتیجه هواپیماها را مقرون به صرفه می‌کنند و بار کمتری برای محیط زیست ایجاد می‌کنند. در خودروسازی، تولید مواد افزودنی نیز در ایجاد نمونه‌های اولیه قطعات مفید است، فرآیندی که با سرعت بیشتری و با هزینه کمتری از طریق ساخت افزودنی انجام می‌شود.

در صنعت پزشکی، تولید مواد افزودنی با مواد فولادی برای تشکیل ایمپلنت، تجهیزات جراحی و حتی اندام های مصنوعی. بنابراین تولیدکنندگان می‌توانند به استفاده از فولاد در این کاربردها اعتماد کنند زیرا محصولات نهایی مستحکم بوده و عمر طولانی‌تری خواهند داشت. در ارتوپدی که ایمپلنت باید بر اساس اندازه و شکل آناتومیک بیمار حک شود تا بهترین نتیجه را داشته باشد، بسیار روشنگر است. صنعت نفت و گاز نیز معمولاً با استفاده از تولید افزودنی درگیر است، زیرا قطعات با ارزش افزوده کوچک یا پیچیده مانند کلید مته، محورهای محرک، شیر و سایر موارد که نیاز به استحکام بالا دارند و می‌توانند در ناحیه فشار بالا کار کنند.

چالش‌های تولید افزودنی با فولاد

با این حال، همانطور که از مثال‌های بالا مشاهده می‌شود، ساخت افزودنی با فولاد بدون مشکل نیست. در میان آنها، قیمت بالای پودرهای فولادی که تقریباً در تمام رویکردهای چاپ سه بعدی استفاده می شود، خودنمایی می کند. پودرهای آهن و فولاد را فقط می توان تا اندازه ذرات بسیار ریز تولید کرد و باید در فضای تمیز مخصوص نگهداری شود. هزینه بیشتر علاوه بر این، تجهیزات و همچنین مونتاژ برای دخالت در فرآیند AM، به ویژه با توجه به کار با فولاد، فناوری های مبتنی بر لیزر برای AM گران هستند و نیاز به سرویس دارند.

یکی دیگر از چالش های فنی دستیابی به کیفیت ثابت در قطعات فولادی پرینت سه بعدی است. فولاد یک ماده پیچیده با خواص حرارتی و مکانیکی منحصر به فرد است و هنگامی که در معرض حرارت بالای لیزر قرار می گیرد، می تواند منجر به مسائلی مانند اعوجاج حرارتی یا تنش های پسماند در محصول نهایی شود. چنین نگرانی هایی می تواند بر قابلیت ساختاری قطعه تأثیر منفی بگذارد و به طور بالقوه باعث خرابی های گران قیمت شود. روش های درجا و پس از پردازش برای آب بندی و ترمیم نواحی معیوب روی قطعات چاپ شده به منظور دستیابی به کیفیت محصول نهایی و افزایش هزینه های تولید مورد نیاز است.

پس پردازش اضافی نیز یک نگرانی عمده در AM قطعات فولادی است. متعاقباً، برخی از اجزای فولادی ممکن است به فرآیند بیشتری مانند عملیات حرارتی، یا کار مکانیکی، و/یا پوشش‌ها و عملیات‌های سطحی نیاز داشته باشند تا به خواص مورد نیاز یا نتایج بصری دست یابند. این مراحل پس از پردازش در مقایسه با روش‌های تولید سنتی اغلب طولانی و پرهزینه هستند و از این رو ممکن است اجازه رقابت بر سر هزینه و کارایی را ندهند.

ملاحظات زیست محیطی

این سنتز استفاده از فولاد از طریق ساخت افزودنی دارای مزایا و معایبی در مورد محیط زیست است. ابتدا، این روش با گنجاندن مواد مورد نیاز در طرح، ضایعات را کاهش می‌دهد، در حالی که در روش‌های دیگر، اغلب مواد اضافه می‌شود و سپس بریده می‌شوند. این می تواند تولید افزودنی های فولادی را به گزینه ای پایدارتر تبدیل کند. آنها به این واقعیت اشاره داشتند که با استفاده از این فناوری می توان نیاز به خرید فولاد را تا حد زیادی کاهش داد زیرا شکل مطلوب فولاد مورد استفاده مستقیماً از طریق ساخت افزودنی ایجاد می شود که به نوعی باعث پایداری فناوری می شود. با این وجود، برخی از انواع پرینت سه بعدی، از جمله آنهایی که از لیزر استفاده می کنند، کاملاً انرژی طلب هستند و برخی انتقادات مربوط به تأثیرات منفی آن بر محیط زیست است. راه‌حل‌های ممکن شامل اتخاذ منابع انرژی تجدیدپذیر و افزایش اثربخشی ماشین‌ها در رابطه با این نگرانی‌ها است.

همچنین، مدیریت و بازیافت پودر فولاد نیز نگرانی هایی برای محیط زیست و همچنین پیامدهای دیگر است. تولید پودر فولاد کوچک گاهی اوقات خطرناک است اگر به خوبی مورد استفاده قرار نگیرد، و بازیافت پودر برای استفاده مجدد به دلیل مسائل آلودگی چندین برابر چالش برانگیز است. بنابراین افزایش بازار برای استفاده از فولاد از طریق تولید افزودنی نیازمند رویکردهای پایدار در تولید، استفاده و بازیافت پودر فولاد است.

چشم انداز و تحولات آینده

تولید افزودنی با فولاد آینده روشنی دارد، راه حل ها و پیشرفت های جدید برای توسعه آینده همچنان در حال بررسی است. به همین دلیل است که یکی از مسیرهای اصلی ایجاد آلیاژهای فولادی جدید برای چاپ سه بعدی است. این آلیاژها به طور بالقوه می توانند خواص حرارتی بهتری را ارائه دهند که استحکام قطعه را بهبود می بخشد و چاپ قطعات با کیفیت بالا را ساده تر می کند. علاوه بر این، قابل درک است که ارتقاء فناوری‌های ماشینی برای مثال لیزرهای سریع‌تر و صحیح‌تر می‌تواند استاندارد تولید افزودنی‌های فولادی را افزایش دهد و در عین حال هزینه آن را کاهش دهد.

یکی دیگر از زمینه های هیجان انگیز، تولید ترکیبی است که از هر دو روش جمع و تفریق تشکیل شده است. به عنوان مثال، برای مثال، یک جزء می تواند نیمی از آن را پرینت سه بعدی کند و نیمی دیگر را می توان به شکل نهایی و صافی مورد نیاز ماشین کاری کرد. این رویکرد برخی از نقاط ضعف تولید مواد افزودنی را افزایش می‌دهد، مانند پرداخت‌های سطح ناهموار و عدم دقت ابعادی و آن را برای کاربردهای با ریسک بالا بسیار مناسب می‌سازد.

نتیجه گیری

ساخت افزودنی با فولاد مفهوم جالبی است، به ویژه برای بخش های هوافضا، خودرو، پزشکی و نفت و گاز. AM به دلیل توانایی آن در ساخت قطعات پیچیده، خاص و مستحکم، یک فناوری مفید در صنعت معاصر است. با این وجود، هنوز موانع اساسی برای غلبه بر این موانع وجود دارد که شامل هزینه، کیفیت محصول و محیط زیست است. با گذشت زمان، با رشد فناوری و ظهور اشکال و انواع راه حل های جدید، فناوری هایی که از فولاد از طریق تولید افزودنی استفاده می کنند، مقرون به صرفه تر و سازگارتر با محیط زیست خواهند شد، بنابراین پتانسیل برای کاربردهای بیشتر در تولید وجود دارد.

منبع: Steel Technology
برای مشاهده دانشنامه‌های بیشتر در زمینه فولاد و آهن آلات کلیک کنید