چاپ سه بعدی قطعات فلزی مس

مس یکی از جدیدترین و امیدوارکننده‌ترین حوزه‌های پرینت سه بعدی فلزی برای ساخت همه چیز از موتورهای الکتریکی گرفته تا سینک‌های حرارتی است و اینک چاپ سه بعدی فلزی با مس خالص و آلیاژ مس با طیف وسیعی از چاپگرها و قیمت‌ها امکان پذیر است.

پیش از این، چاپ سه بعدی با مس به دلیل خاصیت انعکاس فلز و رسانایی حرارتی بالا، چالشی بود، اما پیشرفت در چاپگرها و مواد تا حد زیادی این چالش‌های اولیه را حل کرده است. امروزه به لطف توانایی این فناوری، سیستم‌های پیش‌ران مسی ساخته شده به روش چاپ سه بعدی موشک‌ها را به فضا می‌فرستند، سینک‌های حرارتی مسی CPU را خنک نگه می‌دارند (شکل) و کویل‌های مسی، عملکرد موتور الکتریکی را افزایش می‌دهند.

مس به دلیل توانایی انتقال گرما و الکتریسیته، مقاومت در برابر خوردگی و حتی کشتن باکتری‌ها و ویروس ها، همیشه یک فلز بسیار مفید بوده است. تقاضا برای قطعات پیچیده مسی در حال افزایش است زیرا چاپ سه بعدی کاربردها و امکان‌های بیشتری را برای این فلز باز می‌کند.

چاپ سه بعدی (که به عنوان تولید افزایشی نیز شناخته می‌شود) امکان تولید اشکال بسیار پیچیده، جزئیات دقیق، ساختارهای داخلی و شبکه‌ای را فراهم می‌کند که با هیچ نوع روش تولید فلزی دیگری امکان پذیر نیست. این ویژگی‌ها باعث کاهش وزن، افزایش کارایی و کاهش زمان ساخت و مونتاژ می‌شوند، زیرا مجموعه‌های چند تکه را با این فناوری می‌توان به صورت یک‌پارچه تولید کرد.

پرینت سه بعدی همچنین تولید کارآمدتر این فلز نسبتا گران قیمت را امکان پذیر می‌کند و ضایعات را کاهش می‌دهد زیرا فقط از مقدار مواد لازم برای هر قطعه استفاده می‌کند. برای شرکت های علاقه مند به چاپ سه بعدی مس، کاهش هزینه های مواد اولیه بسیار مهم است. اگر شما قبلاً قطعات مسی سفارشی تولید می‌کرده‌اید، می‌توانید هزینه‌های تولید را به‌طور خودکار کاهش دهید و در عین حال عملکرد قطعه را با چاپ سه‌بعدی بهینه کنید.

در این‌جا، برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد فناوری و چاپگرهای بعدی توضیحاتی هست که مهندسان، سازندگان و طراحان را قادر می‌سازد تا دوباره به ساخت قطعات مس فکر کنند.

با این که چاپگرهای سه بعدی زیادی وجود ندارند که بتوانند با مس چاپ کنند، هنوز تنوع زیادی در فناوری چاپ و قیمت وجود دارد. چاپگرهای FDM با استفاده از رشته های پلاستیکی پر شده با مس می‌توانند جواهرات مسی، اقلام تزئینی و سایر قطعاتی را تولید کنند که تقریباً 100٪ مس هستند. در حالی که برای تولید پیشرفته‌تر، پرینترهای سه بعدی که از پودر مس، میله‌ها یا دوغاب مس و پلیمر استفاده می‌کنند، قطعات صنعتی با خواص مکانیکی و رسانایی عالی تولید می‌کنند که می‌توانند استانداردهای بین‌المللی مانند IACS (استاندارد بین‌المللی مس آنیل شده) را برآورده کنند. بیایید به انواع چاپگرهایی که امروزه می‌توانند مس را مدیریت کنند نگاه کنیم.

همجوشی بستر پودری یکی از محبوب‌ترین روش‌های پرینت سه بعدی فلزی است و اخیراً چندین تولیدکننده تجهیزات، مس را به لیست گزینه‌های مواد خود معرفی کرده‌اند. از آنجایی که مس بسیار بازتابنده است، فرآیند پودر با استفاده از لیزر چالش‌هایی برای تولیدکنندگان ایجاد کرد. با این حال، این فناوری و مواد آن برای مقابله با این چالش تکامل یافته‌اند.

برای مثال، سازنده پرینترهای سه بعدی Trumpf، یک لیزر سبز صنعتی ایجاد کرد که امکان چاپ سه بعدی مواد مانند مس، آلیاژهای مس و فلزات گرانبها را که پردازش آنها با طول موج مادون قرمز دشوار است، ممکن می‌سازد. دو فناوری بستر پودری پرینت سه بعدی فلزی؛ DMLS (سینترینگ لیزری مستقیم فلزات) و EBM (ذوب پرتوهای الکترونی)، با پخش یک لایه نازک از پودر مس روی یک صفحه ساخت در داخل چاپگر کار می‌کنند. در حالی که لیزر یا پرتوهای الکترونی اولین لایه قطعه را اسکن می‌کنند، پودر گرم و ذوب می‌شود. همانطور که ذرات در لایه ذوب می‌شوند، صفحه ساخت کمی پایین می‌آید و پودر تازه در بالا قرار می‌گیرد و این روند تکرار می‌شود. مقداری از پودر مس باقی مانده از فرآیند را می‌توان برای استفاده در چاپ بعدی بازیافت کرد.

فهرستی از چاپگرهای هم‌جوشی بستر پودر در زیر آمده است:

پودر مس که با یک چسب مایع متصل می‌شود، سپس در کوره سینتر می‌شود، یک روش چاپ سه بعدی است که به عنوان پاشش چسب شناخته می‌شود و بدون نیاز به مواد حامی، قطعه تولید می‌کند. پاشش چسب فرآیندی بدون حرارت است که در آن یک لایه اتصال بین هر لایه فلز پاشیده می‌شود. چسب بعداً می‌تواند در فرآیند پخت حذف شود. پاشش چسب یک روش محبوب برای ساخت افزایشی حجم زیادی از قطعات فلزی است. فهرستی از چاپگرهای پاشش چسب در روبرو آمده است.

چاپگرهای اکسترود فیلامنت حاوی مس

مقرون به صرفه ترین رویکرد برای قطعات مسی پرینت سه بعدی با ماشین هایی است که فیلامنت را اکسترود می‌کنند. فیلامنت فلزی برای چاپ قطعات فلزی از یک زمینه پلاستیکی تشکیل شده است که ذرات فلزی به طور یکنواخت درون آن قرار شده است. فیلامنت حاوی مس، نوع منحصر به فردی از فیلامنت کامپوزیتی است که در صورت استفاده صحیح می‌تواند قطعات فلزی قوی، مقاوم در برابر مواد شیمیایی و تقریباً جامد تولید کند.

با این حال، قطعات خروجی از چاپگر، دقیقاً بلافاصله بعد از جدا شدن از صفحه ساخت، فلزی نیستند و پس از چاپ به مراحل دیگری نیاز دارند تا چسب پلیمری از بین برود و فقط فلز باقی بماند. این عملیات که در کوره انجام می‌شود سینترینگ نام دارد.

انواع دیگر فیلامنت‌های مسی به اندازه کافی ذرات مس واقعی در داخل خود دارند تا صیقل داده شوند و وزنی شبیه به فلز دارند، اما اینها برای اهداف تزئینی در نظر گرفته شده اند. یک شرکت از شیلی به نام Copper3D فیلامنتی پر از مس تولید می‌کند که قطعات فلزی را تولید نمی‌کند، اما در عوض، رشته‌هایی را تولید می‌کند که دارای خواص ضد باکتریایی و ضد میکروبی مس هستند. به گفته این شرکت، ناسا حتی در حال آزمایش این رشته برای استفاده در “آلودگی میکروبی بین سیاره ای” است.

به غیر از پرینترهای رایج FDM، دو چاپگر دیگر که فیلامنت را اکسترود می‌کنند نیز مس ارائه می‌کنند، اما این چاپگرها از مواد اختصاصی خود استفاده می‌کنند. Desktop Metal از یک فیلامنت فلزی استفاده می‌کند، در حالی که Markforged از پودر فلزی مشابهی استفاده می‌کند که در یک زمینه پلیمری قرار داده شده است. چاپگرهای این تولیدکنندگان قطعات فلزی جامد را که برای مصارف صنعتی در نظر گرفته شده است، تولید می‌کنند، مانند ماشین ابزار، کویل القایی، سینک حرارتی و نمونه های اولیه کاربردی. فهرستی از چاپگرهای اکسترودری در روبرو آمده است.

چاپگرهای پاشش سرد و رسوب مستقیم انرژی

اگرچه این دو روش پرینت سه بعدی فلزی معمولاً با هم ترکیب نمی شوند، ما آنها را در اینجا به دلیل کاربرد رایج آنها برای پوشش دادن قطعات فلزی با فلز دیگری و ساخت قطعات فلزی با پودر فلز به صورت لایه به لایه تلفیق می‌کنیم.

رسوب مستقیم انرژی (DED) سیستمی است که توسط Optomec مستقر در نیومکزیکو برای ایجاد، تقویت و تعمیر اجزای فلزی توسعه یافته است. مشابه SLS، در لیزرهای پرقدرت DED ساختارهای سه بعدی را لایه به لایه می‌سازند و قطعاتی با چگالی و استحکام بالا برای کاربردهای مکانیکی ایده‌آل تولید می‌کنند. در سال 2019، Optomec یک فرآیند DED جدید برای مس برای تولید مبدل های حرارتی برای استفاده در هوافضا، پردازش شیمیایی و سایر کاربردهای صنعتی ایجاد کرد.

WarpSpee3D Spee3D که دارای فرآیندی منحصر به فرد است، از رسوب سه بعدی مافوق صوت برای تولید قطعات با استفاده از طیف وسیعی از پودرهای فلزی، از جمله مس و آلومینیوم استفاده می‌کند. اسپری سرد یک فناوری تولید افزایشی است که پودر فلز را به جریان مافوق صوت گاز تحت فشار تزریق می‌کند. در این جا به جای ذوب فلز، اسپری سرد فلز را در فرآیندی به نام تغییر شکل پلاستیک می‌چسباند. شرکت هایی مانند Spee3D از فناوری اسپری سرد برای اعمال پوشش ضد میکروبی مسی روی درها، نرده‌ها و صفحات لمسی استفاده می‌کنند که برای استفاده در بیمارستان ها، مدارس و سایر مکان های عمومی در نظر گرفته شده است.

اسپری سرد نیز سریعترین روش پرینت سه بعدی فلزی است. این شرکت می‌گوید Spee3D یک پوشش نازل موشک هوافضا 17.9 کیلوگرمی (تصویر زیر) را در مس خالص در WarpSpee3D در حدود سه ساعت با هزینه تنها 716 دلار چاپ کرد. قطعاتی مانند این معمولاً از مس جامد در فرآیندی که هفته‌ها طول می‌کشد و ده‌ها هزار دلار هزینه دارد، ماشین‌کاری می‌شوند. یکی از معایب DED و اسپری سرد محدود بودن آنها در تولید هندسه های پیچیده است.

فهرستی از چاپگرهای اسپری سرد در زیر آمده است:

چاپگرهای پخت نوری

چاپ سه بعدی فلزی DLP شبیه چاپ سه بعدی معمول رزینی است زیرا از نور UV که بر روی دوغاب حساس به نور (شکل بالا) تابانده می‌شود، برای جامد کردن لایه به لایه آن استفاده می‌کند. چاپگرهای DLP فلزی به جای رزین از یک پلیمر مایع پر از پودر فلز استفاده می‌کنند. پس از پرینت قطعات، مراحل بیشتری را تا قطعات فلزی نهایی طی می‌کنند. پخت نوری فلزات به دلیل جزئیات دقیقش مورد توجه است.

استارت‌آپ هولو مستقر در کالیفرنیا، بر ساخت خنک کننده مسی چاپ شده برای رایانه های با کارایی بالا، وسایل نقلیه الکتریکی، آنتن های RF و مبدل های حرارتی تمرکز خواهد کرد. Admatec، یک تولید کننده چاپگرهای سه بعدی هلندی، چاپگرهایی را ارائه می‌دهد که از دوغاب مسی نیز برای تولید قطعات مسی با جزئیات بسیار زیاد استفاده می‌کنند.

فهرستی از چاپگرهای پخت نوری در زیر آمده است:

خدمات چاپ سه بعدی مس

برای برخی، خرید یک چاپگر فلزی سه بعدی برای یک قطعه مسی، سرمایه گذاری بزرگتری نسبت به کار مورد نیاز خواهد بود. در این مواقع، می‌توانید قطعات مسی پرینت سه بعدی را از Craftcoud، بازار خدمات چاپ سه بعدی، سفارش دهید. در آنجا، می‌توانید فایل قطعه خود را آپلود کنید و فوراً قیمت‌های پرینت سه بعدی فلزی را از طیف وسیعی از تولیدکنندگان مقایسه کنید. پلت فرم Craftcloud با مقایسه خدمات چاپ بر اساس هزینه و زمان تحویل، در زمان و هزینه شما صرفه جویی می‌کند.

در شکل زوبرو، نمونه قطعات مسی ساخته شده به روش چاپ سه بعدی نشان داده شده است؛ ردیف بالا: سیم پیچ موتور الکتریکی از Additive Drives، محفظه احتراق از EOS، سیم پیچ از ExOne و ردیف پایین: هیت سینک ساخت Stratasys Direct Manufacturing، سیم پیچ توسط Trumpf، ساقه جوش توسط Markforged، مبدل حرارتی توسط EOS.

مراجع:

1- Copper 3D Printing – The Ultimate Guide, ALL3dp, Access 2021.

2-جزوه درس فناوری پیشرفته پلیمرها، ا.م. رضادوست، پژوهشگاه پلیمر.