پودرهای فلزی فلزاتی هستند که به ذرات ریز تبدیل می شوند و مواد اولیه اولیه برای اکثر فرآیندهای چاپ سه بعدی هستند که قطعات فلزی تولید می کنند. چاپ سه بعدی که به عنوان تولید افزودنی (AM) نیز شناخته می شود، تولید قطعات و محصولات به صورت لایه به لایه است. هم ویژگی های پودر فلز و هم نوع فرآیند پرینت سه بعدی، خواص محصول نهایی را تعیین می کند. خصوصیات پودر بسته به نحوه تولید آن صورت می گیرد که ممکن است باعث مورفولوژی و خلوص ذرات مختلف شود.

در اینجا، می‌توانید درباره ویژگی‌های پودرهای فلزی، نحوه تولید آن‌ها و روش‌ها و کاربردهای پرینت سه بعدی که از این پودرها استفاده می‌کنند، بیاموزید.

ویژگی های پودر فلزات

برای تضمین تکرارپذیری دقیق در تولید اجزای فلزی، پودرهای فلزی باید ویژگی های ثابتی را نشان دهند [1]. مشخصات اولیه توزیع اندازه و مورفولوژی است. سایر مشخصات فنی و فیزیکوشیمیایی شامل چگالی، تراکم پذیری، توانایی تف جوشی، ترکیب شیمیایی، مقاومت سبز، مساحت سطح، جریان پذیری و خواص حرارتی است. [2]. شکل 1 توزیع مواد مختلف فلزی را بر اساس دو ویژگی مکانیکی، استحکام تسلیم و سختی نشان می دهد.

شکل 1: خواص مکانیکی مواد فلزی – حداقل مقادیر از برگه های داده. برگرفته از Ref. 3.

یکی از فرضیات اصلی برای پودرهای فلزی در پرینت سه بعدی این است که اسماً کروی هستند و دارای توزیع اندازه مشخصی هستند که به آنها اجازه می دهد به خوبی بسته بندی شوند که منجر به یک محصول متراکم با خواص مکانیکی خوب و مطلوب می شود. به عبارت دیگر، اندازه ذرات – که تعیین کننده کوچکترین ارتفاع لایه ممکن برای دستیابی است – و شکل ذرات، علاوه بر سطح خلوص پودر، نقش مهمی در کنترل کیفیت پودر دارند.

تولید پودرهای فلزی برای چاپ سه بعدی

برای تولید پودرهای فلزی با خصوصیات و کیفیت پودری مطلوب و بسته به خواص مورد نیاز اجزای فلزی تولید شده از پودر، انتخاب فرآیند تولید پودر ممکن است متفاوت باشد.

پودرهای فلزی را می توان با استفاده از روش های مختلفی تولید کرد که برخی از آنها عبارتند از احیای حالت جامد، آسیاب، الکترولیز، فرآیندهای شیمیایی و اتمیزه کردن. با این حال، از آنجایی که از نظر هندسی راحت‌ترین پودرها را برای چاپ سه بعدی تولید می‌کند، اتمی‌سازی از نظر تاریخی به عنوان بهترین روش برای تولید پودرهای فلزی برای AM در نظر گرفته شده است.

اتمی‌سازی می‌تواند از طریق، اما نه محدود به، سه فرآیند مختلف انجام شود: اتمی‌سازی آب، اتمی‌سازی با گاز و اتمی‌سازی پلاسما. با این حال، اتمیزه شدن آب منجر به ایجاد ذرات با مورفولوژی بسیار نامنظم می شود زیرا ذرات سریعتر از زمان کروی شدن خود جامد می شوند، که این فرآیند را برای AM تخصصی نامناسب می کند. [4].

اتمیزه کردن گاز

در این فرآیند، آلیاژ مواد اولیه، معمولاً به شکل شمش، در یک کوره ذوب می شود. معمولاً، یک کوره ذوب القایی خلاء (VIM) برای نظارت بر عناصر بینابینی. کوره در بالای محفظه اتمیزه قرار می گیرد تا مواد مستقیم به داخل اتمیزر تخلیه شود. همانطور که مذاب از طریق محفظه پایین می‌افتد، جت‌های گاز فشار بالا برای اتمیزه کردن مواد اسپری می‌شوند که به صورت ذرات پودر کروی جامد می‌شوند و در پایین جمع می‌شوند. محیط گازی مورد استفاده معمولاً یک گاز بی اثر مانند نیتروژن یا آرگون است تا احتمال اکسیداسیون و آلودگی به حداقل برسد. هوا همچنین می تواند به عنوان یک رسانه گاز استفاده شود. توزیع اندازه ذرات (0-500 میکرومتر) را می توان تا حدی با تنظیم نسبت جریان گاز به مذاب تعدیل کرد. برخی از مواد پودری تولید شده توسط اتمیزه کردن گاز عبارتند از نیکل، آهن، آلومینیوم و کبالت.

هنگام پردازش آلیاژهای واکنش پذیر، مانند Ti-6Al-4V، اگر مواد در معرض جو یا بوته قرار بگیرند، خطر آلودگی بالایی وجود دارد. یکی از راه‌های کاهش این خطر، وارد کردن فلز به اتمی‌ساز به‌صورت میله‌ای است که قبل از ورود توسط یک سیم پیچ القایی اطراف ذوب می‌شود. این روش اتمیزه کردن گاز ذوب القایی الکترود (EIGA) نامیده می شود. [4].

اتمیزه شدن پلاسما

در اینجا مواد اولیه به دو شکل ممکن سیم یا پودر وارد محفظه اتمیزه می شوند. در محفظه، مشعل‌های پلاسما و جت‌های گاز همزمان مواد را ذوب و اتمیزه می‌کنند و در نتیجه ذرات پودری بسیار کروی با توزیع اندازه نسبتاً ظریف‌تر (0-200 میکرومتر) ایجاد می‌شود. تیتانیوم معمولاً از طریق اتمیزه کردن پلاسما تولید می شود.

یک روش تخصصی تر به نام فرآیند الکترود دوار پلاسما (PREP) از یک میله چرخان به جای سیم به عنوان شکل تغذیه استفاده می کند، که پس از ورود به محفظه اتمیزه کردن، انتهای میله توسط مشعل های پلاسما ذوب می شود و مذاب تخلیه شده قبل از آن جامد می شود. رسیدن به دیوارهای فراگیر این فرآیند منجر به پودرهایی با خلوص بالا، کروییت بالا و اندازه ذرات ریز (0-100 میکرومتر) می شود. تیتانیوم و مواد عجیب و غریب را می توان توسط PREP تولید کرد [4].

پرینت سه بعدی با پودرهای فلزی

طیف گسترده ای از مواد پودری وجود دارد که می توانند در پرینت سه بعدی استفاده شوند و این بستگی به خواص مطلوب محصول نهایی و روش چاپ به کار گرفته شده دارد. برخی از پودرهای فلزی رایج مورد استفاده در AM شامل آلیاژهای نیکل، فولاد، کبالت و تیتانیوم است. در جدول زیر برخی از رایج ترین مواد پودر فلز با روش های پردازش پرینت سه بعدی و زمینه های کاربردی آنها آورده شده است.

مواد آلیاژی		روش های پردازش AM	حوزه های کاربرد
نیکل	Ni 230	PBF-LB	اجزای موتور هوافضا؛ اجزای توربین گاز؛ اجزای مقاوم در برابر خوردگی و دمای بالا
	Ni 625	PBF-LB	اجزای موتور هوافضا؛ اجزای توربین گازی
	Ni 718	PBF-LB، PBF-EB، DED	اجزای موتور هوافضا؛ اجزای توربین گاز؛ سنسورهای نفت و گاز
	Ni 738	PBF-LB	بخش داغ موتور توربین، تیغه ها، سپرهای حرارتی
فولاد	H11	PBF-LB	ارابه فرود هواپیما؛ قالب های گرم فورج و اکستروژن. پره های روتور هلیکوپتر؛ قالب های ریخته گری قالب
	H13	PBF-LB، DED	ریخته گری کار داغ می میرد; قالب های فورج و مهر زنی داغ؛ تیغه های برشی داغ؛ قالب های تزریق پلاستیک
	17-4PH	PBF-LB	هوافضا؛ پردازش شیمیایی؛ پالایش هسته ای و نفت/پتروشیمی؛ فلزکاری; قطعات جراحی
کبالت	MM509-A	PBF-LB	موتورهای هوافضا و IGT؛ پره های راهنمای نازل؛ حلقه های حامل
	ASTM F75	PBF-LB	اجزای موتور هوافضا؛ توربین گازی؛ ایمپلنت های پزشکی و دندانی
	H188-A	PBF-LB	کانال های انتقالی؛ قوطی های احتراق؛ میله های اسپری؛ نگهدارنده شعله؛ آستر
تیتانیوم	Ti-6Al-4V	PBF-LB، EBM	هوافضا و دفاع؛ خودرو و مسابقه؛ برنامه های کاربردی دریایی; تجهیزات ورزشی پیشرفته؛ پزشکی و دندانپزشکی؛ جواهرات و هنر
	CP-Ti	BJ، DED، EBM، MIM، SLM	مواد هوافضا؛ خودرو؛ صنایع شیمیایی؛ زیست پزشکی؛ ایمپلنت های دندانی

افسانه

• BJ: Binder Jetting
• DED: رسوب مستقیم انرژی
• EBM: ذوب پرتو الکتریکی
• MIM: قالب گیری تزریقی فلز
• PBF-LB: لیزر پودر بستر فیوژن
• PBF-EB: الکترون بیم پودر بستر فیوژن
• SLM: ذوب لیزری انتخابی

[1] JA Slotwinski و همکاران، 2014، “مشخصات پودرهای فلزی مورد استفاده برای ساخت افزودنی”، مجله تحقیقات NIST، 119، صص 460-93.

[2] KS Narasimhan، MOH Amuda، 2017، “ویژگی پودر”، ماژول مرجع در علم مواد و مهندسی مواد.

[3] “پودرهای فلزی – مواد اولیه”، nd، از: https://www.metal-am.com/introduction-to-metal-additive-manufacturing-and-3d-printing/metal-powders-the-raw-materials /

[4] J. Dawes، R. Bowerman، R. Trepleton، 2015، “مقدمه ای به زنجیره تامین متالورژی پودر تولید افزودنی”، بررسی فناوری جانسون متیو، 59، (3)، 243.