بررسی مکانیزم تفجوشی و ذوب جزئی پودر های فلزی و طراحی دستگاه نمونه سازی سریع از پودر فلز

روش های نمونه سازی سریع بر سه پایه جامد، مایع و پودر تقسیم شده اند. از مقایسه این روش ها مشخص می سازد که روش های مبتنی بر پودر های فلزی قابلیت تولید قطعاتی با خصوصیات فلز پایه را داراست. در این مطالعه به بررسی مکانیزم تفجوشی و ذوب جزئی پودر های فلزی پرداخته شده است. روش جامد سازی مواد پودری با استفاده از منبع حرارتی مانند یک سیستم لیزری برای اولین بار توسط کریود و هوشهولدر ابداع شد. برای تولید قطعات فلزی با کمک فرآیند تفجوشی لیزری سه روش عمد? تف جوشی لیزری غیرمستقیم فلز، ذوب لیزری، و تف جوشی لیزری مستقیم فلـز وجود دارد. در تمام این موارد مکانیزم تولید قطعه به صورت لایه ای با استفاده از مواد یکسان و همگن در خلال هر لایه می باشد. هر لایه با پایین رفتن بستر کار به میزان ضخامت موردنظر و پرشدن این مقدار با پودر بدست می آید. زمانی که آخرین لایه از قطعه تف جوشی می شود فرآیند تولید پایـان یافته و قطعه تفجوشی شده از میان پودر خارج می گردد. اصل کلی شکل گیری قطعات ساخته شده از پودر فلز، اتصال آنها به یکدیگر با کمک منبع انرژی متمرکز (عموماً لیزر) می باشد. مکانیزم های مختلفی برای اتصال پودر های فلزی توسط لیزر وجود دارد. اما این مکانیزم ها در ساخت و تولید سریع شامل سه دسته اتصال شیمیایی، تفجوشی فاز مایع (ذوب جزئی) و ذوب کامل می باشد. بهترین خصوصیات برای قطعه ای است که توسط مکانیزم ذوب کامل تولید می شود. علاوه بر این اغلب آزمایشات نیز این مکانیزم را بهترین برای تولید قطعاتی با کیفیت فلز پایه می دانند. پارامتر های موثر بر تفجوشی لیزری را می توان به سه گروه عمده پارامتر های فرآیند، پارامترهای مواد و پارامتر های محیطی تقسیم نمود. پارامتر های فرآیند اغلب بر روی فرآیند های لیزری موثر اندو چگالی انرژی لیزر را کنترل می کنند. این پارامتر ها شامل توان لیزر (p)، اندازه قطر پرتو لیزر (d)، سرعت اسکن (v)، فاصله خطوط اسکن (h)، ضخامت لایه (w) و هندسه و استراتژی اسکن می باشد. پارامتر های مواد شامل ترکیب شیمیایی، درصد اکسیژن، روش آلیاژ سازی، مشخصات ذرات (اندازه، شکل، میزان سیلان و ...) و چگالی بستر پودر می باشد. پارامتر های محیطی شامل اتمسفر تفجوشی، میزان پیش گرم و فشار کوبشی است. شناخت و بررسی هر یک از این پارامتر ها امری حیاتی در تفجوشی لیزریست. در تفجوشی پودر های فلزی پدیده هایی وجود داردکه بر روی خواص قطعه نهایی اثر می گذارد. از جمله بارزترین پدیده ها شامل میزان گوی شدگی، شکل حوضچه و اثر پلاسماست. شناخت این پدیده ها و بررسی تاثیر پارامتر های مختلف بر میزان آنها راهی منطقی جهت شناخت و بهینه سازی فرآیند تفجوشی لیزری است. برای شناخت بهتر تاثیر پارامتر ها بر خواص قطعات تولیدی و پدیده های ایجاد شده در فرآیند لازم است تا یک سری آزمایشاتی بر روی پودر های مختلف (تک جزئی و دو جزئی) تحت شرایط متفاوت محیطی صورت پذیرد. به این ترتیب امکان تخمین میزان تاثیر هر یک از پارامتر ها و درجه اهمیت آنها امکان پذیر خواهد بود. برای این منظور یک سری آزمایشات اولیه برای تخمین میزان تاثیر پارامتر های فرآیند، مواد و محیط انجام شد. برای انجام آزمایشات جهت بهینه سازی، فیکسچر تستی طراحی شده است که توانایی نمونه گیری و انجام آزمایشات بر روی تک لایه دارد. بررسی ها برروی مخلوط پودر آهن و مس (dmls) و پودر آهن خالص (slm) صورت گرفته است. علاوه براین تأثیر کویش به صورت فشار مکانیکی برروی بستر پودر نیز مورد تحقیق و مطالعه قرار گرفت. شایان ذکر است که کلی? آزمایشات در حالت صفحه ای (دو بعدی) انجام شد. با انجام یک سری آزمایشات اولیه، و تعریف تابع همپوشانی محدوده 250 تا 300 برای ولتاژ و بازه 10 تا 50 برای همپوشانی انتخاب شد. آزمایشات بر روی پودر آهن و مس نشان می دهد که با افزایش ولتاژ میزان مذاب تولیدی بالا رفته و در نتیجه عمق نفوذ و پهنای حلقه زیاد می شود. افزایش همپوشانی نیز تاثیر مشابهی بر روی میزان مذاب و افزایش عمق نفوذ و پهنای حلقه دارد. اما بررسی تأثیر درصد مس برروی عمـق نفوذ رفتار دو گانه ای را بین ولتاژ 250 و 300 نشان می دهد. در واقع در یک هم پوشانی یکسان و ولتـاژ 250 ، نمونه های تولید شده با 10% مس عمق نفوذ بیشتری نسبت به نمونه های تولید شده با 30%مس نشان میدهند. در حالیکه این امر در ولتاژ 300 کاملاً برعکس است. علت این پدیده پایین بودن ضریب جذب مس نسبت به آهن است. هرچه ولتاژ بالاتر باشد، انرژی اعمالی به بستر پودر بیشتر خواهد شد. این امر باعث افزایش حجم مذاب و در نتیجه مشهودتر شدن اثر گویی شدگی برروی سطح خواهد شد. در ولتاژ پایین بدلیل عدم ذوب پودر آهن و در نتیجه کاهش حجم مذاب (مقداری بالاتر از درصد پودر مس) هیچ گویی شدگی در روی سطح مشاهده نشود. در ولتاژهای بالاتر بدلیل بیشتر شدن حجم مذاب اثر گویی شدگی به وضوح مشهود است. آزمایشات انجام شده بر روی پودر آهن خالص نتایج مشابهی را نشان می دهد. در واقع با افزایش ولتاژ و همپوشانی انرژی اعمالی به بستر بالا رفته و عمق نفوذ، پهنای حلقه و میزان تقعر بالا می رود. اما نکته جالب توجه در مورد پودر آهن خالص، تاثیر معکوس همپوشانی بر روی میزان گوی شدگی در ولتاژ های بالا و پایین است. در واقع در ولتاژ های بالا افزایش همپوشانی کاهش گوی شدگی را به دنبال خواهد داشت. در حالی که در ولتاژ های پایین همپوشانی نتیجه معکوسی را از خود نشان می دهد. پودر آهن در ولتاژ های پایین ذوب جزئی و در ولتاژ های بالا ذوب کامل خواهد داشت. در نتیجه زمانی که ذوب کامل وجود دارد دیدگاه فرآیندی هازر و در حالتی که ذوب جزئی دیده می شود دیدگاه فرآیندی کراس حاکم خواهد بود. تفاوت در این دو دیدگاه فرآیند باعث تاثیر معکوس همپوشانی شده است. آزمایشات مختلف بر روی بستر های پودر با فشار های کوبشی متفاوت نشان داد که قطعات تولیدی در فشار 7 بار بهترین کیفیت را از خود نشان می دهند. افزایش فشار کاهش عمق نفوذ، پهنای حلقه و میزان گویی شدگی را به دنبال داشت. زیرا با افزایش چگالی حجم بالاتری از پودر در معرض انرژی لیزر قرار می گیرد. و نفوذ لیزر در بستر را نیز مشکل تر خواهد شد. علاوه بر این هرچه میزان فشردگی بیشتر باشد ضریب جذب پودر نیز کمتر خواهد شد. اما میزان گویی شدگی با افزایش فشار تا 7 بار کاهش می یابد و افزایش بیشتر از 7 بار آن باعث افزایش گوی شدگی و ترک های سطحی می شود. زیرا بالا رفتن فشار علاوه بر کم شدن انرژی لیزر، باعث خواهد شد تا به واسطه کاهش چیدمان مجدد، حرکت حوضچ? مذاب نیز مشـکل تر شود. اما فشارهای کمتر از 10 بار، فشار آنقدر نیست که باعث قفل شدن ذرات پودر در یکدیگر شود. در نتیجه حوضچ? مذاب می تواند برروی سطح حرکت نماید. نکت? قابل توجه بالا رفتن تعداد ترک ها زیر سطحی و پایین آمدن استحکام نمونه های تولید شده در فشارهای بالاست. زیرا در فشارهای بالا امکان اتصال مهره های مذاب بدلیل عـدم سهولت در حرکت حوضچ? مذاب بسیار ضعیف است و بین هر کدام از اتصالات ترک هایی دیده می شود که باعث کاهش استحکام قطعه شده است. بنابراین باید در سیستم های تولید سرعت سریع حرکت دورانی و خطی غلتک های صاف کننده بستر طوری تنظیم شود که این فشاری در حدود 7 بار را ایجاد نماید. با توجه به تحقیقات محققان و آزمایشات انجام شده درک می شود که می توان قطعات با کیفیت بالاتر را با استفاده از لیزری با فرکانس بالاتر تولید نمود. علاوه بر این وجود پیش گرم در سیستم نیز می توان به باعث بهبود کیفیت قطعات تولیدی شود. در نتیجه به طراحی دستگاهی پرداخته شد که قادر به ایجاد دمای پیشگرم برای تولید قطعات می باشد. در این دستگاه از سیستم غلتکی برای هموار سازی بستر استفاده شده است که می تواند فشار های حدود 7 بار را ایجاد نماید. انتخاب لیزرnd:yag ، بدلیل بالابودن دقت قطعات تولیدی، ضریب جذب بالاتر برای فلزات و امکان استفاده از آیینه های اسکنر مناسب ترین انتخاب خواهد بود. در مورد نحو? لایه نشانی استفاده از روش شکاف تغذیه مجهز شده با یک غلتک مکانیزم بهینه خواهد بود. به کمک غلتک بکار رفته امکان وجود کوبش (فشار حدود 7 بار) و حذف نامنظمی های پودر نیز وجود دارد. فشار لازم برای کوبش از طریق سرعت دورانی و خطی غلتک ها قابل دسترسی است. با توجه به انتخاب این مکانیزم برای لایه نشانی بهینه ترین روش برای ایجاد ضخامت لایه روش یک مخزن و تغذی? فوقانی است. برای ایجاد حرکت مخزن در جهت z بکارگیری پیچ و مهر? ساچمه ای مداری که به کمک یک استپر موتور درایـو می شود بهترین روش ممکن می باشد. به منظور پیش گرم باید قطعات حساس به دما را محافظت نمود. برای این منظور بین جبهه های حرارتی و این اجزاء از عایق های حرارتی استفاده شده است. در بعضی قسمت ها مانند اجزاء نزدیک به پیچ و مهره ساچمه ای از سیستم های آب خنک نیز استفاده شده است.