ما الدقة الأبعادية وجودة السطح التي يمكن أن تحققها الطباعة المعدنية ثلاثية الأبعاد؟
من منظور الهندسة والتصنيع، تُعد الدقة الأبعادية وتشطيب السطح في الطباعة ثلاثية الأبعاد للمعادن، خصوصًا باستخدام تقنيات سرير المسحوق المنصهر مثل DMLS/SLM، من مؤشرات الأداء الحرجة التي تحدد مجال تطبيقها. من الضروري فهم أن حالة «كما تمت الطباعة» تمثل خط الأساس، وأن الوصول إلى التفاوتات الهندسية النهائية يتطلب في الغالب عمليات معالجة لاحقة مكملة.
الدقة الأبعادية للأجزاء كما تمت طباعتها
تشير الدقة الأبعادية للجزء المعدني المطبوع ثلاثي الأبعاد إلى مدى قرب الأبعاد المقاسة من نموذج الـ CAD المقصود. بالنسبة لتقنية DMLS، تكون الدقة النموذجية في حدود ± 0.1 مم إلى ± 0.2% (أيهما أكبر) للميزات الحرجة في مستوى X-Y. يمكن أن تكون الدقة في محور Z (اتجاه البناء) أقل ثباتًا قليلاً.
العوامل المؤثرة:
معلمات العملية: قدرة الليزر، سرعة المسح، ومسافة خطوط المسح (Hatch Spacing).
هندسة الجزء: الجدران الرقيقة والبروزات (Overhangs) عرضة للتشوه بسبب الإجهادات المتبقية.
المادة: تمتلك السبائك المختلفة (مثل ألمنيوم 6061 مقابل إنكونيل 718) معاملات تمدد حراري وخصائص انصهار مختلفة.
المعالجة اللاحقة: يمكن أن تؤدي معالجة تخفيف الإجهاد والمعالجات الحرارية مثل المعالجة الحرارية و HIP إلى تغيّرات أبعادية طفيفة.
المقارنة مع الطرق التقليدية: تكون الدقة في حالة «كما تمت الطباعة» أقل عمومًا من دقة تشغيل CNC، الذي يمكنه تحقيق تفاوتات موثوقة في حدود ± 0.025 مم أو أفضل.
تحقيق التفاوتات الدقيقة باستخدام التصنيع الهجين
بالنسبة للمكونات التي تتطلب واجهات دقيقة، أو مقاعد محامل، أو وصلات ملولبة، تكون دقة حالة «كما تمت الطباعة» غير كافية. وهنا يصبح النهج الهجين ضروريًا.
التشغيل الثانوي بتقنية CNC: تُطبع الميزات الحرجة عمدًا مع سماحية إضافية (Stock Allowance) ثم يتم إنهاؤها إلى تفاوتات دقيقة باستخدام خدمات التشغيل الدقيق مثل الفرزنة CNC أو الخراطة CNC. هذا يدمج حرية الأشكال الهندسية في DMLS مع دقة الأبعاد في CNC.
التفاوتات الواقعية: من خلال هذا الأسلوب، يمكن تحقيق تفاوتات في حدود ± 0.025 مم إلى ± 0.05 مم (درجات IT من 7–9) على الميزات المحددة، مما يجعل الأجزاء مناسبة للتطبيقات المتطلبة في الطيران والأجهزة الطبية.
تشطيب سطح الأجزاء كما تمت طباعتها
يتميز تشطيب سطح الجزء المطبوع بتقنية DMLS بخشونة معينة ناتجة عن جزيئات المسحوق الملبدة. يتراوح المستوى النموذجي لـ Ra بين 10 - 25 ميكرومتر (400 - 1000 μin)، وهو سطح خشن وملمس بارز.
أسباب الخشونة:
جزيئات ملبدة جزئيًا: تلتصق جزيئات المسحوق الدقيقة بحواف بركة الانصهار.
تأثير «درجات السلم»: يؤدي البناء طبقة بطبقة إلى تكوين نسيج متدرج على الأسطح المنحنية أو المائلة.
آثار هياكل الدعم: تترك نقاط تلامس الدعامات مع السطح عيوبًا واضحة.
التأثير الوظيفي: يكون هذا السطح الخشن في حالة «كما تمت الطباعة» غير مناسب عادةً لأسطح المحامل، أو أختام الموائع، أو التطبيقات الحساسة للتعب، لأنه يمكن أن يعمل كمركز لتركيز الإجهاد.
تحسين تشطيب السطح عبر المعالجة اللاحقة
يتم استخدام مجموعة من تقنيات المعالجة اللاحقة لتحسين تشطيب السطح، لكل منها قدرات ونتائج مختلفة.
السفع الكاشط: يُعد السفع الرملي خطوة أولى شائعة لتنظيف السطح وتقليل خشونة القمم، ويحقق عادةً مستوى في حدود Ra 4 - 8 ميكرومتر مع تشطيب مطفي متجانس.
التشطيب بالاهتزاز: تُعد عملية التلميع بالاهتزاز (Tumbling) ممتازة لتدوير الحواف، وإزالة النتوءات، وإنتاج تشطيب أكثر نعومة وشبه مطفي، مما يحسّن Ra إلى نحو Ra 1 - 4 ميكرومتر.
تشطيب الجريان الكاشط (AFM): فعّال في تلميع القنوات الداخلية والهندسات المعقدة التي يصعب الوصول إليها بالطرق الأخرى.
التلميع الكهربائي: تُعد هذه العملية الكهروكيميائية فعّالة للغاية في تحقيق تشطيب ناعم ومصقول على المستوى المجهري. يمكن أن يُحسّن التلميع الكهربائي تشطيب السطح إلى نطاق Ra 0.2 - 0.8 ميكرومتر مع تعزيز مقاومة التآكل.
التشغيل / الطحن بـ CNC: للحصول على أفضل تشطيب ممكن على الأسطح المستوية أو الأسطوانية الحرجة، تُستخدم عمليات الطحن CNC أو التشغيل التقليدي. يمكن أن تحقق هذه العمليات تشطيب سطح في حدود Ra 0.4 ميكرومتر أو أفضل، بما يعادل تشطيب سطح كما تم تشغيله عالي الجودة.
ملخص المواصفات الممكن تحقيقها
الخاصية | حالة «كما تمت الطباعة» (DMLS) | مع المعالجة اللاحقة |
|---|---|---|
الدقة الأبعادية | ± 0.1 مم إلى ± 0.2% | ± 0.025 مم (للميزات المشغلة) |
تشطيب السطح (Ra) | 10 - 25 ميكرومتر | 0.2 - 4 ميكرومتر (حسب الطريقة) |
إرشادات هندسية للتصميم
التصميم وفقًا لقدرات العملية: خذ في الاعتبار قيود حالة «كما تمت الطباعة» في تصميمك، وتجنب التفاوتات الحرجة على الأسطح الداخلية التي يصعب الوصول إليها.
تحديد الميزات الحرجة بوضوح: حدد بوضوح الأسطح التي تتطلب تفاوتات دقيقة وتشطيبات راقية، بحيث يمكن إضافة سماحية تشغيل ثانوية لها.
مراعاة سير العمل بالكامل: غالبًا ما يتضمن المسار الأمثل للجزء عالي الدقة الطباعة ثلاثية الأبعاد للشكل شبه النهائي المعقد، ثم استخدام تشغيل CNC لتحقيق الدقة النهائية.
