ما حجم البناء النموذجي لطابعات SLS المعدنية، وكيف تُنتَج الأجزاء الكبيرة؟

من منظور هندسي تصنيعي، يُعد حجم البناء في أنظمة الطباعة المعدنية بتقنية SLS (المعروفة أيضًا باسم DMLS أو LPBF) عاملاً رئيسيًا في تحديد مدى إمكانية إنتاج المكونات الكبيرة كقطعة واحدة. وبينما توفر الآلات القياسية أحجامًا كبيرة نسبيًا، فقد طورت الصناعة طرقًا فعّالة للتعامل مع الأجزاء التي تتجاوز هذه الأبعاد.

أحجام البناء النموذجية في الطباعة المعدنية بتقنية SLS

لا يوجد معيار موحد لحجم البناء في أنظمة الطباعة المعدنية الصناعية، ولكنه يقع عادة ضمن نطاقات محددة. تقدم معظم الشركات الرائدة مثل EOS وSLM Solutions و3D Systems أحجام بناء تقريبية كما يلي:

• النطاق الصناعي القياسي: حوالي 250 × 250 × 325 مم إلى 400 × 400 × 400 مم (أي 10 × 10 × 13 بوصة إلى 15.7 × 15.7 × 15.7 بوصة). يغطي هذا الحجم الغالبية العظمى من المكونات في قطاعات مثل الطيران والفضاء (مثل الحوامل والفوهات) والأجهزة الطبية (مثل الزرعات).

• الأنظمة الكبيرة الحجم: لتطبيقات أكثر تطلبًا، تتوفر آلات بطاقات بناء أكبر. تقدم شركات مثل Velo3D وSLM Solutions وGE Additive أحجامًا تصل إلى 600 × 600 × 600 مم أو حتى 800 × 400 × 500 مم. تُستخدم هذه الأنظمة في المكونات الهيكلية الكبيرة، وأغلفة التوربينات، وأجزاء المعدات الصناعية الضخمة.

استراتيجيات التعامل مع الأجزاء الكبيرة

عندما تتجاوز أبعاد الجزء حدود حجم البناء المتاح، تُستخدم عدة استراتيجيات هندسية فعالة:

1. تقسيم الجزء (الاستراتيجية الأكثر شيوعًا): يتم تقسيم المكون بذكاء إلى عدة أقسام تتناسب مع غرفة الطباعة. هذا لا يتم عبر قطع عشوائي بل من خلال هندسة دقيقة لتصميم نقاط الاتصال.

   • ميزات ربط مدمجة: تُصمم الأجزاء بميزات تداخل أو حواف توصيل أو وصلات من نوع اللسان والأخدود لضمان المحاذاة الدقيقة بعد التجميع.

   • الربط بعد المعالجة: تُجمع الأجزاء بعد الطباعة والمعالجة اللاحقة باستخدام طرق ربط عالية المتانة. أكثر الطرق استخدامًا هي اللحام (خاصة TIG أو اللحام بشعاع الإلكترون)، الذي ينتج هيكلًا متجانسًا، أو اللحام بالنحاس في الفراغ لبعض السبائك. وللاتصالات غير الدائمة، يمكن استخدام البراغي عبر أنماط تثبيت مُصممة مسبقًا.

2. التصنيع الهجين: في هذا النهج، يُصنع الهيكل الأساسي الكبير بطريقة تقليدية مثل التشغيل باستخدام CNC أو الصب. ثم تُضاف التفاصيل المعقدة أو الهياكل الشبكية خفيفة الوزن باستخدام الطباعة المعدنية ثلاثية الأبعاد. تُعد هذه الطريقة فعالة للغاية لإضافة قنوات تبريد داخلية أو ميزات هندسية معقدة على قاعدة معدنية كبيرة.

3. تحسين التصميم ليتناسب مع الحيز: في كثير من الأحيان يمكن توجيه الجزء قطريًا داخل غرفة الطباعة للاستفادة القصوى من أحد الأبعاد. كما يمكن تعديل التصميم لتقليل الأبعاد الكلية دون التأثير على الوظيفة.

اعتبارات هندسية للأجزاء الكبيرة

• إدارة الإجهاد: تتعرض الأجزاء الكبيرة لإجهادات حرارية كبيرة أثناء عملية البناء، مما يستلزم تطوير معلمات دقيقة وقد يتطلب معالجة حرارية لتخفيف الإجهاد أثناء تثبيت الجزء على لوحة البناء لتجنب التشوه أو التشقق.

• هياكل الدعم: الأسطح الكبيرة المسطحة أكثر عرضة للانبعاج، مما يستلزم إنشاء هياكل دعم قوية وكثيفة، وهذا يزيد من استهلاك المادة ووقت الطباعة وجهد الإزالة اللاحقة.

• إدارة المسحوق: تستهلك الطباعة الكبيرة كميات كبيرة من مسحوق المعدن عالي التكلفة. وبالتالي تصبح عملية المناولة وإعادة التدوير والغربلة عاملاً مؤثرًا في التكلفة.

• تحديات المعالجة اللاحقة: تتطلب معالجة الأجزاء الكبيرة مثل السفع الرملي والمعالجة الحرارية معدات صناعية ضخمة، مثل أفران كبيرة الحجم تستخدم في عمليات الضغط المتساوي السخونة (HIP).

وباختصار، على الرغم من أن أحجام البناء النموذجية في أنظمة SLS المعدنية كافية لمعظم التطبيقات، إلا أن التقنية لا تقتصر عليها. من خلال التقسيم الذكي، والأساليب الهجينة، والمعدات كبيرة الحجم، يمكن للصناعة الحديثة إنتاج مكونات معدنية كبيرة ومعقدة تستفيد من الحرية التصميمية التي توفرها تقنيات التصنيع الإضافي.