فناوری چاپ و چاپگرهای سه بعدی فلزی اسپری سرد (printing technology 3D printers with cold spray)
دسترسی سریع
- 1 . فناوری چاپ و چاپگرهای سه بعدی فلزی اسپری سرد
- 2 . اصول اولیه اسپری سرد
- 3 . مزایا و معایب اسپری سرد
- 4 . فلزات مورد استفاده در اسپری سرد
- 5 . اسپری سرد برای تعمیر فلز
- 6 . اسپری سرد برای هوافضا
- 7 . آینده اسپری سرد
- 8 . نوآوری های تاثیرگذار
- 9 . Spee3D
- 10 . Titomic Ltd
- 11 . VRC Metal Systems
- 12 . Meld Manufacturing
فناوری چاپ و چاپگرهای سه بعدی فلزی اسپری سرد
با پاشیدن لایه بر لایه پودر فلز برای ساخت سریعتر و ارزانتر نسبت به سایر روشهای ساخت فلز ، اسپری سرد در حال پیشرفت است تا به عنوان یک فناوری مهم در آینده تولید فلز مطرح شود.
از ارتش گرفته تا معدن تا هوانوردی تجاری ، بسیاری از صنایع مهم ما متکی بر ماشین آلات فلزی پیچیده هستند. هنگامی که قطعات این ماشین ها خراب می شوند یا فرسوده می شوند ، اغلب تعمیر آنها با جوشکاری غیرممکن است زیرا گرما می تواند به قطعه (یا قطعات مجاور) آسیب برساند یا تعمیر ، نقاط ضعفی را ایجاد کند. سپس این قطعات باید مجدداً تولید شوند ، که یک فرایند کند ، ناکارآمد و گران است.
یک نوع فناوری چاپ سه بعدی به نام "اسپری سرد" راه حلی را ارائه می دهد.
تولید اسپری سرد یک قطعه فلزی با چاپگر سه بعدی از Titomic
اسپری سرد یک فناوری تولیدی است که پودرهای فلزی را با سرعت مافوق صوت اسپری می کند تا بدون ذوب شدن آنها را بچسباند ، که تقریبا هیچ تنش حرارتی ایجاد نمی کند. از اوایل دهه 2000 از آن به عنوان فرآیند روکش استفاده می شد ، اما اخیراً ، چندین شرکت اسپری سرد را برای تولید افزایشی آن را سازگار کرده اند ، زیرا می تواند فلز را در هندسه های دقیق تا چندین سانتی متر با سرعت 50 تا 100 برابر بیشتر از چاپگرهای فلزی سه بعدی معمولی لایه بندی کند.
برای تولید افزایشی ، از اسپری سرد برای تولید سریع قطعات جایگزین فلز و تعمیرات و تعمیر قطعات فلزی در محل ، مانند تجهیزات و ماشین آلات نظامی در صنعت نفت و گاز استفاده می شود ، که باعث صرفه جویی میلیونی در تولید مجدد و جلوگیری از وقفه در گردش کار می شود. در برخی موارد ، قطعات تعمیر شده می توانند بهتر از قطعات جدید باشند.
این فناوری در زمینه هوافضا بسیار مورد توجه است . از این فناوری برای ایجاد قطعات پیچیده موشک با مس خالص و سایر مواد در ساعت به جای هفته ها با هزینه بسیار کمتر استفاده می شود. این نوع فناوری اسپری سرد به عنوان تولید افزایشی اسپری سرد (CSAM) شناخته می شود.
بیایید در مورد اینکه CSAM چیست و چگونه بر تولید افزایشی فلزی تاثیر می گذارد ، بررسی کنیم.
اصول اولیه اسپری سرد
فرایندهای تولید افزایشی اسپری سرد
بر اساس فناوری توسعه یافته توسط دانشمندان روسی در دهه 1980 ، اسپری سرد با تزریق پودرهای فلزی به نازل موشک که گازهای تحت فشار ( هوا ، نیتروژن یا هلیوم) را با سرعت مافوق صوت منتقل می کند ، عمل می کند.
نام اسپری سرد از این واقعیت ناشی می شود که ذرات فلز ذوب نمی شوند ، بلکه بر روی یک بستر فلزی تأثیر می گذارند و به آن می چسبند در فرآیندی که به آن "تغییر شکل پلاستیک" می گویند و باعث ایجاد پیوند متالورژی و همچنین در هم تنیدگی مکانیکی می شود. از آنجا که اسپری سرد در حالت جامد اتفاق می افتد (ذوب نمی شود) ، موادی را تولید می کند که مستعد تخلخل ، ترک خوردگی یا سایر مشکلات رایجی نیستند که فناوری های مبتنی بر مذاب را آزار می دهد. همچنین هیچ پردازشی پس از تولید در کوره وجود ندارد مانند برخی دیگر از فناوری های چاپ سه بعدی فلزی.
ماشین آلات روباتیک حرکت نازل تفنگ اسپری یا قسمت ساخت یا گاهی اوقات هر دو را کنترل می کنند.
فرایند چاپ سه بعدی با ایجاد ( افزایش ) لایه به لایه مواد انجام می شود. اسپری سرد می تواند اتلاف مواد را به صفر برساند ، که ( همراه با این واقعیت که این فناوری مصرف کم انرژی دارد و هیچ گونه دود تولید نمی کند ) آن را به یک فناوری پایدار جذاب تبدیل می کند. حتی بهتر آنکه می توان از چاپگرهای سه بعدی اسپری سرد در محل استفاده کرد ، تأثیر محیطی حمل قطعات جدید در سراسر جهان حذف می شود.
مزایای دیگری نیز وجود دارد. در برنامه های تعمیر ، فناوری اسپری سرد طول عمر قطعات ماشین را افزایش می دهد ، آنها را از محل دفن زباله دور نگه می دارد و از تولید جایگزین وابسته به منابع با استفاده از روش های سنتی جلوگیری می کند.
استفاده تکنسین های گروه تعمیر و نگهداری نیروی هوایی ایالات متحده از دستگاه اسپری سرد VRC Raptor (منبع: عکس نیروی هوایی ایالات متحده توسط نیروی هوایی درجه 1 کوئنتین کی مارکس)
به عنوان مثال ، در ماه می نیروی هوایی ایالات متحده با استفاده از فناوری اسپری سرد از VRC Metal Systems ، "مفصل لغزش بال " یک هواپیمای پرنده فعال را بازیابی کردند.
برایان جیمز ، مهندس ارشد تولید افزایشی در پایگاه هوایی الزورث می گوید: "در طول اسپری سرد از گاز هلیوم برای شتاب بخشیدن به ذرات تا سرعت 3 ماخ استفاده کردیم." در اثر برخورد ، ذرات به بستر تبدیل می شوند و پیوند مکانیکی قوی ایجاد می کنند. اگر از اسپری سرد استفاده نکنیم ، تنها راه حل دیگر برای رفع ایراد ، حذف و تعویض قطعه است که انجام آن حدود 500000 دلار هزینه و هشت هفته زمان می برد . "
مزایا و معایب اسپری سرد
برخی از مزایای اسپری سرد سه بعدی قبلاً ذکر شده است ، اما موارد دیگری نیز وجود دارد. بیایید خلاصه کنیم:
- تا 100 برابر سریعتر از سایر چاپ های فلزی سه بعدی عمل می کند
- طیف گسترده ای از فلزات را در بر می گیرد
- دود و مواد زائد منتشر نمی کند
- قابل حمل و امکان ساخت یا تعمیر در محل را دارد
- یک فرآیند حالت جامد برای از بین بردن تاب برداشتن ، ترک خوردگی یا تخلخل فلز است
- اکسیداسیون ایجاد نمی کند و می تواند مواد با چگالی بالا تولید کند
- از آنجا که فلز ذوب نشده است ، می توان حسگرها یا وسایل الکترونیکی را در طول ساخت تعبیه کرد
- هیچ فضای خاصی مورد نیاز نیست ، و می تواند طرح هایی در مقیاس بزرگ و وسیع را قادر سازد
- از این فرایند می توان برای اتصال فلزات مختلف به یکدیگر استفاده کرد. برخی از شرکتها حتی در حال توسعه فرایندهایی برای اتصال فلزات با سرامیک و پلاستیک هستند
چاپ اسپری سرد اشکالاتی نیز دارد:
- توان مالی . در حال حاضر ماشین آلات تنها از تعداد انگشت شماری از تولید کنندگان در دسترس است
- برای ایجاد صافی و تیز کردن لبه ها ، محصولات به فرایند فرز ثانویه نیاز دارند
- فرآیندهای فشرده سازی ارزان تر با استفاده از هوای محیط برای فلزات نرم تری مانند مس ، آلومینیوم یا آلومینیوم-برنز مناسب است. فلزات سخت تر مانند فولاد یا تیتانیوم نیاز به استفاده از هلیوم یا نیتروژن دارند که هزینه ها را افزایش می دهد
- به دلیل فیزیک فرآیند ، هندسه محدودی از اشکال چاپ شده وجود دارد
فلزات مورد استفاده در اسپری سرد
یک قطعه اسپری سرد به صورت افزایشی توسط Spee3D تولید شده است
CSAM امکان اتصال فلزات متفاوت را بدون مسائل عدم تطابق متالورژی که در سایر فرآیندهای افزودنی دیده می شود ، ایجاد می کند. طیف گسترده ای از ترکیبات مواد را می توان در یک قطعه واحد چاپ کرد و فضای طراحی را باز کرد تا از مواد مهندسی شده استفاده کرد. برخی از مواد مورد استفاده در این فرآیند در قسمت زیر ذکر شده اند :
- تیتانیوم
- پلیس ها
- فولاد
- آلومینیوم
- نیکل ها
- طلا
- نقره اي
- پلاتین
- نیوبیوم
- تانتالوم
- زیرکونیوم
- مولیبدن
چه کسانی در حال حاضر از اسپری سرد استفاده می کنند؟
سربازان ارتش استرالیا چاپگر اسپری سرد WarpSpee3D را آزمایش کردند
اسپری سرد برای تعمیر فلز
با شروع سال 2012 ، ارتش ایالات متحده از فناوری Cold Spray ( با همکاری شرکت هایی مانند VRC Metal Systems ) برای تعمیر اجزای هواپیما مانند جعبه گیربکس منیزیم و ریخته گری آلومینیوم استفاده کرد. این امر عمر خودروهایی مانند بالگرد AH-64 Apache و بمب افکن B1-B را افزایش داده و این خودرو ها را از اوراقی دور نگه داشته و در هزینه های نظامی صرفه جویی کرده است.
"اسپری سرد یک فناوری نوظهور است که ارتش را قادر می سازد اجزای فرسوده را که قبلاً با قطعات جدید جایگزین شده بودند ، پس بگیرد. این فن جدید هزینه چرخه عمر را کاهش می دهد و سیستم ها را در دسترس قرار می دهد. "مهندس مواد ارتش ایالات متحده ، Gehn Ferguson ، که تحقیقات خود را در زمینه اسپری سرد برای تعمیر پایه های اسلحه گران قیمت برجک در M2 Bradley Fighting Vehicle ارتش انجام داده است ، می گوید:
بر اساس تحقیقات ارتش ، هزینه نصب پایه اسلحه جدید بیش از 25000 دلار است ، اما هزینه تعمیر اسپری سرد تقریباً 1000 دلار است که باعث کاهش ضرورت انبار کردن پایه های اسلحه جدید می شود.
ارتش استرالیا نیز چشم به اسپری سرد دارد. در سال 2020 ، شرکت چاپگر سه بعدی Spee3D استرالیا یک مطالعه را تکمیل کرد که در آن سربازان استرالیایی را آموزش دادند تا از فناوری چاپ سه بعدی اسپری سرد خود در این زمینه استفاده کنند. چاپگرهای آنها به کامیون های ارتش استرالیا بسته شده و در بوته بیرون آورده شده و با موفقیت در شرایط سخت محیطی ، از جمله گرمای 40 درجه سانتی گراد و رطوبت 90 درصد ، و گرد و غبار و طوفان ، با موفقیت چاپ انجام داده اند.
آزمایش Spee3D نشان داد که ممکن است واحدهای ارتش از چاپ سه بعدی اسپری سرد برای خودکفایی در این زمینه استفاده کنند. در بین چندین نمونه ، تیم توانست تیرچه تیر برنزی آلومینیومی را با وزن 2 کیلوگرم در 60 دقیقه چاپ کند. این ابزار برای عملکرد مسلسل خودروهای زرهی سبک استرالیا مورد نیاز است. با استفاده از چاپگر Spee3D ، ساخت این محصول حدود 100 دلار آمریکا هزینه دارد. سربازان همچنین یک لولا برنزی آلومینیومی چاپ کردند که بخشی ضروری برای عملکرد ایمن پمپاژ دستی سوخت است (تصویر زیر) در مدت 10 دقیقه با هزینه ای حدود 35 دلار است .
چاپگر اسپری سرد در حال کار است
اسپری سرد برای هوافضا
نازل های موشکی و محفظه های احتراق در معرض تقاضای شدید قرار دارند و روش های معمول تولید خسته کننده و پرهزینه است. Spee3D در فاصله کمتر از سه ساعت با هزینه چاپ 716 دلار ، یک خط نازل راکت مسی 17.9 کیلوگرمی را روی چاپگر WarpSpee3D خود چاپ کرد. به گفته Spee3D ، با روش های تولید سنتی ، تولید این قطعه 6 ماه طول می کشد و ده ها هزار دلار هزینه دارد.
ناسا به تازگی تست هایی را در مرکز پرواز فضایی خود در محفظه رانش با دو قطعه فلزی چاپ شده با اسپری سرد آزمایش کرده است. توماس د. تیزلی ، مهندس در مارشال می گوید: "آزمایش محفظه RDT Advanced Lander Propulsion Additive Cold Spray (ALPACA) تست بسیار خوبی بود و قابلیت فناوری جدید را برای ناسا و شرکای صنعتی نشان داد."
ارتوگرید هوافضا نوعی ساختار شبکه است که از پوست فضاپیماها پشتیبانی می کند. با استفاده از اسپری سرد ، شرکت آلمانی Impact Innovations توانست ارتوگریدها را در ارتفاع چند سانتی متری را بدون هدر دادن آلیاژ آلومینیوم با روش افزایشی تولید کند.
ارتوگرید آلومینیومی Impact Innovation - نازل موشک مسی Spee3D که در سه ساعت چاپ شده
آینده اسپری سرد
تصویری از روند اسپری سرد
با وجود استقبال گسترده ، به ویژه در بخش های نظامی ، چاپ سه بعدی با اسپری سرد هنوز در مراحل اولیه خود است. بدون شک هنوز کاربردهای زیادی کشف نشده است. اما قابلیت حمل ، مقرون به صرفه بودن و چند کاره بودن آن اطمینان می دهد که در سالهای آینده در بسیاری از برنامه ها مورد استفاده قرار خواهد گرفت.
آینده اسپری سرد به عنوان یک فرآیند تولید افزایشی به حل محدودیت کنترل هندسی شکل رسوب بستگی دارد. به عبارت دیگر ، CSAM فاقد جزئیات دقیق و هندسه های پیچیده موجود با سایر فرایندهای AM است.
مطمئناً یک حوزه تأثیر گذار آینده در پایداری محیط زیست خواهد بود. همانطور که یک مقاله تحقیقی اخیر نتیجه گرفته است ، این فناوری "می تواند آینده جهان تولید را با مزایای قابل توجه پایدار تغییر دهد."
تحقیقات نظامی ایالات متحده برنامه های کاربردی آینده در زمینه های الکترونیک ، خودرو ، نیروگاه هسته ای را ارائه می دهد و دانشمندان به دنبال راه هایی برای کاهش بیشتر هزینه ها با استفاده از سیستم شتاب مایع به جای گاز هستند.
امکان دیگر برای کاهش هزینه ها یافتن منبع ارزان تری از گازهای شتاب دهنده موثر مانند هلیوم است. بایرون کندی ، بنیانگذار Spee3D ، به استخراج نظری هلیوم در ماه و دیگر مکان های فرازمینی اشاره می کند. کندی می گوید: "اگر در فضا ، فضای ذخیره هلیوم پیدا کنیم ، اسپری سرد بهتر و بهتر می شود."
و صحبت از فضا ، با افزایش اکتشافات در خارج از محدوده زمین ، چاپ اسپری سرد مطمئناً می تواند در آنجا نیز نقش داشته باشد. سفری به مریخ دارید؟ اگر اجزای کشتی خراب شوند چه؟ ممکن است وجود یک چاپگر سه بعدی با اسپری سرد در هیئت مدیره برای تولید ایمن و کارآمد جایگزین ضروری باشد.
البته این فقط گمانه زنی است. آنچه مسلم است فناوری اسپری سرد امکانات جدیدی را در تولید فلز ایجاد می کند. این یک فناوری است که در سالهای آینده پیگیری می شود.
نوآوری های تاثیرگذار
Impact Innovations که در آلمان مستقر است ، دهه ها متخصص تجهیزات پاشش سرد با فشار بالا بوده است. امسال ، آنها سیستم اسپری سرد EvoCSII را معرفی کردند که به عنوان راه حل پلاگین و پخش برای قطعات و تولیدات سری تولید شده بود.
تفنگ اسپری کوچکتر به نام EvoCSII 5/8 برای پاشش مواد کم ذوب مانند مس خالص ، روی ، آلومینیوم ، نیکل و آلیاژهای آنها مناسب است. نسخه بزرگتر Impact Cold Spray Gun EvoCSII 6/11 همچنین می تواند تمام فلزات کمتر شکل پذیر مانند فولاد ضد زنگ ، منیزیم ، اینکونل ، تیتانیوم و مخلوط های کاربید را اسپری کند.
Spee3D
تولید کننده چاپگرهای سه بعدی استرالیایی Spee3D ، فناوری پاشش فلزات سرد فلزی ثبت شده خود را فناوری تولید افزایشی Supersonic 3D Deposition (SP3D) می نامد. آنها سه چاپگر LightSpee3D و WarpSpee3D و Spee3Dcell ارائه می دهند که چاپگرهای آنها را به همراه اجاق حرارتی و دستگاه فرز CNC 3 بسته بندی می کند.
به تازگی ، Spee3D از دولت استرالیا برای تولید موتورهای موشکی چاپ شده فلزی برای صنعت فضایی صنعتی نوظهور استرالیا با استفاده از فناوری اسپری سرد ، کمک مالی دریافت کرده است.
Titomic Ltd
Titomic ، یکی دیگر از تولید کنندگان پرینترهای سه بعدی استرالیایی ، راه حل های مناسب چاپگرهای سه بعدی را برای طیف وسیعی از تولید و تحقیق و توسعه ارائه می دهد. این شرکت فناوری اسپری سرد خود را "Kinetic Fusion" می نامد و آن را در چاپگرهای سه بعدی فلزی TKF 9000 و TKF 1000 ارائه می دهد.
TKF 9000 یک خط تولید رباتیک مستقل و سفارشی را ارائه می دهد که قادر به تولید افزایشی در صورت تقاضا برای سازه های باربر و پوشش های سطح ویژه است. TKF 1000 کوچکتر ، سیستم تولید افزودنی مدولار Titomic است که برای پشتیبانی از طیف وسیعی از برنامه های تولید کم تا متوسط در صنعت ، دانشگاه و سازمانهای تحقیقاتی طراحی شده است. سیستم تولید افزایشی، تولید سریع و چابک ، نمونه سازی اولیه ، قطعات سفارشی و اجرای آزمایشی قبل از تولید انبوه را ارائه می دهد.
همانند Spee3D ، Titomic بودجه جدیدی از دولت اتریش برای توسعه برنامه های اسپری سرد هوافضا دارد.
VRC Metal Systems
سیستم های فلزی VRC مستقر در ایالات متحده در ابتدا سیستمی را برای تعمیر سلاح ها برای وزارت دفاع ایالات متحده ایجاد کردند ، که در آن قابلیت دستی و تحرک دستگاه از ویژگی های اساسی طراحی بود. از آن زمان به بعد ، این شرکت سیستم های تجاری و سیستم های اسپری سرد کلیدی شامل روش های افزایشی و تفریق را توسعه داده است. VRC همچنان در توسعه اسپری سرد و راه حل های پیشرفته تولیدی برای وزارت دفاع نقش دارد.
VRC Metal Systems راه حل های سفارشی را برای اسپری سرد و ترکیبی (تولید افزایشی و تولید تفریق) چاپگرهای سه بعدی به علاوه مدلهای خارج از قفسه ، از جمله Gen III و VCR Raptor ارائه می دهد. هر دو دستگاه دارای سیستم های قابل حمل ، اسپری سرد با اپلیکاتورهای دستی یا روباتیک هستند که می توانند از راه دور کار کنند.
Meld Manufacturing
فن آوری Meld Manufacturing مستقر در ایالات متحده اسپری سرد نیست ، اما ما آن را به دلیل شباهت هایی که با اسپری سرد در کاربرد دارد در اینجا قرار می دهیم.
Meld مانند اسپری سرد ، یک فرایند حالت جامد است (به این معنی که فلز به نقطه ذوب نمی رسد) و طیف وسیعی از قابلیت ها را شامل تولید افزایشی ، کاربردهای پوشش ، تعمیر قطعات ، اتصال فلز و ساخت قطعات فلزی سفارشی ارائه می دهد. از فلزات خارج از قفسه به صورت جامد یا پودر برای ایجاد قطعات کاملاً متراکم با استفاده از فشار بالا و اصطکاک برای انعطاف پذیری فلز استفاده می کند.
