اختيار مسار التصنيع وفق وظيفة القطعة
بالنسبة إلى الهياكل وأجسام المضخات المتوسطة والكبيرة المصنوعة من سبائك صب راسخة، ينبغي للشركات التي تمتلك تجهيزات مسبك قائمة إعطاء الأولوية لطباعة القوالب الرملية ثلاثية الأبعاد ثم الصب. تنتج الطابعة القوالب والقلوب المعقدة، بينما يتشكل الجسم المعدني عند سكب المعدن. يحافظ هذا المسار على قدرات الصب القائمة ويقلل القيود التصميمية التي تفرضها النماذج وصناديق القلوب. وتكون الطباعة المعدنية المباشرة أكثر قيمة عندما يعتمد تحسين الأداء على شبكات دقيقة أو بنى مدمجة للتبادل الحراري أو دمج عدة أجزاء.
تستخدم هذه المقالة الانصهار بالليزر في سرير المسحوق (LPBF) مثالاً للطباعة المعدنية المباشرة. ويتمثل الفرق الأساسي في كيفية تشكيل المعدن وأنواع البنى التي يستطيع كل مسار إنتاجها بجدوى اقتصادية.
يبدأ اختلاف التكلفة بطريقة تشكيل المعدن
في مسار الرمل، تُطبع القوالب والقلوب أولاً، ثم تُجمع القوالب وتُجرى عمليات صهر المعدن وسكبه ومعالجة المسبوكة. تصنع الطابعة العناصر التي تحدد تجويف القالب، وتملؤه السبيكة السائلة لتشكيل الجسم المعدني. وللقطع الملائمة أصلاً للصب، يستفيد هذا المسار من تجهيزات الصهر والسكب والتشغيل الموجودة، ويركز القدرة الرقمية الجديدة على صناعة القوالب والقلوب.
أما LPBF فيصهر المسحوق المعدني بالليزر طبقة بعد أخرى. وترتبط تكلفة المواد وإشغال الآلة والمعالجة اللاحقة بحجم المعدن المصمت وارتفاع البناء والدعامات وترتيب القطع. وعند مقارنة ظروف تشغيل متقاربة، يعني الحجم المصمت الأكبر مزيداً من المسحوق الداخل في القطعة ومزيداً من عمل الليزر. لذلك فإن نسخ مسبوكة تقليدية كبيرة نسبياً بالطباعة المعدنية، من دون تغيير وظيفتها الإنشائية، لا يحقق ميزة اقتصادية تلقائياً. ويشمل شرح EOS للتكاليف المسحوق وتشغيل الآلة وإزالة الدعامات والمعالجة الحرارية والتشغيل النهائي.
وتشمل طباعة الرمل أيضاً تكاليف حيز البناء وحجم الأجزاء الرملية وارتفاع الطباعة والتنظيف والتجميع. وتتمثل فكرتها الاقتصادية في طباعة هندسة القالب المعقدة ثم تشكيل الجسم المعدني بالسكب. عند توافر عملية صب راسخة والحاجة إلى مسبوكة تقليدية متوسطة أو كبيرة، ينبغي إعطاء الأولوية لهذا المسار المشترك.
يمكن للقالب الرملي المقسم أن ينتج مسبوكة معدنية واحدة
من المزايا المهمة إمكان تقسيم العمل في مرحلة القوالب والقلوب. تُطبع الأجزاء الرملية منفصلة ثم تُثبت وتُجمع، وبعد ذلك يمكن لعملية سكب واحدة تشكيل قطعة معدنية متكاملة. يضيف التقسيم أعمال تجميع للأجزاء الرملية من دون أن يفرض لحامات على القطعة المعدنية النهائية.
إذا تجاوزت قطعة LPBF حيز بناء الآلة، تشمل البدائل استخدام آلة أكبر أو طباعة أقسام معدنية منفصلة ثم وصلها. ويضيف الخيار الثاني وصلات معدنية وعمليات ربط وضبطاً للتشوه وفحوصاً. يمكن تقسيم القطعة في كلا المسارين، لكن أثر ذلك على المنتج النهائي مختلف.
للهياكل وأجسام المضخات المتوسطة والكبيرة المطلوبة كمسبوكة واحدة، يُفضل تقسيم القالب الرملي وتجميعه قبل السكب. وتشغل جدران القالب وقنوات السكب والمغذيات حيزاً إضافياً؛ لذا يجب تخطيط الطباعة وفق الأبعاد الفعلية للقوالب والقلوب. يعرض مسار طباعة الرمل من CAD إلى التنظيف التسلسل الكامل للعمل.
القنوات المنحنية والشبكات الدقيقة تستفيد من قدرات مختلفة
الهياكل ذات أغلفة التبريد المائية المعقدة والقنوات المنحنية من التطبيقات المناسبة لطباعة الرمل. تتيح الطباعة المباشرة إنتاج قلوب يصعب إخراجها من صناديق القلوب التقليدية. ويمكن أيضاً تحويل بعض التصاميم التي كانت تحتاج إلى تجميع عدة قلوب إلى قلب أكثر تكاملاً، مما يقلل واجهات التجميع. ولا يكفي تعقيد القناة وحده لتبرير اللجوء إلى طباعة المعدن.
تظل عملية الصب اللاحقة هي التي تحدد الحدود. فالقلوب الرفيعة جداً قد تتضرر أثناء التنظيف أو المناولة أو السكب، كما تخضع المقاطع المعدنية الصغيرة لقيود الملء والتجمد. يجب أن يؤدي القلب المطبوع دوره في تشكيل المسبوكة، إلى جانب قدرته على تمثيل الشكل.
تستفيد الشبكات الدقيقة وسطوح التبادل الحراري الكثيفة والبنى الوظيفية المدمجة بصورة أفضل من تشكيل المعدن طبقة بطبقة في LPBF. لا يلزم ملء كل فراغ داخلي بقلب رملي مصمت، إذ تُبنى التفاصيل الصغيرة مباشرة من المعدن. ويستخدم مثال المبادل الحراري Conflux المنشور لدى EOS التصميم الإضافي لزيادة مساحة التبادل الحراري ضمن حجم محدود، مما يوضح هذه القيمة الوظيفية. تطبيقات المبادلات الحرارية لدى EOS
يُعطى مسار الرمل الأولوية للمسبوكات ذات أغلفة التبريد المنحنية والقلوب المعقدة، ويُفضل LPBF للشبكات الدقيقة وبنى التبادل الحراري المدمجة. ويكتسب دمج الأجزاء قيمة عندما يقلل فعلياً التجميع أو الوصلات أو واجهات التسرب المحتملة. أما تغيير طريقة تصنيع الشكل الخارجي لمسبوكة قائمة فقط فلا يحقق هذه الفوائد.
تحويل قيود التجاويف إلى إجراءات تصميم واضحة
يتطلب مسار الرمل وسائل لتثبيت القلب وإزالته. وإذا كان القلب طويلاً ونحيفاً أكثر من اللازم، يمكن تعديل إسناده أو تقسيمه أو تغيير تجميعه. وتحتاج القناة التي تفتقر إلى مخرج لإزالة الرمل إلى فتحة تصنيع أو تعديل في بنيتها. تقلل الطباعة قيود اتجاه إخراج النموذج التقليدي، بينما تبقى متطلبات الملء والتغذية وإزالة الرمل جزءاً من التصميم.
تتطلب البنى الداخلية في LPBF معالجة اتجاه البناء والتشوه الحراري وإمكانية الوصول إلى الدعامات. فالدعامات تحمل الأجزاء المتدلية وتنقل الحرارة وتثبت البناء. وعندما يتعذر إخراج الدعامات الداخلية، يجب تغيير الاتجاه أو استخدام مقطع مناسب ذاتي الإسناد أو تعديل تقسيم القطعة. ويمكن لتحسين التصميم والعملية تقليل الدعامات؛ فوجود بروز متدلٍ لا يجعل كل بنية غير قابلة للتصنيع.
يحتاج التجويف المغلق بالكامل، الذي لا يُسمح ببقاء قلب أو مسحوق داخله، إلى مداخل تنظيف وطريقة لإغلاقها قبل التصنيع. ويتيح إدراج الفتحات ومواقع إغلاقها في تصميم المنتج تنظيف البنية الداخلية المعقدة وتسليم القطعة.
الاختيار وفق القطع والأهداف الشائعة
| القطعة أو هدف التصنيع | المسار المفضل | السبب الرئيسي |
|---|---|---|
| هياكل وأجسام مضخات متوسطة وكبيرة من سبائك صب راسخة | قوالب رملية مطبوعة يتبعها الصب | يتشكل الجسم المعدني بالسكب مع الاستفادة من قدرات المسبك القائمة |
| مسبوكات بأغلفة تبريد مائية منحنية وقنوات معقدة | قوالب رملية مطبوعة يتبعها الصب | طباعة القلوب المعقدة مباشرة وتقليل قيود إخراجها من الصناديق وتجميعها |
| قطع تعتمد وظيفتها على شبكات دقيقة أو بنى داخلية كثيفة للتبادل الحراري | LPBF | بناء بنى معدنية دقيقة مباشرة لتخفيف الوزن أو نقل الحرارة |
| قطع وظيفية تدمج عدة مكونات بواسطة بنى داخلية دقيقة | LPBF | تنفيذ الهندسة الوظيفية الداخلية مع تقليل التجميع وواجهات الوصل |
تُختار المادة مع مجال استخدامها. يعتمد مسار الرمل على سبيكة الصب ونظام المعالجة الحرارية المناسبين، ويستخدم LPBF المسحوق وعملية البناء الملائمين. ولا تغني الأسماء المتقاربة للمواد عن تحديد الخواص النهائية ومتطلبات القبول. يجب أن يتوافق العرضان مع الوظيفة نفسها وحالة التسليم نفسها.
مقارنة التكلفة حتى التسليم وتحديد مهمة صناعة القوالب
ينبغي أن يشمل عرض مسار الرمل صناعة القوالب والقلوب والتجميع والسكب وإخراج المسبوكة وتنظيفها والمعالجة الحرارية والتشغيل والفحص. ويجب أن يشمل عرض LPBF الطباعة وإزالة المسحوق والدعامات والمعالجة الحرارية والتشغيل النهائي والفحص. ولا يمكن مقارنة التكلفة الفعلية لكل قطعة معدنية مقبولة إلا عند توحيد نطاق التسليم. تحدد الرسومات وعروض الإنتاج فرق السعر؛ فسعر القالب الرملي أو ساعة آلة الطباعة المعدنية وحده لا يشمل جميع الأعمال.
تجمع طباعة الرمل ثم الصب بين تصنيع التجاويف المعقدة وعمليات صب المعدن الراسخة. أما LPBF فيدمج البنى الدقيقة وتخفيف الوزن والوظائف مباشرة في القطعة المعدنية. وينبغي أن يتوافق الاستثمار في كل مسار مع المشكلة التصنيعية التي يعالجها.
للمسابك الراغبة في زيادة قدرة تصنيع القوالب والقلوب المعقدة، يعمل نظام طباعة الرمل Cprint 3D SJ-1200 في مرحلة صناعة القوالب والقلوب. يمكن تقديم رسومات نموذجية للمسبوكات والقلوب والسبائك المستهدفة ومتطلبات الطاقة الإنتاجية إلى فريق Cprint 3D لمناقشة تهيئة الآلة وربطها بمسار الصب.