تطبيق تقنية تشكيل الشعاع في التصنيع الإضافي بالليزر للمعادن

تُستخدم تقنية التصنيع الإضافي بالليزر على نطاق واسع في تصنيع المكونات الرئيسية في مجالات مثل السيارات، والأجهزة الطبية، والفضاء، وغيرها، لما تتميز به من دقة تصنيع عالية، ومرونة فائقة، ومستوى عالٍ من الأتمتة (مثل فوهات وقود الصواريخ، وحوامل هوائيات الأقمار الصناعية، وغرسات الأعضاء البشرية، وغيرها). تُحسّن هذه التقنية بشكل كبير أداء الأجزاء المطبوعة من خلال دمج بنية المادة وخصائصها. وتعتمد تقنية التصنيع الإضافي بالليزر حاليًا على شعاع غاوسي مركّز ذي توزيع طاقة عالٍ في المركز ومنخفض عند الحواف. إلا أنها غالبًا ما تُولّد تدرجات حرارية عالية في المادة المنصهرة، مما يؤدي إلى تكوّن المسام والحبيبات الخشنة. وتُعدّ تقنية تشكيل الشعاع طريقة جديدة لحل هذه المشكلة، حيث تُحسّن كفاءة الطباعة وجودتها من خلال ضبط توزيع طاقة شعاع الليزر.

بالمقارنة مع تقنيات التصنيع التقليدية، تتميز تقنية التصنيع الإضافي للمعادن بمزايا عديدة، منها قصر مدة دورة التصنيع، ودقة المعالجة العالية، وكفاءة استخدام المواد، والأداء العام المتميز للأجزاء. ولذلك، تُستخدم هذه التقنية على نطاق واسع في قطاعات متنوعة، مثل صناعة الطيران والفضاء، والأسلحة والمعدات، والطاقة النووية، والصناعات الدوائية الحيوية، والسيارات. وتعتمد تقنية التصنيع الإضافي للمعادن على مبدأ التراص المنفصل، حيث تستخدم مصدر طاقة (مثل الليزر، أو القوس الكهربائي، أو شعاع الإلكترون) لصهر المسحوق أو السلك، ثم ترصها طبقة تلو الأخرى لتصنيع المكون المطلوب. وتتميز هذه التقنية بقدرتها على إنتاج دفعات صغيرة، وهياكل معقدة، وأجزاء مصممة خصيصًا. كما أنها مناسبة لمعالجة المواد التي يصعب أو يستحيل معالجتها بالتقنيات التقليدية. وبفضل هذه المزايا، حظيت تقنية التصنيع الإضافي باهتمام واسع من الباحثين محليًا وعالميًا، وشهدت تطورًا سريعًا خلال العقود القليلة الماضية. بفضل أتمتة ومرونة معدات التصنيع الإضافي بالليزر، فضلاً عن المزايا الشاملة لكثافة طاقة الليزر العالية ودقة المعالجة العالية، فقد تطورت تقنية التصنيع الإضافي بالليزر بشكل أسرع من بين تقنيات التصنيع الإضافي للمعادن الثلاث المذكورة أعلاه.

يمكن تقسيم تقنية التصنيع الإضافي للمعادن بالليزر إلى قسمين رئيسيين: الطباعة ثلاثية الأبعاد بالليزر الانتقائي (LPBF) والطباعة ثلاثية الأبعاد بالتغذية المباشرة (DED). يوضح الشكل 1 مخططًا توضيحيًا نموذجيًا لعمليتي LPBF وDED. تُعرف عملية LPBF أيضًا باسم الطباعة الانتقائية بالليزر (SLM)، وتتيح تصنيع مكونات معدنية معقدة عن طريق مسح أشعة ليزر عالية الطاقة على مسار ثابت على سطح طبقة من المسحوق. بعد ذلك، ينصهر المسحوق ويتصلب طبقة تلو الأخرى. أما عملية DED، فتتضمن بشكل أساسي عمليتي طباعة: الطباعة ثلاثية الأبعاد بالليزر الانتقائي والتغذية المباشرة بسلك الليزر. تتيح كلتا التقنيتين تصنيع وإصلاح الأجزاء المعدنية مباشرةً عن طريق التغذية المتزامنة لمسحوق أو سلك معدني. بالمقارنة مع LPBF، تتميز DED بإنتاجية أعلى ومساحة تصنيع أكبر. بالإضافة إلى ذلك، تُسهّل هذه الطريقة تحضير المواد المركبة والمواد المتدرجة وظيفيًا. مع ذلك، غالبًا ما تكون جودة سطح الأجزاء المطبوعة بتقنية DED رديئة، وتتطلب معالجة لاحقة لتحسين دقة أبعاد المكون المستهدف.

في عملية التصنيع الإضافي بالليزر الحالية، يُعد شعاع غاوس المركز عادةً مصدر الطاقة. مع ذلك، ونظرًا لتوزيعه الفريد للطاقة (درجة حرارة عالية في المركز، منخفضة عند الحواف)، فإنه يُحتمل أن يُسبب تدرجات حرارية عالية وعدم استقرار في حوض الانصهار، مما يؤدي إلى رداءة جودة تشكيل الأجزاء المطبوعة. إضافةً إلى ذلك، إذا كانت درجة حرارة مركز حوض الانصهار مرتفعة جدًا، فإنها ستؤدي إلى تبخر العناصر المعدنية ذات درجة الانصهار المنخفضة، مما يزيد من عدم استقرار عملية الطباعة بالليزر. لذلك، مع ازدياد المسامية، تنخفض الخواص الميكانيكية وعمر الإجهاد للأجزاء المطبوعة بشكل ملحوظ. كما يؤدي التوزيع غير المتساوي للطاقة في أشعة غاوس إلى انخفاض كفاءة استخدام طاقة الليزر وهدرها بشكل مفرط. ولتحقيق جودة طباعة أفضل، بدأ الباحثون في استكشاف طرق لمعالجة عيوب أشعة غاوس من خلال تعديل معايير العملية مثل قدرة الليزر، وسرعة المسح، وسُمك طبقة المسحوق، واستراتيجية المسح، وذلك للتحكم في كمية الطاقة المُدخلة. نظراً لضيق نطاق المعالجة في هذه الطريقة، تحدّ القيود الفيزيائية الثابتة من إمكانية إجراء المزيد من التحسينات. فعلى سبيل المثال، يمكن لزيادة طاقة الليزر وسرعة المسح تحقيق كفاءة تصنيع عالية، ولكن غالباً ما يكون ذلك على حساب جودة الطباعة. في السنوات الأخيرة، أدى تغيير توزيع طاقة الليزر من خلال استراتيجيات تشكيل الشعاع إلى تحسين كفاءة التصنيع وجودة الطباعة بشكل ملحوظ، وهو ما قد يصبح اتجاه التطوير المستقبلي لتقنية التصنيع الإضافي بالليزر. تشير تقنية تشكيل الشعاع عموماً إلى ضبط توزيع جبهة الموجة للشعاع المدخل للحصول على توزيع الشدة وخصائص الانتشار المطلوبة. يوضح الشكل 2 تطبيق تقنية تشكيل الشعاع في تقنية التصنيع الإضافي للمعادن.

تطبيق تقنية تشكيل الشعاع في التصنيع الإضافي بالليزر

عيوب الطباعة التقليدية باستخدام شعاع غاوسي

في تقنية التصنيع الإضافي للمعادن باستخدام الليزر، يؤثر توزيع طاقة شعاع الليزر بشكل كبير على جودة الأجزاء المطبوعة. ورغم شيوع استخدام أشعة غاوس في معدات التصنيع الإضافي للمعادن باستخدام الليزر، إلا أنها تعاني من عيوب خطيرة، مثل عدم استقرار جودة الطباعة، وانخفاض كفاءة استهلاك الطاقة، وضيق نطاق عمليات التصنيع الإضافي. ومن بين هذه العيوب، ترتبط عملية انصهار المسحوق وديناميكية حوض المعدن المنصهر ارتباطًا وثيقًا بسُمك طبقة المسحوق. ونظرًا لوجود مناطق تناثر المسحوق وتآكله، يكون السُمك الفعلي لطبقة المسحوق أكبر من المتوقع نظريًا. ثانيًا، يتسبب عمود البخار في تناثرات النفث الخلفي الرئيسية. يصطدم بخار المعدن بالجدار الخلفي مُشكلاً تناثرات تُرش على طول الجدار الأمامي بشكل عمودي على المنطقة المقعرة لحوض المعدن المنصهر (كما هو موضح في الشكل 3). ونظرًا للتفاعل المعقد بين شعاع الليزر والتناثرات، يمكن أن تؤثر التناثرات المقذوفة بشكل كبير على جودة طباعة طبقات المسحوق اللاحقة. بالإضافة إلى ذلك، يؤثر تشكل الثقوب في حوض الانصهار بشكل كبير على جودة الأجزاء المطبوعة. وتنتج المسامات الداخلية للقطعة المطبوعة بشكل رئيسي عن عدم استقرار ثقوب التثبيت.

آلية تشكل العيوب في تكنولوجيا تشكيل الحزم

تُتيح تقنية تشكيل الشعاع تحسين الأداء في أبعاد متعددة في آنٍ واحد، وهو ما يختلف عن الحزم الغاوسية التي تُحسّن الأداء في بُعد واحد على حساب الأبعاد الأخرى. تُمكن تقنية تشكيل الشعاع من ضبط توزيع درجة الحرارة وخصائص تدفق حوض الانصهار بدقة. ومن خلال التحكم في توزيع طاقة الليزر، نحصل على حوض انصهار مستقر نسبيًا ذي تدرج حراري منخفض. يُسهم التوزيع الأمثل لطاقة الليزر في الحد من المسامية وعيوب التذرية، وتحسين جودة الطباعة الليزرية على الأجزاء المعدنية. كما يُمكن تحقيق تحسينات متنوعة في كفاءة الإنتاج واستخدام المسحوق. في الوقت نفسه، تُوفر لنا تقنية تشكيل الشعاع استراتيجيات معالجة أكثر تنوعًا، مما يُتيح حرية أكبر في تصميم العمليات، وهو ما يُعد تقدمًا ثوريًا في تقنية التصنيع الإضافي بالليزر.