قام العلماء ببناء نموذج للطباعة المعدنية ثلاثية الأبعاد باستخدام الليزر

الذوبان الانتقائي بالليزر عبارة عن تقنية يتحرك فيها شعاع الليزر عبر طبقة من مسحوق المعدن، ويحرق الجزء الموجود فيها طبقة بعد طبقة. لقد أحدثت هذه الطريقة ثورة في الهندسة الميكانيكية: فهي تسمح بإنتاج مكونات ذات أشكال هندسية معقدة لا يمكن إنتاجها عن طريق الصب أو الطحن التقليدي. تكتسب التكنولوجيا حصة متزايدة من السوق الصناعية. في حين كان يُنظر إلى ذوبان الليزر الانتقائي قبل عشر سنوات في المقام الأول على أنه أداة للنماذج الأولية، فإنه يُستخدم اليوم بنشاط لإنتاج الأجزاء التسلسلية المهمة في قطاعات الطيران والسيارات والطب والدفاع. إن القدرة على طباعة منتج مباشرة من نموذج CAD، وتجاوز مراحل تصنيع الأدوات والقوالب، تجعل التكنولوجيا جذابة اقتصاديًا حتى بالنسبة للدفعات الصغيرة من الأجزاء. ومع ذلك، فإن هذه التقنية لها نقطة ضعف: فالأجزاء المطبوعة باستخدام الصهر الانتقائي بالليزر غالبًا ما تظهر قوة إجهاد منخفضة بشكل غير متوقع – القدرة على تحمل الأحمال المتكررة ذات السعة المنخفضة. وهذا أمر خطير بشكل خاص بالنسبة للأجزاء التي تعمل تحت الاهتزاز أو الأحمال الدورية. والسبب هو البنية المجهرية للمادة، والتي تتشكل أثناء تركيب طبقة تلو الأخرى وتعتمد بشكل حاسم على أوضاع تشعيع الليزر. حددت مجموعة من الباحثين الروس لأنفسهم مهمة إنشاء أداة رياضية تسمح لهم بالتنبؤ، قبل الطباعة، بالبنية المجهرية التي ستتشكل في المادة وكيف ستؤثر على متانة المنتج. اعتمد المؤلفون على خلفيتهم الخاصة في مجال النمذجة العددية: فقد سبق لهم أن طوروا نماذج لفشل التعب، ومخططات رقمية لمشكلات المرونة. الآن يجب دمج هذه التطورات في أداة فيما يتعلق بمشكلة ذوبان مسحوق الليزر. ونشرت النتائج في مجلة النماذج الرياضية والمحاكاة الحاسوبية. مخطط عملية ذوبان الليزر الانتقائية. يقوم شعاع الليزر بمسح سطح طبقة من المسحوق المعدني، ويقوم بإذابتها في مناطق مبرمجة. يبقى المسار المتصلب خلف العارضة. يشكل الترسيب المتسلسل لهذه الطبقات منتجًا ثلاثي الأبعاد / © Chaolin Tan et al، Science and Technology of Advanced Materials يعتمد النهج الجديد على معادلة حرارية غير خطية ثلاثية الأبعاد غير ثابتة مكتوبة في تركيبة المحتوى الحراري. يعد هذا خيارًا تقنيًا رئيسيًا: يتجنب نهج المحتوى الحراري تتبع حدود الطور بشكل صريح – الإحداثيات الدقيقة حيث يتحول المسحوق إلى سائل منصهر، ويتحول المنصهر إلى معدن صلب. وبدلاً من ذلك، يتم أخذ التحولات الطورية في الاعتبار من خلال الاعتماد غير الخطي لدرجة الحرارة والتوصيل الحراري على المحتوى الحراري للمادة. تعمل هذه التقنية على تبسيط العمليات الحسابية بشكل كبير دون التضحية بالدقة المادية. من المهم أن النموذج لا يشمل فقط التحول القياسي للمادة الصلبة إلى سائل، ولكن أيضًا انتقال السائل إلى بخار تحت تأثير شعاع ليزر قوي بما فيه الكفاية، وهذا يوسع نطاق تطبيقه على أوضاع المعالجة المكثفة. لحل هذه المعادلة عدديًا، استخدم المؤلفون مخطط الفرق الضمني في تطبيق أصلي خالٍ من المصفوفات. “بدون مصفوفة” يعني أنه تم استبدال عمليات المصفوفة بسلسلة من العمليات الحسابية الأبسط دون تكوين مصفوفات ضخمة وتخزينها بشكل صريح. ونتيجة لذلك، تم تقليل مقدار ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) المطلوبة ووقت الحساب بشكل كبير. يصف النموذج الرياضي حركة شعاع الليزر على طول طبقة من المسحوق، وتشكيل بركة منصهرة، وتصلبها وتشكيل ما يسمى بالمسارات – شرائح من المعدن الصلب التي خلفها الشعاع. يتكون الجزء الحقيقي من مئات وآلاف من هذه المسارات المتداخلة، وهندسة تداخلها هي التي تحدد وجود العيوب وطبيعتها. قدم المؤلفون مفهوم الخطوة الحاسمة لشعاع الليزر h* – وهي قيمة المسافة بين المسارات المتجاورة التي تكون نقطة تقاطعها عند حدود الركيزة وطبقة المسحوق بالضبط. مخطط عملية DES يوضح المعلمات الرئيسية: طاقة الليزر وسرعة المسح ودرجة الشعاع. يحدد الاختيار الصحيح لهذه المعلمات هندسة تداخل المسار، ونتيجة لذلك، البنية المجهرية للمادة / © Materialgeeza، Wikipedia عند خطوة أكبر من h*، تنشأ عيوب منصهرة، وفي خطوة أقل، تحدث إعادة الصهر. درس المؤلفون كلا النوعين من الهياكل غير المرغوب فيها والعواقب المرتبطة بها على الخواص الميكانيكية للمنتج النهائي. يحتل مكانًا خاصًا في العمل تحليل تأثير العيوب على خصائص التعب. وللقيام بذلك، استخدم المؤلفون نموذجهم متعدد الأوضاع الذي تم تطويره مسبقًا لفشل الكلال، والذي يأخذ في الاعتبار الطبيعة غير المحلية لتراكم الضرر الدوري. كانت نتائج الحساب متفقة بشكل جيد مع البيانات التجريبية حول فشل الكلال لسبائك الألومنيوم AlSi10Mg. وكانت النتيجة الأكثر دراماتيكية هي التقييم الكمي لتأثير العيوب على متانة المادة. انخفض العدد المحسوب للدورات قبل الفشل من 4.36 × 10 ⁹ لعينة مثالية خالية من العيوب إلى 2.11 × 10 ⁸ في وجود نظام من الشوائب المنصهرة – وهو انخفاض بأكثر من مرتبة من حيث الحجم. تبين أن إعادة الصهر أقل خطورة بكثير: في أسوأ الحالات، انخفضت المتانة بمقدار 2-2.5 مرة فقط. هذه النتيجة غير المتماثلة لها معنى عملي مباشر: عند الاختيار بين إعادة الصهر الصغيرة وخطر الذوبان المنخفض، فمن الأفضل أن نخطئ في جانب طاقة الليزر الزائدة. سيكون رسم مثل هذه الحدود بدون نموذج رقمي أمرًا صعبًا للغاية. معدات ذوبان الليزر الانتقائي. داخل غرفة العمل الخاصة بالتركيب، يقوم شعاع الليزر بمسح سطح طبقة المسحوق. إن الاختيار الصحيح لأنماط المعالجة التي تنبأ بها النموذج العددي المطور يجعل من الممكن ضمان تكوين بنية مجهرية متجانسة وخالية من العيوب / © تصميم ونمذجة الأنظمة الميكانيكية – علق فاسيلي جولوبيف، أستاذ قسم علوم الكمبيوتر والرياضيات الحاسوبية في MIPT: “إن النهج التقليدي لتحديد معلمات SLM هو طريقة التجربة والخطأ مقترنة باختبارات باهظة الثمن. لقد تمكنا من إنشاء أداة حسابية تسمح لنا بالتنبؤ بالدرجة الحرجة لشعاع الليزر لمزيج معين من قوة الليزر وسرعة الليزر دون إجراء تجارب فيزيائية، يؤدي هذا إلى تغيير جذري في منطق تصميم العملية التكنولوجية: يتلقى المهندس خريطة للأنماط المسموح بها ويرى على الفور في أي منطقة سيعمل، وأي الأوضاع ستؤدي بوضوح إلى انخفاض في متانة المنتج. والخطوة التالية هي توسيع هذا النهج ليشمل أنظمة متعددة الطبقات ومراعاة تأثير الضغوط المتبقية المتولدة في العملية.