جدول المحتويات
التحليل الحراري للسيراميك المطبوع ثلاثي الأبعاد
السيراميك يستخدم في العديد من مجالات الصناعة. وكقاعدة عامة، يتم تشكيل السيراميك أولاً كجسم أخضر من المواد الخام قبل أن تتم معالجة هذا “الجسم الأخضر” وحرقه بطريقة خاصة (تعرف باسم التلبيد) لتقويته وإعطائه شكله النهائي.
واعتمادًا على الصناعة، يمكن أن يكون ذلك أواني فخارية بسيطة أو أدوات زخرفية أو أدوات صحية، ولكن أيضًا سيراميك تقني مثل الأطراف الصناعية أو المكونات التقنية المختلفة. عادةً ما يتم حرق قطعة السيراميك في فرن بعد المعالجة الميكانيكية الأولية. يتم تعريضها لدرجات حرارة تتراوح بين 900 درجة مئوية و1400 درجة مئوية.
ويتم ذلك عن طريق التسخين في فترة زمنية محددة عند درجة حرارة متزايدة باطراد، وكذلك على فترات متساوية الحرارة محددة بدقة من أجل التحكم في التفاعلات الكيميائية عند حرق السيراميك والتحكم في تفريغ بخار الماء وثاني أكسيد الكربون والمواد المضافة الأخرى. بعد عملية الحرق الأولى، غالباً ما يتم وضع طبقة زجاجية على السيراميك ثم يتم حرق قطعة العمل مرة أخرى لتصلب تماماً.
تستغرق العملية بأكملها عدة ساعات وبالتالي تستغرق وقتاً طويلاً. وبالإضافة إلى ذلك، لا يمكن ضمان خروج قطعة العمل من الفرن سليمة بعد الحرق؛ فقد تحدث أخطاء مختلفة (نقص المواد، عملية الحرق غير الصحيحة، وما إلى ذلك)، مما قد يؤدي إلى كسر أو تشققات في السيراميك.
الحل الأكثر حداثة وبساطة لحرق مجموعة متنوعة من مكونات السيراميك هو التصنيع الإضافي. في حالة السيراميك، غالباً ما يشار إلى ذلك بالطباعة ثلاثية الأبعاد. وهي عملية تصنيع يتم فيها تطبيق المواد طبقة تلو الأخرى لإنشاء أجسام ثلاثية الأبعاد.
وعادةً ما تكون عملية التراكم عن طريق التصميم بمساعدة الكمبيوتر (CAD) ويتم استخدام مادة سائلة أو صلبة واحدة أو أكثر كمادة أولية وفقًا لأبعاد وأشكال محددة. أثناء التركيب عن طريق عملية الطباعة، تتم عمليات المعالجة أو الصهر الكيميائية تتم عمليات المعالجة أو الصهر الكيميائية غالبًا ما يتم التحكم فيها بواسطة درجة الحرارة أو الليزر. حتى أنه من الممكن استخدام ماسح ضوئي ثلاثي الأبعاد للنموذج.
إن ميزة هذه الطريقة على عمليات الحرق التقليدية واضحة: يسمح تطبيق السيراميك طبقة تلو الأخرى بإنتاج هياكل معقدة ومعقدة حيث يكون خطر الكسر أثناء عملية الحرق مرتفعًا بشكل خاص. كما أنها توفر قدرًا هائلاً من الوقت، حيث يمكن إنتاج قطعة العمل الملبدة أو المطبوعة ثلاثية الأبعاد بشكل أسرع بكثير نظرًا لأن عملية الحرق في الفرن ليست ضرورية.
بالمقارنة مع جميع عمليات إزالة المواد مثل القطع والخراطة والحفر، تتميز الطباعة ثلاثية الأبعاد بميزة التخلص من خطوة المعالجة الإضافية بعد القالب الرئيسي. في معظم الحالات، تكون العملية أيضًا أكثر كفاءة في استخدام الطاقة، خاصةً إذا كانت المادة تحتاج فقط إلى البناء مرة واحدة بالحجم والكتلة المطلوبين. ومن المفيد أيضًا أنه يمكن معالجة مواد مختلفة في آلة واحدة.
في الأصل، تم استخدام عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد لأول مرة في صناعة البوليمر حيث أن البلاستيك سهل الذوبان والتعامل معه ولا يتطلب التلبيد أو المعالجة. من خلال التسخين فوق نقطة التليين مباشرةً وتبريد الفتيل المطبوع بسرعة، يمكن إنشاء الهياكل في الوقت الفعلي. ومع ذلك، تطورت العملية بسرعة بحيث لا يمكن الآن طباعة البوليمرات المختلفة فحسب، بل يمكن الآن طباعة المعادن والسيراميك أيضًا، مما يجعل الطباعة ثلاثية الأبعاد خيارًا متعدد الاستخدامات للتصنيع.
يمكن تقسيم عمليات التصنيع المضافة إلى سبع فئات رئيسية وهي موصوفة الآن أيضًا بالتفصيل في العديد من المعايير (DIN EN ISO/ASTM 52900، ASTM F2792 سابقًا):
- إخراج الموثق
- مخرجات المواد
- انصهار سرير المسحوق
- بثق المواد
- البلمرة الضوئية في الحوض
- ترسيب الطاقة المستهدفة
- تصفيح الصفائح
الفرق الرئيسي بينهما هو الطريقة التي يتم بها تطبيق الطبقات لإنتاج الأجزاء والمواد المستخدمة. العوامل الأكثر أهمية في اختيار الآلة وعملية الطباعة ثلاثية الأبعاد هي السرعة (حسب حجم الجسم) والتكلفة (للمواد والآلة). المواد بشكل عام: المعدن والسيراميك والبلاستيك.
لا يزال المجال الرئيسي لتطبيق تكنولوجيا التصنيع المضاف هو البحث، وقبل كل شيء، تطوير المنتجات وبناء النماذج الأولية في الصناعة. وهي مناسبة بشكل مثالي لإنتاج النماذج أو النماذج الأولية أو الأدوات أو المنتجات المحددة، حيث لا يلزم وجود أدوات خاصة ويمكن تحقيق التحويل من الرسم إلى النموذج بسرعة كبيرة.
تشمل مجالات التطبيق الأخرى التكنولوجيا الطبية على وجه الخصوص، حيث يجب في كثير من الأحيان صنع الأطراف الاصطناعية والزرعات المصممة خصيصًا (خاصة في طب الأسنان) على المقاس. ومع ذلك، فإن مجالات التطبيق الأكثر غرابة مثل النحت والفن تستخدم أيضاً التصنيع الإضافي لإنتاج المنحوتات. ويمكن الآن أيضاً استخدام الطابعات ثلاثية الأبعاد لأغراض خاصة، حيث أن العمليات والطابعات جاهزة الآن للإنتاج المتسلسل ومتاحة للجمهور بتكلفة منخفضة نسبياً. وفي المنازل، يمكن إنتاج المنتجات البلاستيكية مثل الألعاب أو قطع الغيار أو الحوامل الصغيرة بسهولة ودون معرفة مسبقة.
تُستخدم طرق الطباعة ثلاثية الأبعاد التالية للسيراميك:
- عمليات دمج قاع المسحوق، مثل التلبيد الانتقائي بالليزر (SLS).
- يمكن استخدام هذه العملية بشكل عام لطباعة البوليمرات أو مساحيق السيراميك أو المعادن. يتم صهر مسحوق المادة باستخدام ليزر عالي الطاقة لإنتاج مواد كثيفة تمامًا طبقة تلو الأخرى. يتم ترسيب طبقة رقيقة من المسحوق على صينية باستخدام فوهة. ثم يبدأ الليزر بعد ذلك في تلبيد المسحوق محليًا، مما يؤدي إلى تكوين الطبقة الأولى. وهناك نوع مختلف من هذا هو الطباعة ثلاثية الأبعاد بنفث الحبر. وهنا، تتم طباعة مادة رابطة على طبقة من المسحوق (الجص أو الراتنج) في المقطع العرضي للجزء باستخدام عملية مشابهة للطباعة بنفث الحبر. إحدى مزايا تقنيات دمج طبقة المسحوق هي أن المسحوق الزائد يعمل كحامل للجسم المطبوع.
- في نمذجة الترسيب المنصهر (FDM) أو تصنيع الخيوط المنصهرة (FFF)، تتم معالجة جزيئات صغيرة من السيراميك المطلوب.
- ولكي يعمل هذا، يتم استخدام مادة رابطة معينة في الفتيل، وعادةً ما تكون بلاستيك خاص يحمل مسحوق السيراميك معًا.
- ثم يتم تسخين الفتيل إلى درجة أنه يسيل ويمكن طباعته، تمامًا مثل الفتيل البلاستيكي التقليدي. يبلغ قطر حبيبات السيراميك هنا حوالي 1-2 ميكرومتر.
- ونتيجة لذلك، تخرج مباشرةً من الفوهة عند الطباعة بالبلاستيك ويمكن طباعة الطبقات المطلوبة مباشرةً.
- فقط البلاستيك الذي يحمل المسحوق وينقله معًا يذوب أثناء هذه العملية وبالتالي يعمل كعامل ربط.
- في النهاية، يتم إنشاء قالب مطبوع، ولكنه لا يزال يتكون أساسًا من مسحوق السيراميك وليس جسمًا خزفيًا صلبًا.
- هذا ليس المنتج النهائي بعد، ولكنه منتج أخضر لا يزال بحاجة إلى إعادة صياغة.
- وأخيراً، تتم إزالة جزء من البلاستيك باستخدام عملية خاصة. يلي ذلك عملية التلبيد، حيث يتم تعريض قطعة العمل لدرجات حرارة عالية ومواد كيميائية في فرن خاص.
- ترتبط الأجزاء الخزفية معًا ويتم إزالة البلاستيك تمامًا. وهذا يعني أن عملية FDM تشبه إلى حد كبير في النهاية عملية الحرق الأصلية للسيراميك، حيث يتم توفير خطوة حرق واحدة فقط، ولكن لا يزال يتعين تنفيذ الخطوة الثانية.
تعتمد الظروف المناسبة للمادة التي سيتم استخدامها في طابعة ثلاثية الأبعاد على سلوك درجة الحرارة، مثل درجة حرارة الانصهار وكيفية تمدد المادة تحت درجة الحرارة أو ما هي الموصلية الحرارية. لذلك من المنطقي إجراء اختبار مكثف للخصائص الحرارية للمواد المستخدمة في الطباعة ثلاثية الأبعاد. الأجهزة التالية ذات صلة بهذه الاختبارات:
- باستخدام قياس التمدد الحراري (DIL) يمكن استخدامه للتحقق على نطاق واسع من التمدد الخطي الحراري وسلوك التلبيد للمواد الصلبة والمساحيق. وهذا يعني أن قياس التمدد هو الآن إجراء قياسي في إنتاج السيراميك.
- بالإضافة إلى ذلك، تُعد الطرق المختلفة لتحليل التوصيل الحراري مفيدة لمحاكاة توزيع درجة الحرارة والتوصيل في قطعة العمل والتحكم فيها. الطرق الأكثر شيوعًا هنا هي تقنيات الوميض مثل
طريقة الوميض بالليزر (LFA)
التي يمكن من خلالها قياس درجة الحرارة والتوصيل الحراري للمواد الصلبة أو المساحيق باستخدام وميض ضوئي عالي الطاقة. وهناك أيضًا طرق الأسلاك الساخنة مثل
الجسر الساخن العابر (THB)
بمجرد تصنيع المكون، من المهم تحديد متطلبات المكون من حيث الخواص الحرارية والميكانيكية وتطويرها بتصميم مصمم خصيصًا للعملية. ينطبق هذا عادةً بغض النظر عن عملية التصنيع المستخدمة لإنتاج المكون. ومع ذلك، في حالة المكونات المصنعة بشكل إضافي، من الضروري بشكل خاص التحقق من الخواص الميكانيكية، حيث قد تختلف هذه الخواص عن تلك الخاصة بالجسم المصبوب أو المحروق بسبب بنية الطبقة. في حالة السيراميك على وجه الخصوص، تتقلص قطعة العمل بشكل كبير بعد التلبيد أو تطبيق المواد المضافة وقد تكون هناك مصادر مختلفة للعيوب التي تؤدي إلى فشل المواد. هنا أيضًا، يتم استخدام مقياس التمدد بشكل عام، وفي بعض الحالات حتى التحليل الميكانيكي الحراري (TMA)، وهو قادر على تسجيل الخصائص الميكانيكية للمواد بدقة من خلال اختبارات الانحناء والشد والضغط.
