ساخت افزودنی چه مزایایی در توسعه مواد ایجاد می‌کند؟

پیشرفت‌های اخیر در فناوری و علوم مواد فرصت‌های تازه‌ای را به وجود آورده‌اند؛ ساخت افزودنی روز به روز محبوب‌تر می‌شود. نمونه‌ای از این مسئله شرکت انیگما-دِد ( https://www.enigma-ded.com/), پیشگام در فناوری ساخت افزودنی پیشرفته است. این شرکت از روش‌های دِد (روش رسوب‌گذاری انرژی هدایت‌شده) استفاده می‌کند و گسترش این روش را در صنعت ساخت افزودنی تقویت می‌نماید. انقلابی که استفاده از چاپگرهای سه‌بعدی در صنعت علوم مواد ایجاد کرده، به اصلاح سطحی خواص مکانیکی مواد کمک می‌کند و به دانشمندان اجازه می‌دهد تا ویژگی‌ها، ترکیب و کاربردهای متعددی از مواد را تغییر دهند. فناوری‌های مورد استفاده در ساخت افزودنی برای اصلاح و توسعه مواد جدید با سرعت زیادی در حال رشد هستند. مواد جدید پتانسیل بی‌پایانی برای کاربردهای متنوع در صنایع مختلف دارند.

فرصت‌های بی‌سابقه برای اصلاح مواد.

ساخت افزایشی شهرتی مستحق دارد به‌عنوان یکی از نوآورانه‌ترین و پیشرفته‌ترین فناوری‌ها، عمدتاً به‌دلیل قابلیت و پتانسیل استثنایی‌اش در انقلاب‌بار کردن فرآیند ایجاد مواد جدید. حوزه‌ی علم مواد سال‌هاست که در ایجاد، پژوهش و اصلاح مواد جدید با محدودیت روبه‌رو بوده است؛ محدودیتی که ناشی از فقدان روشی برای استفاده از آن‌ها بوده است. سال‌هاست که ساخت سنتی از رویکردی همگن برای مواد استفاده می‌کرده است. این رویکرد ترکیب مواد در ساخت سنتی را دشوار ساخته است. استراتژی‌های به‌کاررفته در رویکرد جدید در علم مواد سنتی، این حوزه را دگرگون کرده و فرصت‌های تازه‌ای در آن ایجاد کرده است.

امروزه بهبودها و تغییرات در ساخت افزایشی همچنان ادامه دارد. یکی از مزایای مهم ساخت افزایشی، روشی است که برای مدیریت آرایش‌های پیچیده و متراکم فلزات مختلف و ساده‌سازی جریان کار تولید به کار می‌رود. علاوه بر این، ترکیب فلزات دروازه‌ای را به سوی طراحی مواد مهندسی نوآورانه باز می‌کند.

برای مثال، انیگما-دِد را در زمینهٔ ساخت افزایشی در نظر بگیرید؛ این فناوری قادر است سیستم‌های جدید مواد مهندسی به نام «مواد با گرادیان عملکردی» تولید کند که به‌صورت یکپارچه عرضه می‌شوند. با این روش می‌توان ویژگی‌های سازه‌ای و عملکردی مهمی مانند سختی، مقاومت در برابر حرارت و هدایت حرارتی و/یا الکتریکی را در قالب گرادیان‌های متنوعی به دست آورد. برای نمونه، قطعه‌ای می‌تواند هسته‌ای سرامیکی مقاوم در برابر حرارت داشته باشد که با پوششی انعطاف‌پذیر از جنس فلز احاطه شده است. این رویکرد طراحی شخصی‌سازی‌شده، اهداف مهندسی بسیار سخت‌گیرانه و تخصصی — مانند آنچه در صنایع هوافضا و دستگاه‌های پزشکی دیده می‌شود — را برآورده می‌کند؛ به‌ویژه در زمینهٔ فلزات سبک، مقاوم و زیست‌سازگار. ساخت افزایشی به ما اجازه می‌دهد از محدودیت‌های فرآیندها و مواد سنتی ساخت فراتر رفته و آزاد شویم.

طراحی و فرآیندهای تکراری که در توسعهٔ یک مادهٔ مهندسی جدید اعمال می‌شوند، اغلب پیچیده و سخت‌گیرانه هستند. معمولاً این فرآیندها شامل چرخه‌های طولانی مهندسی محصول می‌شوند که پر از صرف‌زمان‌های غیرضروری و چرخه‌های کاری زمان‌بر هستند. ساخت افزایشی این صرف‌زمان‌ها و چرخه‌های کاری را با فرآیندهای نمونه‌سازی سریع و آزمون بر اساس تقاضا از بین می‌برد و امکان تبدیل جریان کار به حالتی بسیار پربازده را فراهم می‌کند.

در انیگما-دِد، ما از ساخت افزایشی برای آزمون عملکرد فلزات یا مواد سرامیکی جدید در عرض چند روز — نه هفته‌ها — استفاده می‌کنیم و این کار را در دسته‌های کوچک تولید انجام می‌دهیم. ما عملکرد این مواد را از نظر مقاومت مکانیکی، مقاومت در برابر خوردگی و پایداری حرارتی آزمون می‌کنیم. علاوه بر این، می‌توانیم ترکیبات اصلاح‌شدهٔ مواد را به‌سرعت شبیه‌سازی کرده و تولید کنیم.

این قابلیت تکرار سریع، به شناسایی زودهنگام نقص‌های طراحی و اعمال اصلاحات کارآمد کمک می‌کند. با استفاده از فناوری‌های پیشرفته چاپ سه‌بعدی مانند روش DED شرکت Enigma-DED، زمان لازم برای یک چرخه کامل توسعه ماده به‌طور چشمگیری کاهش می‌یابد. نمونه‌های اولیه دورریخته‌شده منجر به اتلاف مواد اولیه می‌شوند، اما این اتلاف از طریق چاپ سه‌بعدی به حداقل می‌رسد و همچنین هزینه کلی چرخه توسعه ماده را کاهش می‌دهد.

ساخت افزودنی عملکرد مواد را از طریق کنترل ساختار داخلی آن‌ها ارتقا می‌دهد

عملکرد یک ماده نتیجه‌ای از ترکیب عوامل مختلفی است: ویژگی‌های آن، ساختارش و معماری آن ساختار در مقیاس‌های ریز و شبکه‌ای. با آگاهی از این موضوع، در انیگما-دِد ما از چاپ سه‌بعدی برای طراحی و ساخت سیستم‌های چاپ سه‌بعدی فلزی استفاده می‌کنیم که کاربر نهایی می‌تواند آن‌ها را کنترل کند و در نتیجه موادی را تولید کند. با این کنترل، ما می‌توانیم ریزساختارهای پیچیده و پیشرفته‌ای ایجاد کنیم که دانه‌های متصل‌شده‌ای دارند و استحکام را نسبت به فلزاتی که با روش‌های سنتی‌تر تولید شده‌اند، ۳۰ درصد افزایش می‌دهند.

یکی از مزایای اصلی ساخت افزودنی، کنترل متخلخل‌بودن ساختارهای فلزی است. به‌عنوان مثال، ساخت افزودنی می‌تواند فلزات محکم و سبکی تولید کند که دارای منافذ ریز و یکنواخت هستند؛ ویژگی‌ای که در بخش‌های خودرو‌سازی و هوافضا مطلوب است. با این حال، ساختارهای فلزی را می‌توان به‌گونه‌ای طراحی کرد که کاملاً جامد باشند که این امر برای ایمپلنت‌های پزشکی و قطعات هوافضایی که نیاز به آب‌بندی کامل دارند، مفید است. این کنترل بر متخلخل‌بودن، عملکرد و کاربردپذیری ماده را بهبود می‌بخشد. ساختارهای سبک، محکم و مقاومی که برای مشتریان انیگما-دِد ساخته شده‌اند، این مزایا را نشان می‌دهند.

با استفاده از انیگما-دِد، زباله‌های پلاستیکی بیشتری جلوگیری می‌شود.

انیگما-دِد از ساخت افزودنی کاهنده‌ی زباله استفاده می‌کند. در ساخت سنتی، در هر مرحله از فرآیند ماده هدر می‌رود. هدررفت مواد در انیگما-دِد، هزینه‌ها را افزایش می‌دهد.

برخلاف سایر انواع آزمون‌های مواد، آزمون‌های انجام‌شده توسط انیگما-دِد درصد ضایعاتی کمتر از ۵ درصد دارند. روش‌های دیگر آزمون، درصد ضایعاتی برابر با ۵۰ درصد یا بیشتر دارند. روش‌های قدیمی مقدار زیادی از مواد را هدر می‌دهند، به‌ویژه عناصر گران‌قیمتی مانند آلیاژهای تیتانیوم و سرامیک‌های پیشرفته. روش انیگما-دِد با دور ریختن قطعات آزمون پس از انجام آزمون، هزینه‌ها و سایر منابع را صرفه‌جویی می‌کند.

علاوه بر این، انتقال از ساخت نمونه‌های اولیه فلزات یا سرامیک‌های جدید به تولید انبوه با ساخت افزودنی روان‌تر و بدون وقفه‌تر است. مصرف مواد در این روش یکنواخت و ثابت است و نیازی به تخمین اضافی نیازهای مادی برای جبران ناکارآمدی‌ها نیست. برای مثال، هنگامی که آلیاژهای جدید تیتانیوم برای اجزای هوافضا تولید می‌شوند، هیچ فرآیند ساخت افزودنی برای برش یا تنظیم مواد لازم نیست. این امر به حفظ و توسعه مواد جدید کمک می‌کند و هزینهٔ کلی پژوهشگران را کاهش می‌دهد.

در طول سال‌ها، دامنهٔ کاربردهای تخصصی مواد گسترش یافته است

آلیاژهای فوق‌پیشرفته، فلزات و سرامیک‌های شکننده مواد پیشرفته‌اند. برای مدت طولانی، کاربردهای تخصصی با این مواد پیشرفته نیازمند پردازش به روش سنتی بودند. ساخت افزودنی اکنون روش پردازش این مواد پیشرفته را دگرگون کرده است.

سیستم انیگما-دِد با استفاده از ساخت افزودنی با سرامیک‌های شکننده—موادی که معمولاً در فرآیندهای کار عادی ترک می‌خورند—برخورد می‌کند. از طریق کنترل بهینه دما، چاپ لایه‌به‌لایه و مکانیزم‌های جلوگیری از ترک، ساخت افزودنی این مشکل را حل می‌کند و اکنون می‌توان از سرامیک‌های شکننده استفاده کرد.

علاوه‌براین، ساخت افزودنی همچنین امکان طراحی و تولید فلزات مقاوم در برابر تابش برای segu صنعت هسته‌ای و آلیاژهای فوق‌العاده مقاوم در برابر گرما را برای هوافضا فراهم می‌کند. در صنعت هسته‌ای، انتظار می‌رود فلزات مورد استفاده در مواجهه با تابش شدید، مدت‌زمان طولانی زنده بمانند؛ و آلیاژهای فوق‌العاده مورد استفاده در هوافضا باید در عملیات دمای بالا، یکپارچگی ساختاری خود را حفظ کنند و در شرایط آب‌وهوایی بسیار سخت نیز مقاومت کنند. ساخت افزودنی طیف گسترده‌ای از مشکلات را در تولید مواد تخصصی حل می‌کند و چالش‌هایی را که در زمینه‌های مختلفی مانند هوافضا و تولید ابزارهای پزشکی وجود داشته‌اند، برطرف می‌سازد.