التلبيد الانتقائي بالليزر

📅 آخر تحديث: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 4 صور
الموسوعة الحرة
آلة SLS قيد الاستخدام في مركز الأبحاث ريناتو آرتشر في البرازيل .
أول دراجة هوائية مصنوعة من النايلون المتلبد قابلة للتشغيل في العالم، معروضة في معرض "قوة الصنع" في متحف فيكتوريا وألبرت ، لندن (2011).

التلبيد الانتقائي بالليزر ( SLS ) هو تقنية تصنيع إضافي (AM) تستخدم الليزر كمصدر للطاقة والحرارة لتلبيد المواد المسحوقة (عادةً النايلون أو البولي أميد )، حيث يُوجّه الليزر تلقائيًا إلى نقاط في الفضاء مُحددة بواسطة نموذج ثلاثي الأبعاد ، لربط المادة معًا لتكوين بنية صلبة. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] وهي تُشبه الصهر الانتقائي بالليزر ؛ فكلاهما تطبيقان لنفس المفهوم، لكنهما يختلفان في التفاصيل التقنية. يُعدّ التلبيد الانتقائي بالليزر (وكذلك تقنيات التصنيع الإضافي الأخرى المذكورة) تقنية حديثة نسبيًا، وقد استُخدمت حتى الآن بشكل أساسي في النماذج الأولية السريعة وإنتاج أجزاء المكونات بكميات صغيرة . وتتوسع أدوار الإنتاج مع تحسّن تسويق تقنية التصنيع الإضافي.

تاريخ

طُوِّرت تقنية التلبيد الانتقائي بالليزر (SLS) وحصل على براءة اختراعها من قِبَل الدكتور كارل ديكارد والمستشار الأكاديمي الدكتور جو بيمان في جامعة تكساس في أوستن في منتصف ثمانينيات القرن الماضي، برعاية وكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة (DARPA) . [ 4 ] شارك ديكارد وبيمان في تأسيس شركة Desk Top Manufacturing (DTM) Corp، التي أُنشئت لتصميم وبناء آلات SLS. في عام 2001، استحوذت شركة 3D Systems، المنافس الأكبر لشركة DTM Corp وتقنية SLS، على شركة DTM Corp. [ 5 ] صدرت أحدث براءة اختراع لتقنية SLS الخاصة بديكارد في 28 يناير 1997 وانتهت صلاحيتها في 28 يناير 2014. [ 6 ]

تم تسجيل براءة اختراع لعملية مماثلة دون تسويقها تجارياً بواسطة آر إف هاوسهولدر في عام 1979. [ 7 ]

نظراً لأن تقنية الطباعة الانتقائية بالليزر (SLS) تتطلب استخدام ليزرات عالية الطاقة، فإنها غالباً ما تكون باهظة الثمن، فضلاً عن كونها خطيرة للغاية، بحيث لا يمكن استخدامها في المنزل. ونظراً للتكلفة المرتفعة والمخاطر المحتملة للطباعة بتقنية SLS بسبب نقص أنظمة الليزر المتوفرة تجارياً والمزودة بأغطية أمان من الفئة الأولى، فإن سوق الطباعة المنزلية بتقنية SLS ليس بحجم سوق تقنيات التصنيع الإضافي الأخرى، مثل تقنية الترسيب المنصهر (FDM).

تكنولوجيا

تعتمد تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد SLS، وهي تقنية تصنيع طبقات إضافية، على استخدام ليزر عالي الطاقة (مثل ليزر ثاني أكسيد الكربون ) لدمج جزيئات صغيرة من مساحيق البلاستيك أو المعدن أو السيراميك أو الزجاج في كتلة ذات شكل ثلاثي الأبعاد مطلوب. يقوم الليزر بدمج المادة المسحوقة بشكل انتقائي عن طريق مسح مقاطع عرضية مُولّدة من وصف رقمي ثلاثي الأبعاد للجزء (مثل ملف CAD أو بيانات المسح) على سطح طبقة المسحوق. بعد مسح كل مقطع عرضي، يتم خفض طبقة المسحوق بمقدار سُمك طبقة واحدة، ثم تُضاف طبقة جديدة من المادة فوقها، وتُكرر العملية حتى يكتمل تصنيع الجزء. [ 8 ]

عملية التلبيد الانتقائي بالليزر 1 الليزر 2 نظام الماسح الضوئي 3 نظام توصيل المسحوق 4 مكبس توصيل المسحوق 5 الأسطوانة 6 مكبس التصنيع 7 طبقة مسحوق التصنيع 8 الجسم المراد تصنيعه (انظر الإطار الداخلي) أ اتجاه مسح الليزر ب جزيئات المسحوق المتلبد (اللون البني) ج شعاع الليزر د التلبيد بالليزر هـ طبقة المسحوق الموضوعة مسبقًا (اللون الأخضر) و المادة غير المتلبدة في الطبقات السابقة

نظرًا لأن كثافة القطعة النهائية تعتمد على ذروة قدرة الليزر، وليس على مدة تشغيله، فإن آلة التلبيد الانتقائي بالليزر (SLS) تستخدم عادةً ليزرًا نبضيًا . تقوم آلة التلبيد الانتقائي بالليزر بتسخين مسحوق المادة في طبقة المسحوق مسبقًا إلى درجة حرارة أقل بقليل من نقطة انصهاره، لتسهيل رفع درجة حرارة المناطق المختارة بواسطة الليزر حتى تصل إلى نقطة الانصهار. [ 9 ]

على عكس تقنيتي الطباعة المجسمة الضوئية (SLA) والطباعة بالترسيب المنصهر (FDM)، اللتين تتطلبان في أغلب الأحيان هياكل دعم خاصة لتصنيع التصاميم المتدلية، لا تحتاج تقنية الطباعة الانتقائية بالليزر (SLS) إلى مواد إضافية أو اعتبارات خاصة لهياكل الدعم، لأن الجزء المراد تصنيعه يكون محاطًا بمسحوق غير متلبد طوال الوقت. وهذا يسمح بتصنيع أشكال هندسية كانت مستحيلة سابقًا. ولأن حجرة الجهاز مملوءة دائمًا بمادة المسحوق، يمكن استخدام خاصية " التداخل " لتوفير الوقت والتكلفة من خلال طباعة أجزاء متعددة في وقت واحد. في حين أن مطبوعات SLA وFDM يمكن أن تحتوي على أجزاء مجوفة ولكنها مغلقة تمامًا، فإن SLS تتطلب وجود فتحة في الأجزاء المجوفة لتصريف المسحوق غير المتلبد الموجود بداخلها.

أصبحت طابعات SLS المنزلية بأسعار معقولة ممكنة مع بدء انتهاء صلاحية براءات الاختراع ذات الصلة، ولكن عملية التسخين لا تزال تتطلب متطلبات صارمة، حيث يصل استهلاك الطاقة إلى 5  كيلو وات ويجب التحكم في درجات الحرارة في حدود 2  درجة مئوية للمراحل الثلاث للتسخين المسبق والذوبان والتخزين قبل الإزالة.أُرشف بتاريخ 28 أبريل 2015 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine) .

مواد

تعتمد جودة الهياكل المطبوعة على عوامل متعددة، منها خصائص المسحوق مثل حجم الجسيمات وشكلها وكثافتها وخشونتها ومساميتها. [ 10 ] علاوة على ذلك، يؤثر توزيع الجسيمات وخصائصها الحرارية تأثيراً كبيراً على انسيابية المسحوق. [ 11 ]

تتوفر المواد المستخدمة في تقنية التلبيد الانتقائي بالليزر (SLS) تجاريًا على شكل مسحوق، وتشمل، على سبيل المثال لا الحصر، بوليمرات مثل البولي أميدات (PA)، والبوليسترين (PS)، واللدائن الحرارية المرنة (TPE)، وبولي أريل إيثر كيتونات (PAEK). [ 12 ] تُعد البولي أميدات أكثر مواد SLS شيوعًا نظرًا لسلوكها المثالي في التلبيد كمادة لدائن حرارية شبه بلورية ، مما ينتج عنه أجزاء ذات خصائص ميكانيكية مرغوبة. [ 13 ] يُعد البولي كربونات (PC) مادة ذات أهمية كبيرة في تقنية SLS نظرًا لصلابته العالية، وثباته الحراري، ومقاومته للهب؛ ومع ذلك، فإن هذه البوليمرات غير المتبلورة التي تُعالج بتقنية SLS تميل إلى إنتاج أجزاء ذات خصائص ميكانيكية و/أو دقة أبعاد منخفضة، وبالتالي تقتصر على التطبيقات التي لا تُعد فيها هذه الخصائص ذات أهمية كبيرة. [ 13 ] لا تُستخدم المواد المعدنية بشكل شائع في تقنية SLS منذ تطوير تقنية الصهر الانتقائي بالليزر .

إنتاج المساحيق

تُنتَج جزيئات المسحوق عادةً بالطحن المبرد في مطحنة كروية عند درجات حرارة أقل بكثير من درجة حرارة التحول الزجاجي للمادة، والتي يمكن الوصول إليها بتشغيل عملية الطحن مع إضافة مواد مبردة مثل الثلج الجاف (الطحن الجاف)، أو مخاليط من النيتروجين السائل والمذيبات العضوية (الطحن الرطب). [ 14 ] يمكن أن تُنتج هذه العملية جزيئات كروية أو غير منتظمة الشكل يصل قطرها إلى خمسة ميكرونات . [ 14 ] عادةً ما يكون توزيع حجم جزيئات المسحوق غاوسيًا ويتراوح قطره من 15 إلى 100 ميكرون، على الرغم من إمكانية تخصيص ذلك ليناسب سماكات الطبقات المختلفة في عملية التلبيد الانتقائي بالليزر (SLS). [ 15 ] يمكن تطبيق طبقات رابطة كيميائية على أسطح المسحوق بعد المعالجة؛ [ 16 ] تُساعد هذه الطبقات في عملية التلبيد، وهي مفيدة بشكل خاص لتشكيل أجزاء من مواد مركبة مثل جزيئات الألومينا المطلية براتنج الإيبوكسي المتصلد حراريًا . [ 15 ]

آليات التلبيد

رسم تخطيطي يوضح تكوين عنق في جزيئين من المسحوق المتلبد. الأشكال الأصلية موضحة باللون الأحمر.

يحدث التلبيد في تقنية التلبيد الانتقائي بالليزر (SLS) بشكل أساسي في الحالة السائلة عندما تُشكّل جزيئات المسحوق طبقةً دقيقةً من الذوبان على السطح، مما يؤدي إلى انخفاض اللزوجة وتكوّن جسر شعاعي مقعر بين الجزيئات، يُعرف باسم التخصر [ 16 ]، وذلك نتيجةً لاستجابة المادة لخفض طاقة سطحها. في حالة المساحيق المطلية، يهدف الليزر إلى صهر الطلاء السطحي الذي يعمل كمادة رابطة. يُعدّ التلبيد في الحالة الصلبة عاملاً مساهماً أيضاً، وإن كان تأثيره أقل بكثير، ويحدث عند درجات حرارة أقل من درجة انصهار المادة. وتتمثل القوة الدافعة الرئيسية وراء هذه العملية في استجابة المادة لخفض مستوى طاقتها الحرة، مما يؤدي إلى انتشار الجزيئات عبر الجزيئات.

التطبيقات

تُستخدم تقنية الطباعة الانتقائية بالليزر (SLS) على نطاق واسع في العديد من الصناعات حول العالم نظرًا لقدرتها على إنتاج أشكال هندسية معقدة بسهولة وبأقل جهد تصنيعي ممكن. ويُعدّ استخدامها الأكثر شيوعًا في تصنيع النماذج الأولية في المراحل المبكرة من دورة التصميم ، مثل قوالب الصب الاستثماري ، ومكونات السيارات، ونماذج أنفاق الرياح . كما يتزايد استخدام تقنية SLS في الإنتاج بكميات محدودة لإنتاج أجزاء للاستخدام النهائي في صناعات الطيران والفضاء، والصناعات العسكرية، [ 17 ] والطبية ، والصيدلانية ، [ 18 ] والإلكترونيات. وفي ورش العمل، يمكن استخدام تقنية SLS للتصنيع السريع للأدوات والتركيبات والتجهيزات . [ 19 ]

المزايا

  • تتميز طبقة المسحوق المتلبد بأنها ذاتية الدعم بالكامل، مما يسمح بما يلي:
    • زوايا انحدار عالية (من 0 إلى 45 درجة من المستوى الأفقي)
    • أشكال هندسية معقدة مضمنة بعمق في الأجزاء، مثل قنوات التبريد المطابقة
    • إنتاج دفعات من أجزاء متعددة مصنعة في مصفوفات ثلاثية الأبعاد، وهي عملية تسمى التداخل
  • تتميز الأجزاء بقوة وصلابة عاليتين.
  • مقاومة كيميائية جيدة
  • خيارات تشطيب متنوعة (مثل: التمعدن، والطلاء بالمينا، والطحن الاهتزازي، وتلوين الأحواض، والربط، والطلاء بالبودرة، والطلاء، والتلبيد).
  • متوافق حيويًا وفقًا للمعيار EN ISO 10993-1 [ 20 ] وUSP/المستوى السادس/121  درجة مئوية
  • يمكن بناء أجزاء معقدة ذات مكونات داخلية دون حبس المادة في الداخل وتغيير السطح نتيجة إزالة الدعامات.
  • أسرع عملية تصنيع إضافية لطباعة نماذج أولية وظيفية ومتينة أو أجزاء للمستخدم النهائي
  • مجموعة واسعة من المواد ذات خصائص القوة والمتانة والوظائف العملية
  • بفضل خصائصها الميكانيكية الموثوقة، يمكن للأجزاء في كثير من الأحيان أن تحل محل البلاستيك التقليدي المستخدم في قولبة الحقن.

العيوب

  • الأجزاء لها أسطح مسامية؛ ويمكن إغلاقها بعدة طرق معالجة لاحقة مختلفة مثل طلاءات السيانوأكريلات، [ 21 ] أو عن طريق الضغط المتساوي الساخن .

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ ليكوروال، سروشتي؛ كارانواد، توكارام؛ بانيرجي، سوبهام (2022-06-01). "التلبيد الانتقائي بالليزر (SLS) للمطبوعات ثلاثية الأبعاد باستخدام طابعة ثلاثية الأبعاد مزودة بليزر ثنائي IR/أحمر" . حوليات الطب المطبوع ثلاثي الأبعاد . 6 100054. doi : 10.1016/j.stlm.2022.100054 . ISSN 2666-9641 . S2CID 247040011 .  
  2. ↑ عوض، أثير؛ فينا، فابريزيو؛ غويانيس، ألفارو؛ غايسفورد، سيمون؛ باسط، عبد الوهاب. (2021-07-01). " تطورات في الطباعة ثلاثية الأبعاد بتقنية دمج مسحوق الطبقة في توصيل الأدوية والرعاية الصحية" . مراجعات توصيل الأدوية المتقدمة . 174 : 406-424 . doi : 10.1016/j.addr.2021.04.025 . ISSN 0169-409X . PMID 33951489. S2CID 233869672 .   
  3. ↑ شارو، نسيم أ.؛ باراخ علي، سوغرا ف.؛ محمد، إيمان م.؛ كوتولامادوم، ماثيو أ.؛ أوزكان، تانيل؛ خان، منصور أ.؛ رحمن، ضياءور (2020-06-02). "الطباعة ثلاثية الأبعاد بتقنية التلبيد الانتقائي بالليزر - نظرة عامة على التكنولوجيا والتطبيقات الصيدلانية". تطوير الأدوية والصيدلة الصناعية . 46 (6): 869-877 . doi : 10.1080/03639045.2020.1764027 . ISSN 0363-9045 . PMID 32364418. S2CID 218490148 .   
  4. ↑ ديكارد، سي، "طريقة وجهاز لإنتاج الأجزاء عن طريق التلبيد الانتقائي"، براءة اختراع أمريكية رقم 4,863,538 ، تم تقديمها في 17 أكتوبر 1986، ونُشرت في 5 سبتمبر 1989.
  5. ↑ لو، أليكس وغروسفينور، كارول " التلبيد الانتقائي بالليزر، ميلاد صناعة "، جامعة تكساس ، 7 ديسمبر 2012. تم الاطلاع عليه في 22 مارس 2013.
  6. ↑ US5597589
  7. ↑ هاوسهولدر، ر.، "عملية التشكيل"، براءة اختراع أمريكية رقم 4,247,508 ، تم تقديمها في 3 ديسمبر 1979، ونُشرت في 27 يناير 1981.
  8. ↑ "دليل التصميم: التلبيد الانتقائي بالليزر (SLS)" (ملف PDF) . Xometry .
  9. ↑ براساد كيه دي في يارلاجادا؛ إس. نارايانان (فبراير 2005). مؤتمر GCMM 2004: المؤتمر الدولي الأول للتصنيع والإدارة . ألفا ساينس إنترناشونال. ص 73–. ISBN  978-81-7319-677-5تم الاطلاع عليه بتاريخ 18 يونيو 2011 .
  10. ↑ ليتوريا، م.؛ بن علي، م.؛ لاغارد، س.؛ رونغا، إ.؛ صالح، ك. (2014-02-01). "توصيف خصائص تدفق المساحيق المتماسكة: دراسة مقارنة بين طرق الاختبار التقليدية والحديثة" . تكنولوجيا المساحيق . 253 : 406-423 . doi : 10.1016/j.powtec.2013.11.045 . ISSN 0032-5910 . 
  11. ↑ ليو، مينغ سي؛ باتنايك، شاشواتاشيش؛ هيلمس، غريغوري إي. (مارس 2012). "دراسة التلبيد بالليزر لتصنيع أجزاء ثنائية بوريد الزركونيوم ذات الأشكال الحرة". النماذج الأولية الافتراضية والمادية . 7 (1): 25-36 . doi : 10.1080/17452759.2012.666119 . ISSN 1745-2759 . S2CID 137566316 .  
  12. ↑ "مواد بلاستيكية عالية الجودة للتصنيع الإضافي" . www.eos.info . مؤرشف من الأصل بتاريخ 8 أبريل 2019. تم الاطلاع عليه بتاريخ 19 فبراير 2019 .
  13. 1 2 كلوس، ستيفاني؛ ديشيه، ماكسيميليان أ.؛ بيوكيرت، وولفغانغ؛ شميدت، يوشين (يوليو 2018). "إنتاج جزيئات دقيقة كروية شبه بلورية من البولي كربونات للتصنيع الإضافي عن طريق فصل الطور السائل-السائل" . تكنولوجيا المساحيق . 335 : 275-284 . doi : 10.1016/j.powtec.2018.05.005 . ISSN 0032-5910 . S2CID 103342613 .  
  14. 1 2 شميدت، يوشين؛ بلاتا، ميغيل؛ تروغر، سولاي؛ بيوكيرت، فولفغانغ (سبتمبر 2012). "إنتاج جزيئات بوليمرية أقل من 5 ميكرومتر بالطحن الرطب". تكنولوجيا المساحيق . 228 : 84-90 . doi : 10.1016/j.powtec.2012.04.064 . ISSN 0032-5910 . 
  15. 1 2 يانغ، تشيوبينغ؛ لي، هويتشي؛ تشاي، يوبو؛ لي، شياوفينغ؛ تشانغ، بيتشي (13 أغسطس 2018). "تخليق مركبات أكسيد الألومنيوم المغلفة براتنج الإيبوكسي للطباعة ثلاثية الأبعاد بتقنية التلبيد الانتقائي بالليزر". مجلة النماذج الأولية السريعة . 24 (6): 1059-1066 . doi : 10.1108/rpj-09-2017-0189 . ISSN 1355-2546 . S2CID 139324761 .  
  16. كروث ، جيه بي ؛ ميرسيليس، بي؛ فان فارينبيرغ، جيه؛ فروين، إل؛ رومباوتس، إم. (فبراير 2005). "آليات الربط في التلبيد الانتقائي بالليزر والصهر الانتقائي بالليزر" . مجلة النماذج الأولية السريعة . 11 (1): 26-36 . doi : 10.1108/13552540510573365 . ISSN 1355-2546 . S2CID 53130687 .  
  17. ↑ إسلام، محمد كمرول؛ هازيل، بول جيه؛ إسكوبيدو، خوان بي؛ وانغ، هونغشو (يوليو 2021). "استراتيجيات تصميم الدروع المحاكية للأنظمة الحيوية للتصنيع الإضافي: مراجعة" . المواد والتصميم . 205 109730. doi : 10.1016/j.matdes.2021.109730 .
  18. ↑ ترينفيلد، سارة ج.؛ عوض، أثير؛ غويانيس، ألفارو؛ غايسفورد، سيمون؛ باسط، عبد الـ و. (مايو 2018). "الطباعة ثلاثية الأبعاد للأدوية: من تطوير الأدوية إلى الرعاية الصحية الأولية". اتجاهات في العلوم الدوائية . 39 (5): 440-451 . doi : 10.1016/j.tips.2018.02.006 . ISSN 0165-6147 . PMID 29534837. S2CID 3845926 .   
  19. ↑ "نظرة عامة على تطبيقات التلبيد الانتقائي بالليزر | Quickparts" . www.3dsystems.com . مؤرشف من الأصل بتاريخ 2019-04-08 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2019-02-25 .
  20. ↑ التقييم البيولوجي للأجهزة الطبية - الجزء 1: التقييم والاختبار ضمن عملية إدارة المخاطر (ISO 10993-1:2009) . المنظمة الدولية للتوحيد القياسي (ISO). 2009. OCLC 839985896 . 
  21. ↑ "التلبيد الانتقائي بالليزر (SLS) ميسيسوجا | تلبيد SLS" .