تعد عملية حقن المعادن (MIM) والطباعة ثلاثية الأبعاد للمعادن من تقنيات الإنتاج المتقدمة التي أدت إلى تحول سريع في التصنيع الحديث.
يمكن لعملية حقن المعادن إنشاء مكونات صغيرة ومعقدة يصل قطرها إلى 2 مم، بينما يقل وزنها عن 1 جرام دون المساس بدقة الأبعاد والتناسق.
من ناحية أخرى، تُنتج الطباعة ثلاثية الأبعاد للمعادن ببراعة أشكالًا هندسية معقدة ومُخصصة، يصعب أو يستحيل تحقيقها باستخدام طرق التصنيع التقليدية. تهدف هذه المقالة إلى مقارنة نقاط القوة والضعف وعمليات الإنتاج لكلتا الطريقتين.
المحتويات
ما هو قولبة حقن المعادن (MIM)؟
عملية صب حقن المعادن هي عملية دمج بين مسحوق المعادن وحقن البلاستيك لإنتاج قطع معدنية صغيرة ومعقدة عالية القوة. تتم العملية على أربع خطوات رئيسية.
خلط
أولاً، يتم تحضير المادة الخام عن طريق مزج مساحيق معدنية دقيقة مع رابط بوليمري، والنتيجة هي خليط متجانس (مادة خام).
عن طريق الحقن
بعد ذلك، تقوم بإدخال المواد الخام إلى آلة قولبة الحقن، ثم تقوم بحقنها في القالب، تحت ضغط عالٍ، لإنشاء "جزء أخضر".
التنحي
تتمثل العملية التالية في إزالة الروابط من الجزء الأخضر، وتتطلب إزالة المواد الرابطة منه، تاركةً المعدن. تُجرى العملية إما بالطرق الحرارية، أو بالمذيبات، أو بالطرق الحفزية.
تلبد
وأخيرًا، تتم عملية التلبيد بوضع جزيئات المعدن المتبقية في حجرة تحت ظروف جوية محددة عند درجة حرارة عالية أقل من درجة انصهار المادة. سيؤدي ذلك إلى دمج الجزيئات لتحقيق الكثافة والقوة المطلوبتين، على غرار المعادن المشغولة.
ما هي الطباعة المعدنية ثلاثية الأبعاد؟
الطباعة المعدنية ثلاثية الأبعاد، والتي يشار إليها أيضًا باسم تصنيع المضافات المعدنية تُبنى الأجزاء باستخدام نموذج رقمي (MAM). تشمل التقنيات الشائعة في هذه الطريقة الصهر الانتقائي بالليزر (SLM)، والتلبيد المباشر بالليزر للمعادن (DMLS)، والصهر بشعاع الإلكترون (EBM). تُدمج هذه العمليات مساحيق معدنية دقيقة أو أشكال معدنية أخرى باستخدام مصادر طاقة عالية مثل الليزر أو أشعة الإلكترون. عادةً ما تُجرى عملية الدمج في بيئة غاز خامل أو فراغ، تليها خطوات تشطيب مثل المعالجة الحرارية أو تشطيب الأسطح.
تشمل المواد الشائعة الاستخدام الفولاذ المقاوم للصدأ، والتيتانيوم، والألمنيوم، والإنكونيل، والكوبالت والكروم. ويعتمد الاختيار على التطبيق، والخصائص الميكانيكية، ومتطلبات الأداء.
التطبيقات
تطبيقات MIM
في صناعة السيارات، تُستخدم مادة MIM في إنتاج الصمامات والتروس ومكونات الشواحن التوربينية وأجزاء أنظمة الوقود، لضمان متانة ودقة عاليتين. إن القدرة على إنتاج قطع صغيرة ومعقدة بكميات كبيرة تجعل مادة MIM فعّالة للغاية من حيث التكلفة في هذا القطاع.
بالنسبة للأجهزة الطبية، مثل أقواس تقويم الأسنان، والأدوات الجراحية، وأدوات التنظير الداخلي، تُعدّ مادة MIM مثالية. ويرجع ذلك إلى ضرورة أن تكون هذه الأجزاء مصغّرة، ومتوافقة حيويًا، ومتينة ميكانيكيًا. تُستخدم مادة MIM في إنتاج الإلكترونيات الاستهلاكية، حيث تستفيد الموصلات والمفصلات ومكونات الهواتف الذكية من قدرتها على توفير تفاصيل دقيقة وجدران رقيقة على نطاق واسع.
تطبيقات الطباعة ثلاثية الأبعاد للمعادن
في صناعات الطيران والفضاء، تُستخدم عادةً الطباعة ثلاثية الأبعاد لمكونات مثل الأقواس خفيفة الوزن، وفوهات الوقود، وشفرات التوربينات، وأجزاء الأقمار الصناعية. كما تُستخدم هذه التقنية لترميم المكونات القديمة في الطائرات. تُعد الصناعات الطبية والرعاية الصحية مجالًا قويًا للطباعة ثلاثية الأبعاد للمعادن لإنتاج غرسات مخصصة (لطب الأسنان، والعظام، والجمجمة). كما تتيح هذه التقنية إنتاج نماذج أولية معدنية عملية، مثل قطع غيار علب التروس اليدوية الاصطناعية، ووصلات سيارات السباق في تطبيقات السيارات.
تتيح الطباعة ثلاثية الأبعاد تصميم وإنتاج مجوهرات وقطع ديكورية فريدة ومعقدة. كما تُستخدم في الروبوتات والأتمتة لإنتاج أدوات أو أجزاء مشغلات طرفية للأذرع تحتوي على أجهزة استشعار وكاميرات.
الطباعة ثلاثية الأبعاد للمواد المعدنية المقولبة (MIM) مقابل الطباعة ثلاثية الأبعاد للمعادن
التكلفة وحجم الإنتاج
تتطلب تقنية MIM استثمارًا أوليًا في الأدوات، ولكن بمجرد تصنيع القالب، يُمكن إنتاج كل قطعة بتكلفة منخفضة جدًا. لذلك، تتميز تقنية MIM بقدرتها التنافسية العالية على توفير كميات إنتاج كبيرة في مختلف التطبيقات الصناعية.
على عكس الطباعة ثلاثية الأبعاد للمعادن (MIM)، لا تتطلب الطباعة ثلاثية الأبعاد للمعادن أي تكلفة أولية للأدوات، ما يجعلها اقتصادية للنماذج الأولية أو الدفعات الصغيرة. مع ذلك، فإن تكلفة المواد ووقت تشغيل الآلة ومرحلة ما بعد المعالجة تُبقي تكلفة كل قطعة مرتفعة، مما يجعلها غير مناسبة للإنتاج بكميات كبيرة.
مرونة المواد
MIM متوافق مع مجموعة متنوعة من المواد، بما في ذلك السبائك مثل الفولاذ المقاوم للصدأ والنحاس والتنجستن والكوبالت والتيتانيوم والمواد القائمة على النيكل، وما إلى ذلك.
تدعم الطباعة ثلاثية الأبعاد العديد من السبائك، بما في ذلك التيتانيوم والألمنيوم والإنكونيل والفولاذ، وتمكن من تصميمات معقدة مثل الشبكات أو القنوات الداخلية.
الانتهاء من السطح
تنتج عملية حقن المعادن (MIM) قطعًا من الفولاذ المقاوم للصدأ 17-4PH بسطح أملس، عادةً بكثافة 1 ميكرومتر بعد التلبيد، وحوالي 0.33 ميكرومتر بعد المعالجة السطحية، وفقًا لدراسة أجريت على تشطيب سطح MIM. لذلك، تُعدّ MIM مناسبة تمامًا للمنتجات التي تتطلب تشطيبًا سطحيًا عالي الجودة، مثل علب الساعات والمجوهرات وحوامل كاميرات الهواتف المحمولة.
تنتج الطباعة ثلاثية الأبعاد للمعادن أجزاء من الفولاذ المقاوم للصدأ 17-4PH ذات سطح أولي أكثر خشونة، عادةً Ra حوالي 3-5 ميكرومتر كما هو مطبوع، ولكن بعد معالجة السطح يمكن تقليله إلى حوالي Ra 0.36 ميكرومتر.
السرعة والمدة الزمنية
سرعة الإنتاج ومدة إنجازه تُحددان الطريقة المُختارة. في البداية، تتطلب تقنية MIM فترات إنجاز طويلة بسبب تطوير الأدوات، ولكن بمجرد تصنيع القوالب، يصبح الإنتاج سريعًا. من ناحية أخرى، تُوفر الطباعة ثلاثية الأبعاد سرعة في إنجاز النماذج الأولية أو الدفعات الصغيرة، دون الحاجة إلى أدوات.
الأسئلة الشائعة
ما هي الاختلافات في المواد بين حقن المعادن والتصنيع الإضافي للمعادن؟
في عملية حقن المعادن (MIM)، تكون المساحيق دقيقة جدًا (أقل من 22 ميكرومترًا)، شبه كروية، ونقية للغاية لمنع عيوب التلبيد. تُصنع عادةً عن طريق ذرات الغاز أو الماء، أو الاختزال الكيميائي.
في التصنيع الإضافي للمعادن، تكون المساحيق أكثر كروية (أكثر من 98% كروية) وأكثر خشونة قليلاً - 15-45 ميكرومتر لأنظمة الليزر، و45-106 ميكرومتر لشعاع الإلكترون. يجب أن تتمتع بنقاء فائق، وعادةً ما تُنتَج عن طريق ذرات الغاز أو البلازما.