Island Interface Porosity in PBF-LB 316L: Effects of Island Overlap and Interlayer Shift in Chessboard Scanning

في عالم التصنيع الحديث، توجد تقنية تبني أجساماً معدنية صلبة طبقة تلو الأخرى، مباشرة من تصميم رقمي، دون الحاجة إلى قوالب أو أدوات قطع ثقيلة. هذه العملية، المعروفة باسم "دمج سرير المسحوق" (powder bed fusion)، تعمل عن طريق نشر طبقة رقيقة من مسحوق معدني ناعم عبر منصة، ثم استخدام ليزر قوي لصهر نقاط محددة، مما يؤدي إلى دمج المسحوق في شكل صلب. وبينما يتحرك الليزر، فإنه يرسم هندسة الجزء، وبمجرد اكتمال طبقة ما، تنخفض المنصة قليلاً، وتُنشر طبقة جديدة من المسحوق، وتتكرر العملية حتى يكتمل الجسم. وبينما تسمح هذه الطريقة للمهندسين بابتكار أشكال معقدة للغاية كان من المستحيل صنعها بأي طريقة أخرى، فإن الأجزات الناتجة ليست مثالية دائماً. إذ يمكن أن يترك التسخين والتبريد السريع المتأصل في العملية خلفه ثقوباً صغيرة غير مرئية تسمى "المسام" (pores). وتعد هذه الفراغات مشكلة خطيرة لأنها تضعف المعدن، مما يجعله أكثر عرضة للتشقق أو الفشل تحت الضغط، وهو أمر بالغ الأهمية لصناعات مثل الطيران والطب حيث تكون السلامة هي الأولوية القصوى.

وللتحكم في الحرارة الشديدة المتولدة أثناء الطباعة، غالباً ما يستخدم المصنعون استراتيجية تسمى "مسح رقع الشطرنج" (chessboard scanning). فبدلاً من ترك الليزر يرسم خطاً واحداً طويلاً ومستمراً عبر الجزء بأكمله، يقوم البرنامج بتقسيم السطح إلى شبكة من المربعات الصغيرة، أو "الجزر" (islands). يقوم الليزر بملء مربع واحد، ثم يقفز إلى مربع آخر، متبادلاً الاتجاهات لمنع تراكم الحرارة في نقطة واحدة. ومع ذلك، يخلق هذا النهج حدوداً جديدة حيث تلتقي هذه المربعات. فإذا لم يقم الليزر بصهر كمية كافية من المسحوق عند هذه الحواف، فإن المربعات تفشل في الاندماج بشكل صحيح، مما يترك خطاً من نقاط الضعف والثقوب في المكان الذي تتلامس فيه الجزر. ولسنوات، حاول المهندسون إصلاح ذلك عن طريق إزاحة نمط الشبكة قليلاً بين كل طبقة وأخرى، آملين أن تقوم الطبقة الجديدة بصهر الفجوات المتروكة من الطبقة السابقة. لكن دراسة حديثة تشير إلى أن هذا الإزاحة وحدها ليست الحل الكامل، وأن تعديلاً مختلفاً — وهو مدى تداخل مسار الليزر مع حواف المربعات داخل الطبقة نفسها — يلعب دوراً أكثر أهمية بكثير.

وقد شرع باحثون في الجامعة الفيدرالية للتكنولوجيا في بارانا وشركة "ألكيمات تكنولوجيا" (Alkimat Tecnologia) في استقصاء كيفية تفاعل هذين العاملين بدقة عند طباعة الفولاذ المقاوم للصدأ. فقد ركزوا على نوع محدد من الفولاذ، وهو AISI 316L، المستخدم على نطاق واسع لقوته ومقاومته للصدأ. واستخدموا آلة مجهزة بليزر بقدرة 200 واط، وطبعوا مكعبات معدنية صغيرة، مع تغيير إعدادين محددين لمعرفة مدى تأثيرهما على عدد الثقوب داخل المادة. كان الإعداد الأول هو "إزاحة الجزيرة" (island shift)، حيث قاموا بتحريك نمط الشبكة بالكامل بمقدار مليمتر واحد بين الطبقات. أما الإعداد الثاني فهو "تداخل الجزيرة" (island overlap)، والذي يتحكم في مدى امتداد مسار الليزر إلى المربع المجاور أثناء طباعة المربع الحالي. وبتعبير أبسط، فقد اختبروا ما إذا كان مجرد تحريك النمط للأعلى وللأسفل كافياً لسد الفجوات، أم أنهم بحاجة إلى جعل الليزر يتتبع حواف المربعات بشكل أكثر عدوانية لضمان ترابط صلب.

قامت المجموعة بطباعة عشرات العينات، وقامت بقياس البنية الداخلية لكل منها بعناية عن طريق شقها وفحص المقاطع العرضية تحت المجهر. ووجدوا أن مجرد إزاحة الشبكة بين الطبقات، وهو ممارسة شائعة في الصناعة، كان له تأثير ضئيل جداً على إصلاح الثقوب إذا كان التداخل بين المربعات صغيراً جداً. فعندما استخدموا تداخلاً قياسياً في حده الأدنى، لم تمنع الإزاحة عيوب "نقص الاندماج" (lack-of-fusion) من التكون عند حدود الجزر. وظلت الثقوب مركزة في خط عند مكان التقاء المربعات، بغض النظر عن كيفية إزاحة الطبقات. وقد تحدى هذا الاكتشاف الافتراض بأن إزاحة النمط وحدها كانت علاجاً كافياً لهذه العيوب المحددة.

ومع ذلك، عندما زاد الباحثون من مقدار التداخل، تغيرت النتائج بشكل كبير. فمن خلال ضبط الليزر ليتتبع مسافة أبعد في المربعات المجاورة، أجبروا المعدن على الانصهار والاندماج بشكل أكثر شمولاً. ومع زيادة هذا التداخل، اختفت تركيزات الثقوب عند واجهات الجزر. وكان التحسن الأكثر أهمية قد حدث عندما ضبطوا التداخل عند 135 بالمائة، وهو إعداد يمتد فيه مسار الليزر بعيداً عن الحافة المخصصة لمربعه. عند هذا المستوى، لم تعد الثقوب متجمعة في خط ضعيف؛ بل توزعت بالتساوي في جميع أنحاء المادة، وانخفض إجمالي عدد الفراغات بشكل كبير. وعندما جمعوا بين هذا التداخل العالي وإزاحة الطبقة بمقدار مليمتر واحد، كانت النتائج أفضل، حيث انخفض متوسط المسامية إلى 0.10 بالمائة فقط.

كما بحثت الدراسة في الوقت المستغرق لطباعة هذه الأجزاء. فزيادة التداخل تعني أن الليزر يجب أن يسافر مسافة أطول قليلاً، مما يضيف وقتاً ضئيلاً إلى العملية، لكن هذه الزيادة كانت لا تُذكر. وخلص الباحثون إلى أن الطريقة الأكثر فعالية لإنتاج أجز معدنية قوية وكثيفة باستخدام استراتيجية رقع الشطرنج هذه ليست بالاعتماد على إزاحة الطبقات، بل بضمان تداخل الليزر مع حواف الجزر بما يكفي لضمان انصهار كامل. وبينما تساعد الإزاحة في توزيع أي عيوب متبقية، إلا أنها لا تستطيع إصلاح المشكلة إذا كان الاندماج الأولي بين المربعات غير مكتمل. ويوفر هذا الاستبصار مساراً واضحاً وعملياً للمهندسين لتحسين جودة الأجزاء المعدنية المطبوعة ثلاثية الأبعاد، وضمان خلوها من نقاط الضعف الخفية التي يمكن أن تؤدي إلى الفشل.