Research on Method and Technology of Dual-Beam Selective Laser Melting Forming of Porous Stainless Steel

تخيل أنك تحاول بناء قلعة هشة تشبه الإسفنج من معدن منصهر باستخدام ليزر فائق الحرارة. هذا هو عالم صهر الليزر الانتقائي (SLM)، وهو نسخة عالية التقنية من الطباعة ثلاثية الأبعاد حيث يتم دمج طبقات من مسحوق المعدن معاً لإنشاء أشكال معقدة. يعشق العلماء هذه الطريقة لأنها يمكن أن تصنع هياكل خفيفة الوزن ومسامية، وهي مثالية لأشياء مثل المرشحات (الفلاتر)، والمبادلات الحرارية، أو حتى الغرسات الطبية التي تسمح بنمو العظام بداخلها. ولكن هناك مشكلة: عندما تضرب الليزر المعدن، فإنه يسخن بشكل هائل، وعندما يبرد، فإنه ينكمش. ولأن المعدن يبرد بشكل غير متساوٍ — ساخن في المنتصف، وبارد عند الحواف — فإنه يتعرض للالتواء والضغط، تماماً مثل شريط مطاطي تم شده بقوة زائدة. هذا "الإجهاد المتبقي" يمكن أن يجعل الجسم النهائي يتشقق أو يتشوه، مما يدمر هيكل الإسفنج المثالي. ولإصلاح ذلك، يبحث الباحثون عن طرق للتحكم في الحرارة، تماماً كما يحاول طاهٍ الحفاظ على "السوفليه" من الانهيار عبر إدارة درجة حرارة الفرن بدقة.

في هذه الدراسة، قرر فريق من الباحثين من جامعة فوجيان للتكنولوجيا تجربة حيلة ذكية: بدلاً من استخدام ليزر واحد فقط، استخدموا اثنين. لقد قاموا بإعداد ليزر "رئيسي" لصهر مسحوق المعدن، وليزر "مساعد" (أو إضافي) لتسخين المنطقة أمام الشعاع الرئيسي بلطف. فكر في الأمر كطاهٍ رئيسي يشوي قطعة لحم بينما يستخدم طاهٍ مساعد منشفة دافئة لتسخين اللحم مسبقاً بلطف، مما يضمن تغير درجة الحرارة بسلاسة بدلاً من صدم المعدن. ومن خلال محاكاة هذه العملية على الكمبيوتر وإجراء تجارب واقعية، اكتشف الفريق أن نهج الليزر المزدوج هذا يعمل كعازل حراري؛ فهو يقلل من فروق درجات الحرارة الحادة التي تسبب الإجهاد، مما يؤدي فعلياً إلى "تليين" رد فعل المعدن تجاه الحرارة. وقد أظهرت عمليات المحاكاة والاختبارات التي أجروها أن هذه الطريقة نجحت في خفض الإجهاد الداخلي في الفولاذ المقاوم للصدأ المطبوع، مما يثبت أن إضافة القليل من الحر extra بالطريقة الصحيحة هي أفضل وسيلة للحفاظ على الهدوء والاستقرار.

التجربة: ليزران مقابل ليزر واحد

ركز الباحثون على صنع فولاذ مقاوم للصدأ مسامي من نوع 316L، وهو مادة معروفة بقوتها مع كونها مليئة بالثقوب الصغيرة. لقد بنوا نموذجاً حاسوبياً مفصلاً للعملية، حيث تعاملوا مع مسحوق المعدن ككتلة مستمرة وحاكوا كيفية انتقال الحرارة من خلاله. وللتأكد من أن نموذجهم الحاسوبي يقول الحقيقة، قاموا أولاً بطباعة عينة باستخدام آلة ثنائية الشعاع حقيقية (نظام Dimetal-280) وقاسوا "برك الانصهار" الصغيرة — وهي البرك الصغيرة من المعدن المنصهر التي تترك خلفها. كانت تنبؤات الكمبيوتر دقيقة للغاية، حيث طابقت القياسات الواقعية بهامش خطأ لا يتجاوز 5%. وقد منحهم هذا الثقة لاستخدام المحاكاة لاختبار مئات السيناريوهات المختلفة دون إضاعة مسحوق معدني باهظ الثمن.

منطقة "غولدي لوكس" الحرارية (المنطقة المثالية)

أجرى الفريق سلسلة من الاختبارات لمعرفة كيف تغير الإعدادات المختلفة النتيجة. لقد عاملوا العملية كأنها وصفة طعام، حيث قاموا بتعديل خمسة مكونات رئيسية: قوة الليزر المساعد، حجم بقعته، سرعة حركة الليزر، المسافة بين خطوط الليزر، والفجوة الزمنية بين إطلاق الليزرين.

ووجدوا أن العلاقة بين هذه الإعدادات والإجهاد النهائي لم تكن قصة بسيطة من نوع "الأكثر هو الأفضل" أو "الأقل هو الأفضل". بدلاً من ذلك، كانت عملية توازن دقيقة:

• قوة الليزر المساعد: إذا كان الليزر المساعد ضعيفاً جداً، فلن يسخن المعدن بما يكفي. وإذا كان قوياً جداً، فسيؤدي إلى ارتفاع حرارة المعدن وتمدده بشكل مفرط، مما يخلق إجهاداً جديداً. كانت هناك "نقطة مثالية" حيث قلل الإجهاد بشكل مثالي.
• حجم البقعة: البقعة الصغيرة لليزر المساعد لم تسخن مساحة كافية. أما البقعة الضخمة فقد بردت المعدن كثيراً في بعض الأماكن. أما الحجم المناسب فقد خلق منطقة دافئة وسلسة منعت الهبوط الحاد في درجات الحرارة.
• السرعة والتباعد: تحريك الليزر ببطء شديد يفرغ الكثير من الحرارة، بينما تحريكه بسرعة كبيرة أو ترك مسافات واسعة بين الخطوط يترك فجوات باردة. وجد الفريق أن سرعة مسح تبلغ 1200 مم/ثانية وتباعد قدره 100 ميكرومتر كانا الأفضل.
• الفترة الزمنية: كان هذا هو التوقيت بين تسخين الليزر المساعد للنقطة وبين صهر الليزر الرئيسي لها. إذا أطلقوا الشعاعين في نفس الوقت تماماً، فسيكون الأمر فوضوياً للغاية. وإذا انتظروا طويلاً، فسيبرد المعدن تماماً قبل وصول الليزر الرئيسي. كان التوقيت المثالي هو فجوة زمنية ضئيلة قدرها 0.3 مللي ثانية، وهي كافية تماماً للسماي لعملية التسخين المسبق بالقيام بوظيفتها دون فقدان الزخم.

التركيبة الفائزة

بعد إجراء "اختبار متعامد" (وهي طريقة ذكية لاختبار العديد من التوليفات في وقت واحد)، حدد الباحثون الوصفة النهائية لأقل قدر من الإجهاد. كانت الإعدادات المثالية هي:

• قوة الليزر الرئيسي: 150 واط
• حجم بقعة الليزر الرئيسي: 40 ميكرومتر
• قوة الليزر المساعد: 10 واط
• حجم بقعة الليزر المساعد: 160 ميكرومتر
• سرعة المسح: 1200 مم/ثانية
• تباعد المسح: 100 ميكرومتر
• الفترة الزمنية: 0.3 مللي ثانية

عندما استخدموا هذه التركيبة المحددة، انخفض الإجهاد المتبقي في المعدن إلى أدنى مستوياته. في الواقع، كانت المجموعة ذات الإعدادات الأفضل (المجموعة 3) تمتلك مستوى إجهاد قدره 282 ميجا باسكال، وهو أقل بكثير من المجموعة الأسوأ أداءً (المجموعة 9) التي بلغت 384 ميجا باسكال. وقد أثبت ذلك أن تدرج درجة الحرارة — أي الفرق في درجة الحرارة بين بركة الانصهار الساخنة والمحيط البارد — كان هو المتسبب الرئيسي وراء الإجهاد. ومن خلال تنعيم هذا الفرق في درجات الحرارة، قاموا بتنعيم الإجهاد أيضاً.

المواجهة النهائية: شعاع واحد مقابل شعاعين

لإثبات وجهة نظرهم حقاً، قارن الفريق بين أفضل إعداد لليزر المزدوج وبين إعداد الليزر الفردي القياسي. لقد حافظوا على إجمالي الطاقة تقريباً كما هي، لكنهم قسموها بين ليزرين في نسخة الليزر المزدوج. وكانت النتائج واضحة:

• الشعاع الفردي: أنتج درجة حرارة قصوى بلغت 1580 درجة مئوية، وتدرجاً حرارياً قدره 41,522 درجة مئوية/مم، وإجهاداً متبقياً قدره 293 ميجا باسكال.
• الشعاع المزدوج: أنتج درجة حرارة قصوى أقل قليلاً بلغت 1525 درجة مئوية، وتدرجاً حرارياً أكثر اعتدالاً قدره 39,162 درجة مئوية/مم، وإجهاداً متبقياً أقل قدره 282 ميجا باسكال.

قلل منهج الليزر المزدوج من الإجهاد المتبقي بنسبة تقارب 3.75%. ورغم أن هذا الرقم قد يبدو صغيراً، إلا أنه في عالم الهندسة الدقيقة، يعد تحسناً كبيراً. والسبب في نجاح ذلك هو أن الليزر المساعد عمل كمسخن مسبق، حيث رفع درجة حرارة سرير المسحوق قبل وصول الليزر الرئيسي. وهذا يعني أن المعدن لم يضطر للتعامل مع مثل هذا الهبوط المفاجئ والصادم في درجات الحرارة أثناء تبريده، مما منع "الالتواء" الذي يسبب الشقوق.

ماذا يعني هذا؟

تؤكد هذه الدراسة أن استخدام ليزرين في رقصة منسقة هو وسيلة قابلة للتطبيق لصنع أجزاء معدنية مسامية أقوى وأقل إجهاداً. لقد أظهر الباحثون أنه من خلال ضبط القوة والسرعة والتوقيت لليزر المساعد بعناية، يمكنك التحكم في التاريخ الحراري للمعدن. لم يكتفوا بالتخمين؛ بل قاموا بمحاكاة الفيزياء، وتحققت من ذلك بتجارب واقعية، ووجدوا مجموعة محددة من الأرقام التي تعمل بشكل أفضل. وبينما كان خفض الإجهاد متواضعاً، إلا أن الطريقة توفر أساساً نظرياً صلباً للتحسينات المستقبلية. وهي تشير إلى أنه إذا أردنا طباعة هياكل معدنية أكثر تعقيداً وموثوقية في المستقبل، فقد نحتاج إلى التوقف عن التفكير في الليزرات كمجرد "مسدسات حرارية" والبدء في التفكير فيها كفريق، حيث يقوم أحدهم بتهيئة المسرح والآخر يقوم بالعمل الشاق.