Multi-material powder feeding through a dual-channel coaxial nozzle for laser metal deposition: Numerical simulation and experimental study

تخيل عالماً يمكن فيه لآلة واحدة أن تصنع جزءاً يكون صلباً ومقاوماً للتآكل من الخارج، ومع ذلك يكون متيناً ومرناً من الداخل، كل ذلك في عملية مستمرة واحدة. هذا هو الوعد الذي تقدمه تقنية تسمى "الترسيب المعدني بالليزر". في هذه العملية، يقوم ليزر عالي القدرة بصهر مسحوق معدني أثناء نفخه إلى حوض صغير من المعدن المنصهر، مما يبني مكوناً طبقة تلو الأخرى مباشرة من تصميم رقمي. لسنوات، استخدم المهندسون هذه الطريقة لإنشاء أجزاء من نوع واحد من المعادن. ومع ذلك، فإن العالم الحقيقي نادراً ما يكون بهذه البساطة. فقد يحتاج نصل التوربين إلى تحمل حرارة شديدة عند طرفه مع بقائه مرناً بالقرب من قاعدته؛ وقد يتطلب غرس طبي سطحاً يلتئم جيداً مع العظام بينما يمتلك لباً يدعم الأحمال الثقيلة. ولتلبية هذه الاحتياجات، حاول العلماء لفترة طويلة خلط أنواع مختلفة من المعادن أثناء عملية الطباعة. كان التحدي دائماً هو السيطرة: كيف يمكنك مزج مسحوقين مختلفين بشكل مثالي بحيث يختلطان فوراً وبشكل متساوٍ قبل أن ينصهرا، دون أن يطير أحد نوعي المسحوق بعيداً عن المسار أو يتكتل معاً؟

لقد نجح فريق من الباحثين في جامعة نانتشانغ في الصين في معالجة هذه المشكلة من خلال تصميم نوع جديد من الفوهات، وهو الجهاز الذي يوجه مسحوق المعدن إلى شعاع الليزر. وبدلاً من خلط المساحيق معاً في قمع قبل دخولها إلى الآلة، يحافظ تصميمهم الجديد على بقاء مسحقين مختلفين منفصلين حتى اللحظة الأخيرة. لقد صنعوا فوهة ثنائية القنوات متحدة المركز، والتي تعني أساساً أنبوباً داخل أنبوب آخر. يحمل الأنبوب الداخلي نوعاً واحداً من مسحوق المعدن، بينما تحمل الحلقة الخارجية نوعاً آخر. يتم إطلاق كلا التدفقين في وقت واحد نحو نفس النقطة. كان الهدف هو معرفة ما إذا كان يمكن إجبار هذين التدفقين المتميزين، اللذين يسلكان سلوكاً مختلفاً بطبيعته بسبب وزنهما وشكلهما، على التقارب والاختلاط بشكل منتظم تماماً قبل أن يصطدما بالمعدن المنصهر.

ولمعرفة أفضل طريقة لبناء هذه الفوهة، لجأ الباحثون أولاً إلى المحاكاة الحاسوبية. لقد أنشأوا نموذجاً افتراضياً لتدفق الغاز والمسحوق لاختبار كيف ستؤثر الأشكال والزوايا المختلفة على التدفقات. واكتشفوا أن حجم الأنابيب والزاوية التي تشير إليها أمر بالغ الأهمية. فإذا كانت الأنابيب واسعة جداً، سينتشر المسحوق كثيراً ويفقد تركيزه. وإذا كانت الزوايا خاطئة، فقد يخطئ التدفقان بعضهما البعض أو يتقاربان عند مسافات مختلفة، مما يؤدي إلى مزيج فوضوي. ومن خلال هذه المحاكاة، حددوا أن القناة الداخلية يجب أن تكون بزاوية 70 درجة والقناة الخارجية بزاوية 60 درجة، مع وجود قطر قدره 0.8 ملم لكلا الأنبوبين. كما حسبوا أن مخرج الأنبوب الداخلي يجب أن يكون على بعد 3 مليمترات من مركز الفوهة، وأن الأنبوب الخارجي يجب أن يبعد مسافة 1 مليمتر فقط عن الأنبوب الداخلي. وجدوا أن هذه الأبعاد المحددة من شأنها أن تخلق أضيق وأكثر نقطة تركيز يلتقي فيها المسحوقان.

بمجرد تحسين النموذج الحاسوبي، قام الفريق ببناء نموذج أولي مادي للفوهة ووضعه قيد الاختبار. واختاروا ثلاثة معادن مختلفة تماماً لاختبار مدى قدرة التصميم على مواجهة التحدي: سبيكة التيتانيوم المعروفة باسم TC4، والموليبدينوم، والنحاس. وتختلف هذه المواد بشكل كبير في الكثافة والشكل؛ فمساحيق التيتانيوم والموليبدينوم كانت كروية الشكل تقريباً، بينما كان مسحوق النحاس غير منتظم ومسنناً. وباستخدام كاميرات عالية السرعة، راقب الباحثون انطلاق المساحيق من الفوهة. وأظهرت اللقطات أنه على الرغم من اختلافاتهما، فقد سافر تدفقا المسحوق معاً والتقيا في النقطة ذاتها في الفضاء. وعندما خلطوا مساحيق التيتانيوم والنحاس، سمحت الألوان المميزة للمعادن لهم برؤية عملية الخلط في الوقت الفعلي. فقد اختلط التيتانيوم الرمادي الفضي مع النحاس البني المحمر بسلاسة عند نقطة التقارب، دون أي علامات على طبقة أحدهما فوق الآخر أو تكتلهما في أكوام منفصلة.

ولإثبات أن هذا الخلط قد نجح في بيئة تصنيع حقيقية، استخدم الباحثون الفوهة لبناء جزء تجريبي. حيث قاموا بتغذية سبيكة التيتانيوم عبر القناة الداخلية والموليبدينوم عبر القناة الخارجية، لإنشاء مسار واحد بارتفاع عشر طبقات. وبعد بناء الجزء، قاموا بقطعه طولياً وفحص المقطع العرضي تحت المجهر. كانت النتائج واضحة: فقد توزع الموليبدينوم بالتساوي في الهيكل بأكمله، تماماً كما حدث مع التيتانيوم. لم تكن هناك بقع داكنة أو فاتحة تشير إلى أن أحد المعدنين قد استقر في الأسفل أو طفا في الأعلى. وقد أكد ذلك أن المساحيق قد اختلطت جيداً في الهواء قبل الانصهار، مما خلق مزيجاً متجانساً من مادتين مختلفتين تماماً.

توضح هذه الدراسة أنه من خلال هندسة مسار تدفقات المسحوق بعناية، من الممكن تقديم معادن متباينة لليزر وتحقيق مزيج مثالي دون خلطها مسبقاً. يقدم هذا النهج مستوى جديداً من التحكم في إنشاء مكونات معقدة ذات خصائص مصممة خصيصاً. لقد أظهر الباحثون أنه مع هندسة الفوهة الصحيحة، لا يجب أن تكون الاختلافات الطبيعية بين المساحيق الثقيلة والخفيفة، أو المستديرة والمسننة، عائقاً؛ بل يمكن إدارتها لإنتاج مادة متسقة وعالية الجودة تجمع بين أفضل سمات مكوناتها، مما يفتح الباب أمام أجزاء معدنية أكثر تقدماً وقدرة على التكيف في المستقبل.