عمليات معالجة سطح أجزاء الطباعة ثلاثية الأبعاد المعدنية: اختيار وتطبيق الأنودة والطلاء الكهربائي والرش والتخميل

مقدمة: لماذا تحتاج الأجزاء المعدنية المطبوعة ثلاثيًا إلى معالجة سطحية

على الرغم من أن الأجزاء المعدنية المصنّعة بتقنية الانصهار الانتقائي بالليزر على سرير المسحوق (SLM) قد تصل كثافتها الداخلية إلى أكثر من 99%، فإن خشونة الأسطح الحرة وبقايا المسحوق غير المنصهر والمسام المفتوحة على السطح غالبًا ما تمنع استخدامها مباشرة في التطبيقات الوظيفية. ففي مؤشرات هندسية مثل مقاومة التآكل، ومقاومة الاهتراء، والتوصيل الكهربائي، والعزل، والمظهر، غالبًا ما تكون حالة الطباعة الخام غير كافية. لذلك تُعد معالجة السطح خطوة أساسية لتحويل الجزء من “قطعة مطبوعة” إلى “مكوّن هندسي قابل للتسليم”، وهي حلقة غالبًا ما يُستهان بها بين التصنيع بالإضافة والتطبيق النهائي.

أولًا: المعالجة المسبقة للسطح: جعله نظيفًا ومستوًى وقابلًا للتحكم

عادةً ما تتراوح خشونة سطح أجزاء SLM الخام Ra بين 6 و12 ميكرومتر، مع وجود جسيمات كروية وبقايا دعامات. قبل أي معالجة لاحقة، يجب خفض Ra إلى 1.6–3.2 ميكرومتر باستخدام السفع الرملي أو السفع بالخردق أو الصقل اليدوي، مع إزالة بقايا الدعامات والمسحوق غير المنصهر تمامًا. ويجب الانتباه إلى أن الأجزاء المعدنية المطبوعة ثلاثيًا غالبًا ما تحتوي على مسام سطحية مفتوحة، لذلك يجب في مرحلة المعالجة المسبقة استخدام التنظيف بالموجات فوق الصوتية مع الكحول أو المنظفات القلوية لطرد المسحوق من داخل المسام، وإلا فقد تبقى محاليل الطلاء أو مواد الإغلاق داخلها وتتحول إلى مصدر طويل الأمد للتآكل.

ثانيًا: الأنودة: مناسبة أساسًا لسبائك الألومنيوم مع العزل ومقاومة التآكل

تُعد الأجزاء المطبوعة من سبائك الألومنيوم مثل AlSi10Mg و6061 الأنسب للأنودة بحمض الكبريتيك، حيث يمكن تكوين طبقة أكسيد ألومنيوم بسماكة 5–25 ميكرومتر، ما يحسن مقاومة التآكل والعزل السطحي بشكل ملحوظ، كما يمكن الحصول على تأثير زخرفي عبر الصبغ. تتمثل نقاط التحكم الرئيسية في سد المسام السطحية المفتوحة أولًا، ثم ضبط جهد الأكسدة بين 12 و20 فولت ودرجة حرارة الإلكتروليت بين 15 و22℃. وعند تجاوز سماكة الطبقة 20 ميكرومتر، يجب تقييم الهشاشة وزيادة الأبعاد. ورغم أن سبيكة التيتانيوم TC4 يمكن أيضًا تلوينها بالأنودة، فإن طبقة الأكسيد تكون رقيقة وضعيفة الارتباط بالركيزة، لذلك تحتاج إلى عملية خاصة وتحكم في السماكة ولا يجوز تطبيق معايير الألومنيوم عليها مباشرة.

ثالثًا: الطلاء الكهربائي والطلاء الكيميائي: النحاس والنيكل والفضة لتحسين التوصيل ومقاومة الاهتراء

تتميز أسطح الفولاذ غير القابل للصدأ 316L وسبيكة التيتانيوم TC4 بخمول كيميائي عالٍ، لذلك يؤدي الطلاء الكهربائي المباشر غالبًا إلى التقشر. التسلسل الصحيح هو إزالة الزيوت وطبقة الأكسيد أولًا، ثم استخدام منشطات خاصة، وبعدها تنفيذ طلاء وميضي بطبقة معدنية أساس. يمكن للطلاء الكيميائي بالنيكل الحصول على طبقة موحدة بسماكة 3–10 ميكرومتر على التجاويف المعقدة والأسطح غير المنتظمة، مع صلادة تصل إلى 500–600HV، ما يحسن مقاومة الاهتراء بوضوح. وتكمن المخاطر الرئيسية في احتباس السوائل داخل المسام والتقصف الهيدروجيني؛ لذلك يجب بعد الطلاء إجراء إزالة للهيدروجين بالحرارة العالية، مثل الحفظ عند 200℃ لمدة 2–4 ساعات، مع إغلاق الثقوب النافذة والعمياء جيدًا لتجنب بقايا محاليل الطلاء التي قد تسبب التآكل النقطي.

رابعًا: الرش والطلاءات: الجمع بين الحاجز الحراري ومقاومة الاهتراء والمظهر

يُستخدم الرش بالبلازما، والرش بالقوس الكهربائي، والطلاء بالترسيب الكهربائي، والطلاء بالمسحوق كثيرًا لمقاومة الاهتراء أو الحماية من التآكل أو توحيد المظهر. بالنسبة للأجزاء الساخنة التي تحتاج إلى عزل حراري، يمكن رش طلاء حاجز حراري من أكسيد الزركونيوم. أما الأجزاء ذات المتطلبات الجمالية، فيمكن أن يغطي الطلاء الكهربائي أو الطلاء بالمسحوق آثار خطوط الطباعة. ويجب الحذر من أن الرش الحراري يتضمن إدخال حرارة، ما قد يسبب تشوه الهياكل رقيقة الجدار أو الكابولية؛ لذلك ينبغي إجراء تثبيت مناسب ومحاكاة للتشوه الحراري قبل الرش، مع التحكم في تفاوت سماكة الطلاء ضمن ±0.05 مم.

خامسًا: التخميل وغشاء التخميل: خط الدفاع الأدنى لمقاومة تآكل الفولاذ غير القابل للصدأ والتيتانيوم

بعد تخميل الفولاذ غير القابل للصدأ 316L بحمض النتريك أو حمض الستريك، يصبح السطح غنيًا بالكروم ويكوّن غشاء تخميل كثيفًا من Cr2O3، ويمكن أن يرتفع جهد التآكل النقطي بأكثر من 200mV، وهو إجراء ضروري للأجهزة الطبية والأجزاء الملامسة للأغذية. أما سبيكة التيتانيوم TC4 فتتكون على سطحها بعد المعالجة الحرارية طبقة ألفا غنية بالأكسجين، ويجب إزالتها بالتخليل والتخميل، وإلا ستؤثر في التصاق الطلاءات اللاحقة وأداء الكلال. ولا يعني التخميل أن “كلما زاد التركيز كان أفضل”، إذ إن تجاوز حدود التركيز ودرجة الحرارة قد يدمّر استمرارية الغشاء.

سادسًا: قرار اختيار العملية والمشكلات الشائعة

ينبغي أن يتبع الاختيار تسلسل “المادة — الوظيفة — بيئة الخدمة — التكلفة”: سبائك الألومنيوم تُعطى أولوية للأنودة، والأجزاء التي تتطلب توصيلًا ومقاومة اهتراء تُختار لها النيكل الكيميائي، والبيئات المسببة للتآكل تُختار لها عملية التخميل، أما المظهر والعزل الحراري فيناسبهما الرش. أكثر أربع مشكلات يتم تجاهلها هي: احتباس السوائل في المسام وما يسببه من تآكل متأخر، وسماكة الطلاء التي تؤدي إلى تجاوز أبعاد التجميع، والتقصف الهيدروجيني الذي يسبب الكسر الهش للأجزاء عالية المتانة، وضعف الالتصاق الناتج عن معالجة مسبقة غير كافية. إن إدراج معالجة السطح ضمن مراجعة التصميم من أجل التصنيع DFM هو الطريقة الأساسية لتجنب إعادة العمل عند التسليم.

الخلاصة

تُعد معالجة السطح المرحلة الأخيرة الحاسمة لانتقال الطباعة ثلاثية الأبعاد المعدنية من النماذج الأولية إلى التسليم الهندسي. ولا يمكن تحقيق نتائج مستقرة وموثوقة بين مقاومة التآكل، ومقاومة الاهتراء، والتوصيل، والمظهر إلا عبر فهم حدود توافق المواد والعمليات، والتحكم الجيد في المعالجة المسبقة وسد المسام.