انواع فناوری های چاپ سه بعدی (قسمت اول)

چاپ سه بعدی در سال های اخیر به یک اصطلاح روزمره تبدیل شده است، اما این فرآیند که با نام تولید افزودنی یا افزایشی نیز شناخته می شود، از دهه 1980 وجود داشته است. در ابتدا به آن  نمونه سازی سریع (Rapid Prototyping) گفته می شد، این فرآیند همانطور که از نام آن پیداست، تولید نمونه های اولیه سریع، با حداقل ابزار و تلاش در نظر گرفته شد. در سال‌های اخیر، این فناوری فراتر از نمونه‌سازی اولیه گسترش یافته و به‌طور مناسبی قوی شده است تا بتوان از آن برای تولید در سطوح تولیدی استفاده کرد.

مانند هر تکنولوژی ساخت افزودنی، یک فایل طراحی به کمک کامپیوتر (CAD) مورد نیاز است. ماشین تولید افزودنی فایل را می گیرد (با فرض سازگاری مناسب) و سپس لایه به لایه مدل را می سازد. تعداد فزاینده‌ای از تکنیک‌ها/تکنولوژی‌ها برای ایجاد یک شی چاپ شده سه بعدی وجود دارد. در این پست، مروری بر انواع متداول فناوری چاپ سه بعدی ارائه خواهیم کرد.

اصطلاحات چاپ سه بعدی و ساخت افزودنی به صورت مترادف استفاده خواهند شد.

1- فرآیندهای اکستروژن مواد

فرآیند اکستروژن مواد، فرآیندی است که در آن یک ماده ترموپلاستیک وارد یک نازل گرم شده می‌شود که پلاستیک را ذوب می‌کند و به آن اجازه می‌دهد تا روی چیزی که پلتفرم ساخت نامیده می‌شود - سطح صافی که برای نگه‌داشتن قسمت چاپ سه‌بعدی استفاده می‌شود، قرار گیرد. هر لایه از طرح به صورت متوالی قرار می گیرد تا زمانی که کل طرح قطعه ساخته شود. رایج‌ترین فناوری‌های چاپ سه بعدی که از فرآیند اکستروژن مواد استفاده می‌کنند، مدل‌سازی رسوب ذوب شده یا FDM و ساخت فیلامنت ذوب شده (FFF) هستند.

مدل سازی رسوب ذوب شده (FDM) و ساخت رشته فیلامنت (FFF)

پرکاربردترین فرآیند تولید افزودنی، مدلسازی رسوب ذوب شده (FDM) است، یک فناوری اکستروژن مواد که در آن ترموپلاستیک های مذاب لایه به لایه برای ایجاد فرم مورد نظر رسوب می کنند. مواد معمولی عبارتند از پلی لاکتیک اسید (PLA) و همچنین پلاستیک های مهندسی مانند آکریلونیتریل بوتادین استایرن (ABS)، پلی کربنات (PC)، پلی تریمید (PEI) و غیره.

FDM  رایج‌ترین روشی است که در مدل‌های چاپگر رومیزی خانگی استفاده می‌شود، اما معمولاً نسبت به نسخه‌های صنعتی نیاز به نگهداری بیشتری از کاربر دارد. یکی از فناوری های رایج چاپ سه بعدی خانگی مشابه FDM، ساخت فیلاممنت فیوز شده (FFF) است. مانند FDM، FFF  از رشته های پیوسته ترموپلاستیک ها، مانند PLA، برای رسوب موادی که مایع شده/گرم شده اند و از نازلی که آزادانه در اطراف یک پلت فرم حرکت می کند، رسوب می کند، استفاده می کند. فیلامنت ها در قرقره هایی با رنگ ها و مواد مختلف به فروش می رسند.

FDM  صنعتی برای ایجاد هر دو نمونه اولیه و قطعات مصرف نهایی استفاده می شود. قطعات خام تولید شده با این تکنیک دارای خطوط لایه قابل مشاهده هستند که اغلب نیاز به پردازش و تکمیل اضافی دارند. یکی دیگر از اشکالات این است که برخی از طرح ها به ساختارهای پشتیبان برای ساختن پیشرو نیاز دارند.

2- فرآیند فوتوپلیمریزاسیون VAT

با فوتوپلیمریزاسیون vat، از شکل مایع یک ماده پلاستیکی به نام فوتوپلیمر برای ایجاد قطعه استفاده می شود. پخت مواد با قرار گرفتن انتخابی در معرض انرژی نور رخ می دهد.  رایج‌ترین فناوری‌های چاپ سه بعدی که از فرآیند فوتوپلیمریزاسیون  vat استفاده می‌کنند عبارتند از استریولیتوگرافی(SLA)، پردازش نور دیجیتال (DLP)، و تولید واسط مایع پیوسته (CLIP™).

استریولیتوگرافی (SLA)

دومین تکنولوژی رایج پرینت سه بعدی استریولیتوگرافی یا SLA است. یکی از اولین تکنیک‌های تولید افزودنی توسعه‌یافته، SLA  نوعی پلیمریزاسیون Vat یا فوتوپلیمریزاسیون Vat است. در  SLA، یک جسم با قرار دادن فتوپلیمرها یا پلیمرهای گرماسخت حساس به نور در معرض انرژی لیزر فرابنفش (UV) ساخته می‌شود.

در استریولیتوگرافی، سکوی ساخت در یک مخزن (یا مخزن) از مواد مایع قرار می گیرد که به تدریج در معرض لیزر UV، یک لایه در یک زمان قرار می گیرد. لیزر UV فتوپلیمر مایع را سخت می کند و به شکل دلخواه در می آورد. SLA از رزین های پلیمری ترموست استفاده می کند که بسته به کاربرد انواع مختلفی دارند. خواص رزین شامل شفاف، دمای بالا، زیست سازگار/دندانی و لاستیک مانند است.

پردازش نور دیجیتال (DLP)

فناوری پردازش نور دیجیتال نوع دیگری از روش فوتوپلیمریزاسیون vat است که با عمل آوری رزین ها در یک زمان، بخشی را می سازد. این فناوری از یک چاپگر سه بعدی مجهز به منبع نور و دستگاهی به نام Digital Micromirror Device  یا DMD استفاده می کند. DMD از تعداد زیادی آینه مجزا ساخته شده است که می توانند به سمت رزین چاپگر یا دور از آن هدایت شوند. این دستگاه، در واقع، یک الگوی دیجیتالی از نواحی روشن و تاریک ایجاد می‌کند که شکل دلخواه و ساختار یک لایه جداگانه از قطعه مورد چاپ را به دقت منعکس می‌کند.

عملیات چاپ به صورت وارونه انجام می شود و الگوی یک لایه جداگانه از قطعه توسط DMD ایجاد می شود و از طریق یک سیستم لنز به یک پنجره شفاف در پایین مخزن رزین نمایش داده می شود. همانطور که نور به رزین می تابد، الگوی لایه را حمل می کند و رزین را در مناطقی که نور منتقل می شود در حالی که مناطق تاریک پخت نمی شوند، نیمه پخت می شود. سپس چاپگر از مخزن رزین بالا می رود و لایه بعدی ایجاد می شود. این روند تا زمانی که یک قسمت تمام شده ایجاد شود تکرار می شود. ایجاد قطعه وارونه به صرفه جویی در رزین کمک می کند و اجازه می دهد تا قطعات بزرگتر از عمق مخزن ایجاد شود.

تولید واسط مایع پیوسته (CLIP™)

شکل دیگری از فرآیند فوتوپلیمریزاسیون vat، تولید واسط مایع پیوسته یا فناوری CLIP™ است. پرینت سه بعدی با استفاده از CLIP ™ قطعات را از مجموعه ای از رزین ها رشد می دهد، اما با سایر فناوری های فوتوپلیمریزاسیون تفاوت دارد زیرا از رویکرد لایه به لایه استفاده نمی کند. در عوض، از منبع نور دوگانه تنظیم شده روی دو طول موج مختلف، UV در λ = 365 نانومتر و نور آبی در λ = 458 نانومتر، به‌علاوه یک مخلوط رزین که شامل آغازگرهای عکس و بازدارنده‌های عکس است، استفاده می‌کند. نور آبی را می توان برای شروع فرآیند انجماد و نور UV برای توقف فرآیند در صورت نیاز استفاده می شود. کلید این فرآیند ایجاد یک ناحیه مرده بدون اکسیژن مستقیماً بالای پنجره چاپگر بین پنجره و قسمت چاپ شده است. این منطقه مرده باعث می شود که کمترین سطح رزین تحت تأثیر نور چاپگر قرار نگیرد. در حالت مایع باقی می ماند، بنابراین جریان مداوم رزین را فراهم می کند تا در دسترس باشد و بخشی را بدون لایه های جداگانه تشکیل دهد.

مزیت این فناوری در مقایسه با سایر روش های چاپ مبتنی بر رزین، هم در سرعت چاپ و هم خواص مکانیکی و استحکام بیشتر است.

3- فرآیند جت بایندر

فرآیند پرینت سه بعدی بایندر شامل استفاده از ذرات ماده ای است که با استفاده از یک عامل پیوند شیمیایی مایع به یکدیگر متصل یا ذوب شده اند. این فرآیند یک قسمت را در لایه ایجاد می کند که یک لایه جدید در بالای هر لایه تکمیل شده اضافه می شود تا زمانی که قسمت مورد نظر تکمیل شود. سه فناوری متداول که از فرآیند جت بایندر استفاده می کنند عبارتند از: چاپ سه بعدی بستر و سر جوهر افشان (PBIH)، چاپ سه بعدی مبتنی بر گچ و چاپ رنگ جت (CJP).

بستر پودری و سر جوهر افشان (PBIH) چاپ سه بعدی

پرینت سه بعدی بستر پودری و سر جوهر افشان (PBIH) از یک سر چاپ جوهر افشان استفاده می کند که روی بستری از مواد پودری حرکت می کند و به طور انتخابی ماده اتصال دهنده را در جایی که لازم است برای تشکیل لایه مورد نظر قطعه رسوب می دهد. پس از تکمیل لایه، یک لایه پودر تازه روی لایه تمام شده اضافه می شود و این روند تا پرینت کامل قطعه ادامه می یابد. همانطور که پودر بیشتری اضافه می شود، صفحه ساخت پایین می آید تا لایه بعدی چاپ شود. در نهایت، قسمت تمام شده کاملاً توسط مواد پودری احاطه می شود که سپس در فرآیندی به نام پودر زدایی حذف می شود. مواد پودری که حذف می شود را می توان جمع آوری کرد و در کارهای چاپ بعدی استفاده کرد.

مزیت این فناوری این است که این رویکرد را می توان با طیف وسیعی از مواد از جمله پودرهای سرامیکی، ورقه های فلزی، اکریلیک و کامپوزیت های شنی استفاده کرد، تا زمانی که بایندر به طور موثر به آنها متصل شود. همچنین سریعتر از سایر فناوری های چاپ سه بعدی است و می تواند از افزودن افزودنی های رنگی پشتیبانی کند. با این حال، از نظر دقت و کیفیت پرداخت سطحی که قابل دستیابی است، محدودیت هایی دارد.

چاپ سه بعدی بر پایه گچ

چاپ سه بعدی مبتنی بر گچ بسیار شبیه به فناوری بستر پودری و سر جوهر افشان (PBIH) است که در بالا توضیح داده شد، تفاوت اصلی این است که ماده مورد استفاده در این مورد گچ است. هد چاپ حاوی مواد بایندر است و بستر چاپگر گچ را به صورت پودر نگه می دارد. همانند پرینت سه بعدی بستر پودری و سر جوهر افشان (PBIH)، این قطعه به صورت لایه‌هایی ساخته می‌شود و پودر گچ اضافی برداشته می‌شود تا قسمت نهایی نمایان شود.

در حالی که این یک فناوری چاپ سه بعدی کم‌هزینه است و می‌تواند از استفاده از افزودنی‌های رنگی پشتیبانی کند، قطعات گچی تولید شده شکننده هستند و بنابراین در کاربردهایی که به استحکام بالا نیاز دارند، مناسب نیستند.

چاپ رنگی جت (CJP)

چاپ رنگ جت (CJP) یک فناوری است که مشابه دیگر فناوری‌های بایندر جت که در بالا ذکر شد، کار می‌کند و از یک عامل برای همجوشی موادی که به شکل پودر هستند، استفاده می‌کند. با چاپColorJet ، لبه بیرونی هر لایه توسط چاپگر رنگ می شود و امکان چاپ قطعاتی که سطوح خارجی آن ها به رنگ های دلخواه است را فراهم می کند.

4- فرآیند فیوژن بستر پودری

فرآیند همجوشی بستر پودر، مانند فرآیندهای جت بایندر، ذرات ماده را به هم متصل می کند، اما به جای استفاده از یک عامل اتصال شیمیایی، این کار را با استفاده از فرآیند حرارتی انجام می دهد. پنج فناوری رایج که بر پایه همجوشی بستر پودری هستند عبارتند از:

• درهم جوشی لیزری انتخابی (SLS)
• در هم جوشی لیزری مستقیم فلزات (DMLS)
• ذوب لیزری انتخابی (SLM)
• ذوب پرتو الکترونی (EBM)
• درهم جوشی حرارتی انتخابی (SHS)

در هم جوشی لیزری انتخابی (SLS)

در پشت سنگ‌های سنگی استریولیتوگرافی، درهم جوشی لیزری انتخابی (SLS)، نوعی فناوری پودر بستر فیوژن است. درهم جوشی فرآیندی است که در آن توده جامدی از مواد در اثر حرارت یا فشار بدون ذوب یا مایع شدن مواد تشکیل می شود. گرما توسط یک لیزر پرقدرت، معمولاً لیزر دی اکسید کربن پالسی (CO ₂ ) تامین می شود. از این فرآیند می توان برای ساخت قطعات کاربردی استفاده کرد.

در SLS، لیزر شکل مورد نظر را لایه به لایه از بستری از پلیمرهای ترموپلاستیک پودری/گرانول خارج می‌کند. همانند استریولیتوگرافی، یک تیغه قطعه کار را برای هر لایه روی سکوی ساخت دوباره می پوشاند. بر خلاف FDM و  SLA، SLS  به ساختارهای پشتیبانی نیاز ندارد زیرا بستر پودری پخته نشده اطراف قطعه کار را احاطه کرده و از هندسه های پیچیده تری پشتیبانی می کند. مواد مورد استفاده در درهم جوشی لیزری انتخابی عبارتند از الاستومرهای ترموپلاستیک برای قطعات لاستیکی مانند یا نایلون/پلی آمید که می توانند با شیشه، فیبر یا سایر مواد افزودنی پر شوند.

درهم جوشی لیزری انتخابی عمدتاً یک تکنیک صنعتی است. برخی از معایب SLS ناشی از دانه دانه بودن سطح است. فرآیند درهم جوشی همچنین تمایل به ایجاد ساختارهای متخلخل بیشتری با حداکثر 30 درصد هوا دارد. ماهیت متخلخل محصولات چاپی SLS بسته به کاربرد می تواند خوب یا بد باشد. مواد متخلخل به راحتی رنگ می شوند و آب کمتری دارند.

ادامه در پست بعدی ...