مقدمه:
چاپ سه-بعدی (۳D printing) شامل مجموعه ای از فرآیندهاست که مواد به صورت کنترل شده‌ای به یکدیگر پیوند داده می‌شود تا یک شی سه-بعدی ساخته شود.
معمولاً اینکار به صورت لایه لایه انجام می‌شود.
اولین تکنولوژی پرینت سه‌بعدی در سال ۱۹۸۰ میلادی مشاهده شد.
دکتر کودامای ژاپنی اولین بار این تکنولوژی را به نام خود ثبت کرد.
در آن زمان این تکنولوژی نمونه‌سازی سریع خوانده می‌شد.
این نام‌گذاری به این دلیل بود که این فناوری در واقع برای ساخت سریع و کم‌هزینهٔ نمونهٔ اولیه برای یک تولید انبوه طراحی شده بود.
سپس چالرز هل در سال ۱۹۸۶ میلادی دستگاه استریولیتوگرافی را به نام خود ثبت کرد.
البته هل دستگاه خود را در سال ۱۹۸۳ اختراع کرده بود و در این مدت در حال تأسیس شرکت ۳D Systemsبود که در آن زمان به نام RP Systems شناخته می‌شد.
هم‌اکنون این شرکت نیز یکی از بزرگترین فعالان حوزهٔ پرینت سه‌بعدی است.
در آنجا بود که اولین نمونه این دستگاه را با نام SLA-1 ساخت و در سال ۱۹۸۷ میلادی آن را معرفی کرد و در سال ۱۹۸۸ به اولین تست موفق دست پیدا کرد.
فروش ویژه صاعقه گیر اکتیو آذرخش
مراحل پرینت سه-بعدی:
با اینکه روش‌های مختلفی برای پرینت سه-بعدی وجود دارد اما مراحل اصلی همه آنها مشترک است:
۱- ساخت فایل سه-بعدی:
اولین مرحله در پرینت سه-بعدی ساخت مدل سه-بعدی آن در رایانه است.
این کار به کمک نرم‌افزارهای مدل‌سازی سه-بعدی یا CAD انجام می‌شود.
از مهندسی معکوس و اسکن سه-بعدی قطعه‌ای که موجود است نیز در بعضی موارد می‌توان استفاده کرد.
۲- ساخت فایل STL مدل:
برای اینکه پرینتر مدل طراحی شده را شناسایی کند باید مدل تبدیل به فرمتی شود که قابل خواندن برای پرینتر باشد.
برای اینکار فایل باید تبدیل به فرمت STereoLithography (STL) شود.
فرمت‌های ۳DP و OBJ نیز با محبوبیت کمتری کاربرد دارند.
فرمت STL برای معرفی مدل به پرینتر از پولیگان‌ها یا مثلث‌ها استفاده می‌کند.
پس از ساخت فایل STL، آن را داخل یک برنامه که عمل لایه لایه سازی فایل را انجام می‌دهد که Slicer نامیده می شود در اصطلاح Import یا واردسازی می‌کنیم.
برنامه Slicer مدل را گرفته و آن را تبدیل به G-code می‌کند.
G-code زبان برنامه‌نویسی دستگاه‌های CNC و پرینترهای سه-بعدی میباشد.
۳-پرینت مدل:
دستگاه‌های مختلف وجود دارند که هر کدام با مکانیزم‌های مختلفی قطعه مدل را پرینت می‌کنند.
۴-جدا کردن قطعه پرینت شده:
در بعضی دستگاه‌ها جدا کردن قطعه کاملاً ساده و بدون مشکل انجام می‌شود.
در بعضی مدل‌های صنعتی تر، این کار یک فرایند کاملاً فنی و دقیق میباشد.
۵-پس-پردازش (Post-Processing):
پس-پردازش در فناوری‌های مختلف با هم تفاوت دارد.
در بعضی موارد قطعه باید زیر اشعه UV به عمل بیایند.
فروش ویژه صاعقه گیر اکتیو آذرخش
انواع پرینتر سه بعدی:
۱-پرینتر سه بعدی SLS
دستگاه پرینتر سه بعدی SLS از دستگاه‌هایی است که به وسیله ماده اولیه پودری شکل به ساخت قطعه می‌پردازد، از این رو پودر پایه است.
سیستمهای مختلفی در یک دستگاه SLS به همراه یکدیگر کار می‌کنند تا قطعه ساخته شود.
قسمت‌های اصلی دستگاه که می‌بایست در کنار هم کار کنند تا قطعه ساخته شود عبارتند از:
-
سیستم اسکن لیزر
-
سیستم های حرارتی
-
سیستم گردش گاز بی اثر
-
سیستم تغذیه پودر
-
سیستم پلاتفورم
-
واحد کنترل (الکترونیک و نرم افزار)
ساخت قطعه در دستگاه SLS به این صورت اتفاق می‌افتد که در ابتدای کار لازم است تا فایل CAD قطعه مورد نظر به دستگاه شناسانده شود.
برای این منظور تا به حال کارهای نرم افزاری زیادی در دنیا انجام شده است.
فایل CAD مورد نظر می‌بایست لایه لایه شود.
برای این کار ابتدا فایل CAD در جهت ترجیحی در دستگاه قرار می‌گیرد و از پایین ترین قسمت قطعه موازی صفحه X-Y صفحاتی از قطعه عبور داده می‌شود و از محل تقاطع این صفحه با لبه‌های جسم مورد نظر کانتور‌های بسته‌ای به دست می‌آیند.
سپس صفحه دیگری بالاتر از صفحه قبلی به اندازه ضخامت یک لایه با جسم قطع داده می‌شود و این کار تا جایی پیش می‌رود که به بالاترین قسمت جسم برسد.
در پایان، تعداد زیادی کانتور‌های بسته که نشان دهنده اطراف جسم هستند به دست می‌آیند.
در ادامه خواهیم دید که این کانتور‌ها محل عبور لیزر را بر روی سطح پودر مشخص می‌کنند.
پس از به دست آمدن کانتور‌ها به ساخت فیزیکی قطعه پرداخته می‌شود.
در این مرحله، ابتدا یک لایه پودر توسط مکانیزم لایه نشانی بر روی سطح پلاتفورم پخش می‌شود.
ضخامت لایه می‌تواند متفاوت باشد اما معمولا عددی در حدود ۱۰۰ میکرون است که با کم و زیاد شدن آن، سرعت و دقت دستگاه کم و زیاد می‌شود.
پس از پخش شدن پودر سطح آن توسط گرمکن‌های تابشی دستگاه تا دمای مشخصی پیشگرم می‌شوند.
(البته این مخصوص دستگاه های SLS پلیمری است، در فرآیند SLS فلزی این پیشگرم به دلایل فنی مورد نیاز نیست.)
سپس طرح مورد نظر که از کانتور‌های دور جسم منشا می‌گیرند توسط سیستم اسکن لیزر بر روی سطح پودر مارک می‌شود.
توان حرارتی لیزر باعث می‌شود که ذرات پودر در نقاط مارک شده به یکدیگر جوش بخورند و یک جسم جامد را تشکیل دهند.
سپس این سیکل تکرار می‌شود و دوباره یک لایه دیگر از پودر بر روی لایه قبلی ریخته می‌شود و این فرآیند تا آخر و ساخت کامل قطعه ادامه پیدا می‌کند.
در مارک کردن لایه بالایی می‌بایست توان لیزر به میزانی باشد که بتوان لایه فوقانی را به لایه تحتانی هم جوش داد تا پیوستگی قطعه حفظ شود.
مزایای پرینتر سه بعدی SLS
-
امکان تولید قطعات کاربردی و عملیاتی
-
استحکام و ضربه پذیری بالای قطعات
-
پایداری حرارتی و شیمیایی بالا
-
زیست سازگاری و کاربرد در تولید گاید ها و مدل های جراحی، پروتز و اورتز و داربست های مهندسی بافت
-
قابلیت ماشینکاری و پولیش و رنگ
-
سرعت بالای تولید قطعات در تیراژ تولید تا ۵۰۰
به صرفه در تولید تیراژ بالاتر نسبت به مابقی روش های پرینت سه بعدی
فروش ویژه صاعقه گیر اکتیو آذرخش
محدودیت های پرینتر سه بعدی SLS
-
هزینه بالا برای کاربرد هایی که نیاز به استحکام مکانیکی بالا ندارند.
-
دقت متوسط این روش نسبت به روش های دقیق تر مثل روش DLP و PolyJet
-
عدم توانایی تولید قطعات به صورت توخالی مانند روش FDM
۲-پرینتر سه بعدی SLA ( دستگاه لیتوگرافی سه بعدی Setereo Lithography Aparatus )
این روش نخستین روش ابداع شده در حوزه ی پرینت سه بعدی می باشد که در سال ۱۹۸۸ میلادی توسط شرکت ۳D SYSTEMS امریکا بر اساس اختراع آقای چارلز هال (Charles Hull) معرفی گردید.
در این روش از رزین فوتوپلیمر برای تولید قطعات استفاده می شود که آن را به صورت انتخابی توسط لیزری با طول موج خاص سفت می کنند.
دستگاه SLA از یک سکوی ساخت تشکیل شده است که قطعه مورد نظر بر روی آن ساخته می شود و در داخل یک مخزن حاوی رزین در جهت عمودی حرکت می کند.
همچنین یک سیستم لیزر در بالای دستگاه قرار دارد که به همراه یک سیستم اسکن لیزر دو بعدی لکه لیزر را بر روی سطح رزین در قسمت مشخص می تاباند و باعث سفت شدن آن و تشکیل قطعه می شود.
قطعه به صورت لایه لایه بر روی هم ساخته می شود و به بالا می آیدو هر لایه در این روش مابین حدود ۷۰ تا ۵۰۰ میکرون قابل تغییر می باشد.
در این روش نیاز است تا در زیر قسمت هایی از قطعه که دارای زاویه منفی باشند، ساپورت گذاری شود که این کار توسط نرم افزار های مربوطه انجام می شود.
نیاز به ساپورت گذاری در این روش برخی محدودیت ها را در قطعات تولیدی ایجاد می کند.
فروش ویژه صاعقه گیر اکتیو آذرخش
مزیت های پرینتر سه بعدی SLA
– دقت ابعادی و صافی سطح خوب
– از این روش می توان در تولید قطعات شفاف استفاده کرد.
– معمولا روش SLA در صنعت بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد و در کنار روش SLS از جمله روش های صنعتی پرینت سه بعدی محسوب می شود.
– از قطعات SLA می توان به صورت غیر مستقیم در تولید قطعات صنعتی نیز بهره جست.
محدودیت های پرینتر سه بعدی SLA
– نیاز به تولید ساپورت برای گرفتن زیر قطعه تولید شده
– از قطعات روش SLA نمی توان به عنوان قطعات نهایی استفاده کرد.
– نیاز است تا قطعه پس از تولید در دستگاه پرینتر سه بعدی برای سفت شدن کامل چند ساعت در معرض اشعه فرابنفش قرار بگیرد.
– عدم امکان استفاده از مواد غیر رزینی پلیمری برای تولید قطعات
۳-پرینتر سه بعدی FDM
این روش یکی از روش های نمونه سازی سریع و پرینت سه بعدی است که در آن برای تولید قطعه از اکسترود کردن فیلامنت هایی از پلیمر و یا موم به قطر حدودی ۱٫۲۵ میلیمتر استفاده می شود.
این اکسترودر بر روی یک میز CNC سه بعدی قرار دارد که در جهت x و y و z حرکت می کند و پلیمر ذوب شده در داخل اکسترودر را، بر روی قطعه می نشاند و بعد از تمام شدن یک لایه به اندازه یک ضخامت لایه به سمت بالا حرکت می کند.
فیلامنت پلیمری در این روش در ابتدا بر روی یک قرقره قرار دارد و در طول ساخت قطعه توسط دو رولر به سمت اکسترودر کشیده می شود و در آن تا دمایی بالاتر از دمای ذوب گرم می شود (که این دما به نوع ماده بستگی دارد).
و هنگامی که بر روی قطعه سرد شده قبلی می نشیند در مدت زمان ۰٫۱ ثانیه منجمد می شود.
مزایای پرینتر سه بعدی FDM
-
ارزان قیمت بودن دستگاه ها و مواد آن
-
توان تولید قطعات بزرگ بدون هدر رفت مقدار زیادی از مواد
-
بعضی از ماشین های FDM به صورت بزرگ و در مقیاس صنعتی دارای کاربرد های صنعتی هستند.
محدودیت های پرینتر سه بعدی FDM
-
نیاز به ساپورت
-
توان تولید فقط با استفاده از برخی مواد پلیمری
-
دقت ابعادی و صافی سطح نا مناسب برای کاربرد های صنعتی
-
خواص مکانیکی پایین قطعه علی الخصوص در جهت عمودی
۴-پرینتر سه بعدی Multi Jet Fusion شرکت HP
این فناوری از سال ۲۰۱۵ به بازار معرفی شده است و شرکت HP که در زمینه پرینتر های دو بعدی کاغذی شهرت بین المللی دارد وارد عرصه پرینت سه بعدی شده است.
این ورود یک تحویل در فناوری پرینت سه بعدی است.
فناوری Multi Jet Fusion تا حد زیادی شبیه به روش SLS می باشد در دسته بندی گداخت بستر پودری (Powder Bed Fusion) قرار می گیرد.
در این روش به جای اینکه از یک لیزر برای جوش داد ذرات پودر به یکدیگر استفاده شود از هیتر های تابشی، علاوه بر پیشگرم برای ذوب نیز استفاده می شود.
در این روش پس از انجام لایه نشانی پودر و پیش گرم، ماده ای شبیه جوهر به نام Fusing Agent بر روی قسمت هایی از سطح پودر که به قطعه تبدیل می شوند پاشیده می شود.
این ماده به شکل مایع بوده و توسط هد های InkJet بر روی سطح پودر نشانده می شود.
این ماده به رنگ سیاه بوده و به گونه ای طراحی شده است که انرژی حرارتی تابشی را بر مابقی قسمت ها بیشتر جذب کرده و موجب ذوب ماده در قسمت هایی می شود که این ماده بر روی آن قرار دارد.
برای جلوگیری از نفوذ حرارت به حاشیه قطعه بر روی حاشیه بیرونی قطعات ماده دیگری به نام Detailing Agent پاشیده می شود که ضریب جذب کمتری از خود ماده پلی آمید داشته و باعث می شود لبه های قطعه به صورت تیز در آید و کیفیت سطحی بهبود یابد.
فروش ویژه صاعقه گیر اکتیو آذرخش
۵-پرینت سه بعدی (۳D Printing) یا روش BinderJetting
با اینکه به صورت اصطلاحی به تمام روش های پرینت سه بعدی، چاپ سه بعدی هم گفته می شود، اما در اصل چاپ سه بعدی خود یک روش جداگانه از روش های پرینت سه بعدی می باشد و برای خود دارای هویت جداگانه ای می باشد.
این روش برای اولین بار توسط محققان موسسه فناوری ماساچوست، MIT، ابداع شد.
در این روش یک قطعه به صورت سه بعدی پرینت می شود درست شبیه روشی که در پرینتر های کاغذ جوهر افشان استفاده می شود.
در این روش یک لایه از پودر توسط یک مکانیزم لایه نشانی بر روی سکوی ساخت دستگاه پخش شده و سپس، مطابق با شکل قطعه در آن لایه از روی فایل CAD لایه لایه شده یک هد پرینتر جوهر افشان در نقاط مورد نظر به جای جوهر مقداری چسب بر روی پودر می ریزد و این باعث می شود که در آن نقاط ذرات پودر به یکدیگر بچسبند و تشکیل جسم صلب بدهند و در نقاط دیگر پودر دست نخورده باقی بماند.
در این روش پودر های دست نخورده باقی مانده همچنین نقش ساپورت برای لایه های بالایی را ایفا کرده و دیگر به تولید ساختار ساپورت جداگانه وجود ندارد.
پس از تولید کامل قطعه تا آخر آن را از میان بقیه پودر های دست نخورده خارج می کنند و معمولا برای اینکه چسب مورد نظر بهتر چسبندگی داشته باشد، عملیات حرارتی بر روی آن انجام می شود.
مزایای روش چاپ سه بعدی
-
از دامنه وسیعی از مواد می توان به کمک آن به تولید قطعه پرداخت
-
می توان با استفاده از یک هد جوهر افشان رنگی، به وسیله این روش قطعات چند ماده ای و چند رنگ تولید کرد.
-
قطعات تولید شده به وسیله ماده آردی شکل دارای قیمت بسیار پایینی هستند.
-
همچنین از این روش می توان در تولید قطعات فلزی به شکل نهایی به صورت غیر مستقیم استفاده کرد.
۶-پرینتر سه بعدی DDM ( تولید ته نشینی قطرات، Droplet Deposition Manufacturing)
این روش با نامهای دیگری مانند DWax نیز شناخته می شود.
در این روش معمولا از ماده مومی شکل برای تولید قطعات استفاده می شود.
یک نازل که بر روی یک میز CNC دو بعدی سوار شده است موم را ذوب کرده و به صورت قطعات بسیار ریزی تبدیل می کند و آن ذرات را بر روی لایه قبلی می نشاند.
قطر ذرات هم اندازه هستند و حدود ۷۰ میکرون می باشند.
این روش همان روشی است که توسط شرکت SolidScape استفاده می شود و پرینتر های مومی کوچک و رومیزی را تولید می کند.
به دلیل دقت بسیار خوب و صافی سطح عالی، امروزه این روش بیشتر برای تولید مدل مومی جهت استفاده در ریخته گری دقیق و تولید جواهرات و قطعات ایمپلنت های دندانی بیشتر کاربرد دارد.
ولی این روش به دلیل سرعت پایین، قادر به تولید قطعات بزرگ نمی باشد و از این رو برای تولید قطعات ظریف و کوچک از آن بهره گرفته می شود.
فروش ویژه صاعقه گیر اکتیو آذرخش
۷-پرینتر سه بعدی Polyjet
این روش از جهتی به روش SLA و از جهتی به روش DDM شباهت دارد.
در این روش از نازل هایی استفاده می شود که به جای ریختن مذاب موم، قطرات رزین فوتوپلیمر را بر روی لایه قبلی می ریزد.
دقیقا پس از ریختن قطرات رزین فوتوپلیمر، در معرض نور یک لامپ فرابنفش که در آن جا همواره روشن است قرار گرفته و سفت می شود و قطعه مورد نظر را تشکیل می دهد.
این دستگاه ها دارای دقت بسیار بالایی می باشند و در تولید قطعات ظریف بسیار خوب عمل می کنند ولی نمی توان از قطعات آن برای تولید مدل ریخته گری دقیق استفاده کرد.
نکته ای که در رابطه با این روش وجود دارد قیمت بالای رزین مورد استفاده در این روش است.
این دستگاه همچنین قابلیت تولید قطعات چند ماده ای را دارد و نازل چندگانه دستگاه می تواند رزین از جنس های مختلف را در نقاط مختلف بریزد.
همچنین این دستگاه برای تولید ساپورت هم از یک رزین جداگانه استفاده می کند که بعدا به وسیله فشار آب از بین می رود.
فروش ویژه صاعقه گیر اکتیو آذرخش
۸-پرینتر سه بعدی DLP ( پردازش دیجیتالی نور، Digital Light Processing)
از این روش نیز مانند روش DDM در تولید قطعات ظریف و برای استفاده به عنوان مدل مورد استفاده در ریخته گری دقیق استفاده می شود.
این روش بر مبنای استفاده از بورد های الکترونیکی DLP می باشد.
این بورد ها در دهه ۸۰ میلادی با استفاده از سیستم های MEMS اپتیکی در شرکت Texas Instruments شکل گرفت.
و از آنها در نمایشگر ها، تلویزیون ها و پروژکتور ها استفاده می شد.
و اساس آن بر این است که تعداد زیادی آینه میکرونی بر روی بورد DLP واقع شده اند که می توانند تغییر جهت دهند و نور را به نقطه مورد نظر برسانند.
از این سیستم در سیستم های پرینت سه بعدی برای سفت کردن رزین مانند روش SLA استفاده می شود.
این روش دارای دقت بالایی بوده و می توان قطعات بسیار ظریفی را برای استفاده در جواهر سازی تولید کند.
فروش ویژه صاعقه گیر اکتیو آذرخش
۵-پرینتر سه بعدی LOM (تولید اشیا لایه لایه، Laminated Object Manufacturing )
این روش برای اولین بار توسط شرکت Helisys معرفی شد.
و با حمایت مالی بنیاد ملی علوم امریکا(National Science Foundation – NSF) به تجاری سازی رسید.
در این روش برای تولید قطعه به صورت لایه لایه از یک رول استفاده می شود که این رول می تواند از جنس:
پلاستیک،
کاغذ،
سلولوز،
فلز یا روق های کامپوزیت باشد.
