خدمات پرینت سه بعدی

پرینت سه بعدی از تکنولوژی های جدیدی است که در چند سال اخیر با سرعت بسیار زیادی در حال رشد بوده و هر روز شاهد نوآوری هایی در افزایش سرعت، افزایش کیفیت و انواع پرینتر های سه بعدی هستیم. در این مطلب می خواهیم بیشتر شما را با فرایند و خدمات پرینت سه بعدی فلزی و انواع پرینترهای موجود در بازار آشنا کنیم پس با ما همراه باشید.

معمولا پرینت یا چاپ سه بعدی به صورت لایه لایه و اصطلاح به صورت افزایشی صورت می گیرد. یعنی در پرینت سه بعدی بر خلاف روش سی ان سی (CNC) که به صورت کاهشی است ( یعنی لایه ها برداشته می شوند) لایه ها روی هم قرار گرفته و آبجکت یا شکل سه بعدی مورد نظر ساخته می شود. چاپ سه بعدی یا تکنولوژی ساخت افزایشی، فرایند ساخت اشیائ از مدل سه بعدی کد یا مدل سه بعدی دیجیتالی است. در این فرایند مواد به صورت لایه لایه به روی هم قرار گرفته و ادغام می شوند. از مزیت های چاپ سه بعدی امکان تولید اشکال یا هندسه های بسیار پیچیده است که ساختن آنها با دست امکان پذیر نیست.

تاریخچه پرینت سه بعدی 

اولین فناوری چاپ سه‌بعدی در سال ۱۹۸۰ به وجود آمد. دکتر کودامای ژاپنی اولین بار این فناوری را به نام خود ثبت کرد. در آن زمان این فناوری نمونه سازی سریع خوانده می‌شد، این نام‌گذاری به این دلیل بود که این فناوری در واقع برای ساخت سریع و کم‌هزینه ی نمونه ی اولیه (پروتوتایپ) برای 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 3D Systems بود که در آن زمان به نام RP Systems شناخته می‌شد و هم‌اکنون نیز یکی از بزرگترین فعالان حوزهٔ چاپ سه‌بعدی است. در آنجا بود که اولین نمونهٔ این دستگاه را با نام SLA-1 ساخت و در سال ۱۹۸۷ میلادی آن را معرفی کرد و در سال ۱۹۸۸ اولین نمونه آن با موفقیت آزمایش شد.

در همان زمان‌ها کارل دکارد که در دانشگاه تگزاس مشغول بود در سال ۱۹۸۷ فرایند نمونه‌سازی فوری با پخت لیزری قابل انتخاب را با نام خود ثبت کرد. این ثبت اختراع در سال ۱۹۸۹ میلادی انجام شد و مجوزش به DTM Inc داده شد که بعدها نیز توسط 3D Systems خریداری شد.

در همان سال ۱۹۸۹ میلادی اسکات کرامپ، یکی از مؤسسان Stratasys Inc ثبت اختراع دستگاه مدل‌سازی لایه‌های مذاب را اعلام کرد و از آن برای محصولات شرکت استفاده کرد. البته این فناوری هم‌اکنون به‌صورت مدل متن‌باز رِپ‌رَپ (RepRap) بسیار فعال است.

اصطلاح «پرینت یا چاپ سه‌ بعدی» (اختصاراً 3DP) نخست به فرایند ویژه‌ای تخصیص یافت که توسط دانشمندان دانشگاه ام‌آی‌تی در سال ۱۹۹۳ (۱۳۷۲ش) ثبت اختراع شد و سپس طی قراردادهایی اجازه استفاده از آن به کارخانه‌داران زیادی واگذار شد. امروزه این اصطلاح به‌مثابهٔ یک عنوان عام برای شماری از فرایندهای مرتبط نیز استفاده می‌شود.

انواع روش های مورد استفاده در خدمات پرینت سه بعدی

خدمات پرینت سه بعدی که در حال حاضر به واحدهای تولیدی، طراحان صنعتی، معماران، قالبسازان و …خدمات ارائه می دهند معمولا از روش هایی استفاده می کنند که هزینه هایی معقولی داشته باشند و این خدمات و روش های پرینت با تکنولوژی ها و روش های پرینتی که در شرکت های بزرگ مورد استفاده قرار می گیرند متفاوت است. روشی که به منظور پرینت سه بعدی محصولات استفاده می شود، در هزینه سفاش پرینت سه بعدی تاثیر می گذارد. در ادامه این مطلب انواع روش های پرینت سه بعدی که در خدمات پرینت سه بعدی در بازار استفاده می شود را توضیح خواهیم داد.

پرینت سه بعدی Fused Deposition Modeling) FDM)

FDM یکی از انواع روش های پرینت سه بعدی و ارزانترین روش استفاده شده در خدمات پرینت سه بعدی است که از یک رشته مواد ترموپلاستیک به نام فیلامنت استفاده می کند. (فیلامنت چیست) این رشته یا فیلامنت (Filament) از طریق یک اکسترودر در حال حرکت و گرم از یک قرقره بزرگ تغذیه می شود. فیلامت ذوب شده و لایه لایه روی هم قرار می گیرد. انتهایی ترین بخش اکسترودر نازل (Nozzle) نام دارد که در دو بعد حرکت می کند تا یک لایه را پرینت کند. سپس با جابجایی در حور Z  یا همان ارتفاع لایه بعدی شروع می شوددر هنگام حرکت در محور Z  برای شروع لایه جدید فرایند اکسترود متوقف می شود و دوباره با شروع لایه جدید آغاز می شود. سَری پرینت سه بعدی یا اکسترودر بخشی است که فیلامنت در آن ذوب شده و به صورت ادامه دار از بخش نازل خارج می شود. فیلامنت های مورد استفاده برای پرینت تنوع زیادی دارند مانند: آکریلونیتریل بوتادین استایرن ABS، پلی لاکتیک اسید PLA، پلی استایرن HIPS، پلی اورتان ترموپلاستیک TPU و پلی آمیدهایی مانند نایلون Nylon. شما می توانید با خرید فیلامنت دلخواهتان محصولات خود را به طور سه بعدی پرینت کنید. انواع روش های پرینت سه بعدی

تاریخچه پرینت سه بعدی fdm

 FDMتوسط  S. Scott Crump، مؤسس Stratasys در سال 1988 توسعه یافت. با اتمام تاریخ انقضای حق امتیاز این تکنولوژی در سال 2009، هر شخصی می می تواند بدون نیاز به پرداخت هزینه ای به Stratasys، از این تکنولوژی استفاده کند. این مسئله سبب افت قیمت این تکنولوژی نیز شده است. با این حال Stratasys همچنان صاحب امتیاز نام تجاری FDM است.

 FDMدر حال حاضر محبوب ترین روش و یکی از ارزانترین روش ها برای استفاده در خدمات پرینت سه بعدی است. روش های دیگری غیر از FDM هستند که نتایج بهتری می دهند اما بسیار گران و پر هزنیه هستند به همین خاطر بیشترین سهم بازار خدمات پرینت سه بعدی به همین روش اختصاص دارد.

هزینه ی پرینت سه بعدی fdm

از سال 2010 هزینه پینت سه بعدی به طرز چشم گیری کاهش پیدا کرده است. دستگاه هایی که نزدیک به 20000 دلار قیمت داشتند؛ اکنون به زیر 1000 دلار کاهش پیدا کرده اند. پروژه ی منبع باز Fab@Home پرینترهایی را برای مصارف عمومی با ه چیزی که قابلیت اکسترود شدن داشته باشد، توسعه داده است؛ از شکلات گرفته تا درزگیرهای سیلیکونی و واکنش دهنده های شیمیایی. پرینترهای مابعد طرح های پروژه، از سال 2012 در قالب کیت یا به صورت از پیش مونتاژ شده با قیمت 2000 دلار در دسترس هستند.

پرینترهای LulzBot 3D از شرکت Aleph Objects نمونه ی دیگری از کاربرد منبع باز تکنولوژی FFF است. این پرینتر در حال حاضر تنها مورد موجود در بازار است که از بنیاد Free Software گواهی “Respects your freedom.” یا “به آزادی شما احترام می گذارد.” دریافت کرده است.

متریال پرینت سه بعدی fdm

پلاستیک متداول ترین متریال پرینت سه بعدی از طریق FFF و سایر انواع EAM است. پلیمرهای متنوعی ممکن است مورد استفاده قرار بگیرند از جمله: ABS، PLA، PC، HDPE، PETG، PPSU و HIPS. به طور کلی، پلیمر نوعی فیلامنت ساخته شده از رزین بکر است. به علاوه، فلوروپلیمرها مانند لوله های PTFE به دلیل مقاومت حرارتی بالا در این پروسه مورد استفاده قرار می گیرند. این قابلیت به ویژه در انتقال فیلامنت بسیار مفید است.

چندین کلاس متریال را می توان اکسترود و پرینت سه بعدی کرد:

• پلیمرهای ترموپلاستیک که معمول ترین کاربرد FDM است.
• متریال کامپوزیتی با ماتریکس پلیمری و فیبرهای سخت کوتاه با بلند.
• دوغاب های سرامیکی و خاک رس که اغلب در ترکیب با روش روبوکستینگ استفاده می شوند.
• مخلوط های سبز پودرهای فلزی یا سرامیکی و چسب های پلیمری که در EAM فلز و سرامیک مورد استفاده قرار می گیرند.
• خمیرهای غذایی.
• خمیرهای بیولوژیکی مورد استفاده در بایوپرینتینگ.

بیشتر بخوانید…

پرینت سه بعدی SLA یا استریولیتوگرافی

تکنولوژی پرینت سه بعدی SLS

تکنولوژی SLS، یکی دیگر از تکنیک های خدمات پرینت سه بعدی است که از لیزر برای پخت متریال (معمولا نایلون یا پلی امید) استفاده می کند؛ لیزر بر اساس مدل سه بعدی و به طور خودکار، نقاطی از متریال را مورد هدف قرار می دهد، آن ها را به یکدیگر پیوند زده و به یک ساختار جامد تبدیل می کند. این تکنیک به SLM (Selective laser melting) شباهت دارد و تنها در جزئیات تکنیکی با یکدیگر تفاوت دارند. تکنولوژی SLS و روش پرینت سه بعدی دیگری که به آن اشاره شد؛ تکنولوژی های نسبتا جدیدی هستند و تا به حال عمدتا به منظور ساخت پروتوتایپ و نمونه سازی مورد استفاده قرار گرفته اند.

تاریخچه پرینت سه بعدی SLS

تکنولوژی SLS توسط دکتر Carl Deckard و مشاور آموزشی، دکتر Joe Beaman در دانشگاه تگزاس در آستین و تحت حمایت DARPA در سال های میانی دهه 1980 توسعه پیدا کرد و ثبت شد. Deckard و Beaman در راه اندازی استارت آپ DTM، کمپانی طراحی و تولید دستگاه های SLS، نقش داشتند. در سال 2001، 3D Systems، بزرگترین رقیب DTM و تکنولوژی SLS، DTM را خریداری کرد.

با توجه به نیاز SLS به استفاده از لیزرهای پر قدرت، این تکنیک اغلب کمی پر هزینه است و استفاده از آن در محیط خانه، کمی هم خطرناک است. خطرساز بودن این تکنولوژی به معنای کوچک تر بودن بازار مصرف خانگی آن نسبت به سایر روش های پرینت سه بعدی مانند FDM است.

تکنولوژی SLS

SLS که یکی از تکنیک های تکنولوژی AM است که شامل استفاده از لیزرهای پر قدرت (برای مثال لیزر کربن دی اکسید) جهت پخت ذرات کوچک پودر پلاستیک، فلز، سرامیک و یا شیشه و تبدیل آن ها به قطعات سه بعدی جامد است. لیزر با توجه به دستور دیجیتال مدل سه بعدی (برای مثال فایل CAD یا داده های اسکن شده) قسمت های متریال پودری را انتخاب می کند و به آن ها حرارت می دهد. پس از اسکن، بستر پرینت یک لایه پایین تر می آید و لایه ی جدیدی از متریال بر روس سطح قرار می گیرد. و این روند تا کامل شدن قطعه ادامه می یابد.

متریال پرینت سه بعدی SLS

کیفیت قطعه ی پرینت شده sls به عوامل مختلفی بستگی دارد؛ مانند ویژگی های پودر از جمله ابعاد و شکل ذرات، انسجام، سختی و تخلخل. به علاوه، توزیع ذرات و خصوصیات حرارتی آن ها تأثیر زیادی بر قابلیت جریان پودر دارد.

متریال های SLS موجود در بازار، به شکل پودر و شامل پلیمرهایی چون PA، PS، TPE و PAEK هستند، در عین اینکه به این موارد محدود نیستند. پلی آمید ها به علت قابلیت سینترینگ (پخت) ایده آل شان به عنوان یک ترموپلاستیک نیمه کریستالی، رایج ترین متریال SLS هست و قطعاتی با خواص مکانیکی مطلوب به دست می دهد. پلی کربنات به علت سختی بالا، مقاومت در برابر شعله و پایداری حرارتی از متریال های مورد توجه SLS است؛ گرچه استفاده از چنین پلیمرهای آمورفی در SLS، قطعاتی با خواص مکانیکی و دقت نزول یافته به دست می دهد از همین رو در کاربردهای کم اهمیت مورد استفاده قرار می گیرند. از زمان توسعه ی SLM، متریال های فلزی در تکنولوژی SLS استفاده نمی شوند.

تولید پودر

ذرات پودر معمولا با آسیاب برودتی در دمایی کمتر از دمای انتقال شیشه ای متریال تولید می شوند. می توان این فرایند را با اضافه کردن مواد برودتی مانند یخ خشک یا ترکیبی از نیتروژن مایع و حلال های ارگانیک اجرا کرد. نتیجه ی این فرآیند می تواند ذرات گرد و یا نامنظم با قطری کمتر از 5 میکرون باشد. اندازه ی ذرات پودر طیف 15 تا 100 میکرون دارد و می تواند متناسب با ضخامت لایه ها باشد. پوشش های چسبی شیمیایی می توانند پس از فرآیند به سطح پودر اضافه شوند. این پوشش ها در طی فرایند سینترینگ کمک کننده هستند؛ به ویژه برای تشکیل قطعات مواد کامپوزیتی، مانند ذرات آلومینا پوشش داده شده با رزین اپوکسی ترموپلاستیک.

مکانیزم سینترینگ

در پرینت سه بعدی SLS، سینترینگ در مرحله ی اول، در حالت مایع رخ می دهد؛ هنگامی که ذرات پودر یک لایه ی ذوب میکرو در سطح تشکیل می دهند؛ که در نتیجه ی آن ویسکوزیته کاهش می یابد و یک پل مقعر بین دو ذره ایجاد می شود که تحت عنوان ‘Necking’ شناخته می شود و واکنش ذرات به کاهش انرژی سطح است. در مورد پودرهای روکش شده، هدف لیزر ذوب روکش ذرات است که سپس مانند چسب عمل می کنند. سینترینگ جامد نیز یکی از عوامل مؤثر است، که در دمای کمتر از نقطه ی ذوب متریال رخ می دهد. مجددا، هدف این پروسه نیز تحریک متریال به کاهش انرژی آزاد خود و نتیجتا انتشار مولکول ها در بین ذرات است.

تکنولوژی پرینت سه بعدی فلز SLM

متریال های پرینت سه بعدی فلزی

آلومینیوم از متداول ترین و پر مصرف ترین متریال های پرینت س بعدی فلزی است که اغلب در قالب الیاژ مورد استفاده قرار می گیرد. آلومینیوم در عین سبک بودن، مقاومت خوبی نیز از خود نشان می دهد. اغلب در مواردی که کاهش وزن محصول از اهمیت برخوردار است، مانند صنایع هواپیمایی و خودرو به کار برده می شود. در خدمات پرینت سه بعدی فلزی، فولاد نیز در کاربردهای صنعتی از محبوبیت بالایی برخوردار است. فولاد خواص مکانیکی قوی و سطح فینیش خوبی را ارائه می دهد. از همین رو، این فلز محبوب ترین فلز مورد استفاده در پرینت سه بعدی است.

علاوه بر این، فلزاتی مانند گالیوم، کبالت کروم برای مصارف پزشکی و تیتانیوم به دلیل مقاومت خوب در برابر خوردگی و سازگاری زیستی برای کاربردهای پزشکی مورد استفاده قرار می گیرند.

فلزات گران قیمت اغلب در جواهرات استفاده می شود. علیرغم هزینه بالا، طلا ، نقره و برنز همه با پرینت سه بعدی برای ساخت قطعات پیچیده جواهرات استفاده می شوند. چالش این موارد در فینیش آن ها است.

کاربردهای پرینت سه بعدی فلزی

خدمات پرینت سه بعدی فلزی در حال حاضر برای ایجاد قطعات یا محصولات نهایی در صنایعی مانند هوافضا و خودرو استفاده می شود. پرینت سه بعدی قادر به تولید اجزای هواپیما یا موتورهای موشک با وزن و هزینه ی کمتر است. پرینت سه بعدی فلزی همچنین در بخش پزشکی برای ایجاد ایمپلنت های مورد نیاز تحلیل و آنالیز، به ویژه در دندانپزشکی، کاربرد دارد. حتی می توان از پرینت سه بعدی فلزی در بخش دریایی برای طراحی ملخ های قایق استفاده کرد!