راهنمای جامع پرینت سه بعدی – فرآیندهای پرینت سه بعدی

فرآیندهای پرینت سه بعدی

در قسمت سوم از راهنمای جامع چاپ سه بعدی با تکنولوژی پرینت سه بعدی آشنا شدید.در این قسمت چهارم با فرآیندهای پرینت سه بعدی آشنا خواهید شد.با نیکانو همراه باشید.

استریولیتوگرافی

راهنمای جامع پرینت سه بعدی - فرآیندهای پرینت سه بعدی(بخش اول)

استریولیتوگرافی (SL) عموما بعنوان اولین فرآیند پرینت سه بعدی شناخته می‌شود؛ و قطعا اولین روشی است که تجاری شد. SL فرآیندی لیزری است که با رزینهای فوتوپلیمری کار می‌کند که در برابر لیزر واکنش می‌دهند و عمل‌آوری می‌شوند تا خیلی درست و دقیق جامد شوند و قطعاتی بسیار دقیق تولید کنند. این مسیر فرآیندی پیچیده است، اما به بیان ساده رزین فوتوپلیمر در ظرفی نگهداری می‌شود که کفهٔ داخلی آن متحرک است. پرتوی لیزر در جهت محورهای X و Y در سطح رزین مایع و مطابق با داده‌های سه‌ بعدی حرکت می‌کند که در اختیار پرینتر سه بعدی قرار گرفته‌اند (فایل .stl)، و دقیقا در مکانی که لیزر به سطح رزین می‌تابد سطح رزین سخت می‌شود. وقتی یک لایه کامل شد، کفهٔ متحرک موجود در ظرف حاوی رزین (در جهت محور Z) اندکی پایین می‌رود و لایه بعدی با لیزر پیاده می‌شود. این روند ادامه می‌یابد تا کل شی تکمیل شود و بعد کفهٔ ظرف بالا می‌آید و از ظرف خارج می‌شود تا شی مورد نظر خارج شود.
بدلیل ماهیتِ فرآیندِ SL، بخشهایی از این قطعات به ساختارهای حمایتی(Support) نیاز دارند، خصوصا بخشهایی که به قسمتی از بخشهای فوقانی تکیه دارند یا بخشهایی که از قسمتهای زیرین جدا هستند. این ساختارها باید بصورت دستی خارج شوند.
در رابطه با مراحل عمل آوری ثانویه، بسیاری از اشیایی که بصورت سه بعدی و با استفاده از SL چاپ می‌شوند باید تمیز و عمل‌آوری شوند. این عمل‌آوری عبارت است از تابش نور شدید به قطعهٔ ساخته شده در ماشینی شبیه به فر تا به این ترتیب رزین کاملا سخت شود.
استریولیتوگرافی کلا بعنوان یکی از دقیقترین فرآیندهای پرینت سه بعدی محسوب می‌شود که در قطعات حاصله سطوح بسیار دقیقی شکل می‌گیرند. اما عوامل محدود کنندهٔ آن عبارتند از:ضرورتِ مراحل عمل‌آوری پس از ساخت و نیز ثبات و استحکام قطعات با گذشت زمان، چرا که ممکن است شکننده‌تر شوند.

DLP

راهنمای جامع پرینت سه بعدی - فرآیندهای پرینت سه بعدی(بخش اول)

DLP (پردازش با نور دیجیتال) فرآیند پرینت سه بعدی است و چون با فوتوپلیمرها کار می‌کند به فرآیند استریولیتوگرافی شباهت دارد. تفاوت عمده آنها منبع نور است. DLP از منبع نور متداولتری مثل یک لامپ الکتریکی استفاده می‌کند، البته همراه با یک صفحه نمایش کریستال مایع یا آینه‌ای با قابلیت تغییر شکل (DMD) که برای تابش بر کل سطح ِظرف حاوی رزین فوتوپلیمری در طی یک تابش استفاده می‌شود و باعث می‌شود این فرآیند از SL سریعتر باشد.
DLP همانند SL قطعاتی بسیار دقیق با ظرافتی بسیار عالی تولید می‌کند، ‌اما از شباهتهای آنها می‌توان به این موضوع نیز اشاره کرد که مانند SL به ساختارهای حمایتی و مراحل عمل‌آوری ثانویه نیاز دارد. اما، برتری DLP نسبت به SL این است که ظرف رزینی کم عمقی نیاز است و به این ترتیب فرآیند چاپ را تسهیل می‌کند، که به اتلاف کمتر و هزینهٔ اجرای پایین‌تری نیز منجر می‌‌شود.

ذوب لیزری/ تَف‌جوشی لیزری Laser Sintering / Laser Melting

راهنمای جامع پرینت سه بعدی - فرآیندهای پرینت سه بعدی(بخش اول)

ذوب لیزری یا تَف‌جوشی لیزری اصطلاحاتی معادل یکدیگر هستند که به نوعی فرآیند پرینت سه بعدی لیزری اشاره دارند که با مواد پودر شده کار می‌کند. مطابق با داده‌های سه بعدی عرضه شده به این دستگاه، در امتداد محورهای X و Y در سراسر بستری پودری و حاوی مواد پودری بسیار فشرده لیزر تابیده می‌شود. ضمن بروز واکنش بین لیزر و سطح پودر این ذرات بصورت تفدیده با هم جوش می‌خورند یا در هم ادغام می‌شوند و جامد می‌شوند. با کامل شدن هر لایه کفهٔ ظرفِ حاوی پودر تدریجا پایین می‌رود و قبل از تابش بعدی لیزر روی لایهٔ بعدی، یک غلتک سطح پودر موجود بر روی بستر را صاف می‌کند، و به این ترتیب لایه بعدی تشکیل می‌شود و با لایه قبلی ادغام می‌شود.
اتاقک ساخت کاملا نفوذناپذیر است چون حفظ دمایی بخصوص در حین این فرآیند کاملا ضروری است، یعنی دمایی که مختص به نقطه ذوب پودر ِمورد نظر است. وقتی فرآیند چاپ تمام می‌شود، کل بستر پودری از دستگاه خارج می‌شود و پودر اضافی دور ریخته می‌شود تا قطعات «چاپ شده» باقی بمانند. یکی از امتیازات اصلی این فرآیند این است که این بستر پودری خودش ضمن کار بعنوان ساختار حمایتی برای بخشهایی عمل می‌کند که به قسمتی از بخشهای فوقانی تکیه دارند یا از قسمتهای زیرین جدا هستند، و بنابراین اشکال پیچیده‌ای که تولیدشان به هیچ روش دیگری میسر نیست با این فرآیند تولید می‌شوند.
اما، نقطه ضعفش این است که بدلیل دمای بالایی که برای تَف‌جوشی لیزری مورد نیاز است، زمان سرد شدن خیلی طول می‌کشد. بعلاوه، در این فرآیند ایجاد تخلخل همیشه مسئله بوده‌است، و هرچند در رابطه با ساختِ قطعاتِ کاملا متراکم پیشرفتهای قابل توجهی صورت گرفته‌است، در برخی برنامه‌های کاربردی هنوز هم نفوذ ماده‌ای دیگر به منظور بهبود ویژگیهای مکانیکی جسم حاصل ضرورت دارد.
روش تَف‌جوشی لیزری میتواند مواد فلزی و پلاستیکی را عمل‌آوری کند، هرچند تَف‌جوشی فلز به لیزری بسیار قدرتمندتر و ایجادِ دمای بالاتری در ضمن کار نیاز دارد. قطعاتی که به این روش تولید می‌شوند از قطعات ساخته شده با SL یا DLP خیلی محکمتر هستند، هرچند ظرافت و دقت موجود در سطح قطعات در این روش به کیفیت روشهای قبلی نیست.

خروج فشاری/FDM/FFF

راهنمای جامع پرینت سه بعدی - فرآیندهای پرینت سه بعدی(بخش اول)

پرینت سه بعدی با استفاده از ماده پلاستیک حرارتی بی‌شک متداولترین و شناخته شده‌ترین فرآیند پرینت سه بعدی است. محبوبترین نام برای این فرآیند «مدلسازی به روش رسوبِ جوش خورده» (FDM) است، اما بدلیل تازگی این فرآیند این نام یک نام تجاری است که توسط شرکتی به نام Stratasys ثبت شده‌است که اساسا ابداع کنندهٔ این روش محسوب می‌شود.
فناوری FDM که در شرکت Stratasys شکل گرفت، از اوائل دهه 1990 به کار برده می‌شود و امروزه یک فرآیند پرینت سه بعدی از نوع صنعتی محسوب می‌شود. اما، گسترش پرینترهای سه بعدی سری entry-level که از سال 2009 ظاهر شده‌اند نیز عمدتا از روند مشابهی استفاده می‌کند که کلا «ساخت بدون شکل» (FFF) نامیده می‌شود، اما از آنجائیکه مجوز ثبت اختراع هنوز به Stratasys تعلق دارد این کار به شکلی ابتدایی انجام می‌شود. اولین دستگاه‌های RepRap و تمام تکاملهای بعدی (منبع باز و تجاری) از روش خروج فشاری استفاده می‌کنند. اما، پس از اینکه Stratasys در رابطه با تخطی نسبت به حق اختراع انحصاری خود بر علیه Afinia شکایت کرد، این پرسش مطرح می‌شود که با توجه به اینکه همه دستگاهها در رابطه با تخطی از حق اختراع انحصاری بصورت بالقوه در خط آتش Stratasys قرار دارند، پس اکنون قسمتِ enrty-level در بازار چگونه توسعه خواهد یافت.
این فرآیند با ذوب رشتهٔ پلاستیکی انجام می‌شود که از طریق خروجی فشاری گرم این رسوب گذاری انجام می‌شود و هر بار یک لایه ساخته می‌شود که مطابق با داده‌های سه بعدی عرضه شده به چاپگر روی بستر ساخت ریخته می‌شود. هر لایه همزمان با رسوب گذاری سخت می‌شود و به لایه قبلی متصل می‌شود.
Stratasys مجموعه‌ای از مواد صنعتی اختصاصی را برای فرآیندهای FDM خودش ساخته‌ است که برای برخی برنامه‌های کاربردی ِتولیدی مناسب هستند. در بخش مربوط به entry-level در بازار، مواد اولیه محدودتر هستند، اما این مجموعه نیز در حال افزایش است. متداولترین مواد اولیه برای پرینترهای سه بعدی سری entry-level از نوع FFF عبارتند از ABS و PLA.
فرآیندهای چاپ FDM/FFF در هر برنامه کاربردی که اَشکالی با بخشهایی جدا از قسمتهای زیرین دارند به ساختارهای حمایتی نیاز دارند. در FDM این مسئله مستلزم ماده‌ای ثانویه و محلول در آب است که باعث می‌شود پس از تکمیل کار این ساختارهای حمایتی(Support) به راحتی با آب شسته شوند. در حالت دیگر، امکان استفاده از مواد حمایتی شکستنی هم وجود دارد، که از طریق خرد کردن بصورت دستی از قطعه اصلی جدا می‌شوند. ساختارهای حمایتی (یا فقدان آنها) عموما محدودیتی برای پرینترهای سه بعدی سری entry-level از نوع FFF بوده‌ است. اما، همزمان با تکامل و بهبود سیستمها در جهت استفاده از منافذ خروجی فشاری دوگانه، این مشکل کاهش می‌یابد.
فرآیندِ FDM از شرکت Stratasys از نظر مدلهای تولید شده فرآیندی مطمئن و درست و دقیق است که استفاده از آن در استودیو/دفاتر نسبتا آسان است، هرچند به عمل‌آوری ثانویهٔ گسترده‌ای نیاز دارد. همانطور که انتظار می‌رود، در سری entry-level فرآیند FFF مدلهایی تولید می‌کند که از درستی و دقت کمتری برخوردار هستند، اما اوضاع مدام رو به بهبود است.
شاید این فرآیند در مورد شکلهای خاص برخی از قطعات به آهستگی طی شود و اتصال لایه به لایه مشکل ایجاد کند و به تولید قطعاتی منجر شود که ضدآب نیستند. البته، عمل‌آوری ثانویه با استفاده از اَسِتون می‌تواند این مسائل را حل کند.

Inkjet یا جوهر پاش

دو فرآیند پرینت سه بعدی وجود دارند که از تکنیک پاشیدن استفاده می‌کنند.