انواع روش‌های چاپ سه‌بعدی
ساخت افزایشی (additive manufacturing) که با عنوان چاپ سه‌بعدی نیز شناخته می‌شود، فرآیند افزودن لایه‌های مواد روی یکدیگر برای ساخت قطعه از یک مدل سه‌بعدی (CAD models) می‌باشد [1] و در مقابل روش‌های پیرایشی مانند تراشکاری و فرزکاری قرار می‌گیرد. هم‌چنین در این روش برخلاف روش‌های متداول ساخت قطعه، نیاز به قالب‌سازی نیست (شکل 1). از دیگر مزایای این روش می‌توان به ساخت قطعات پیچیده و نمونه‌سازی سریع (rapid prototyping) اشاره کرد. از طرف دیگر، سرعت پایین ساخت قطعه، استحکام پایین و ظاهر لایه لایه نمونه‌های چاپ شده از جمله معایب چاپ‌سه بعدی است.
شکل 1 تصویر شماتیک روش‌های متداول ساخت قطعه الف) شکل دهی با قالب ب) کاهشی ج) برهم افزا [2].
روش‌های متعددی برای چاپ سه‌بعدی طی بیست سال اخیر توسعه یافته است که برخی از مهم‌ترین آن‌ها با توجه به حجم بازار و رشد آن‌ها در سال‌های پیش رو (شکل 2) [3]، عبارتند از:
- روش نمونه‌سازی با رزین‌های حساس به نور (SLA یا stereolitigraphy)
- روش تف‌جوشی انتخابی لیزری (SLS یا selective laser sintering)
- روش مدلسازی لایه‌نشانی هم‌جوش (FDM یا fused deposition modeling)
- و …
تفاوت این روش‌ها در نحوه لایه‌نشانی و نوع ماده مصرفی (رزین قابل پخت با نور، فیلامنت گرمانرم (thermoplastic)، پودر پلاستیک گرمانرم و غیره) می‌باشد که در ادامه به آن‌ها پرداخته خواهد شد.
شکل 2 رشد بازار روش‌های مختلف چاپ سه‌بعدی و سهم آن‌ها [3].
روش نمونه‌سازی با رزین‌های حساس به نور (SLA)
روش SLA یک روش چاپ سه‌بعدی با استفاده از رزین مایع حاوی مونومر یا الیگومر است. تجهیزات این فرآیند شامل یک حمام حاوی رزین قابل پخت، صفحه ساخت، بالابر و پویشگر (scanner) نور می‌باشد (شکل 3). به طور کلی در این روش، با تابش پرتوی فرابنفش به محل موردنظر و فعال شدن شروع‌کننده نوری، پلیمریزاسیون جزئی رخ داده و قطعه موردنظر به صورت لایه به لایه ساخته می‌شود. رزین‌های مورد استفاده در این فرآیند معمولاً رزین‌های اپوکسی و آکریلاتی می‌باشند. لازم به ذکر است که قطعات ساخته شده با این روش از دقت و صافی سطح خوبی برخوردارند [4].
شکل 3 تصویر شماتیک فرآیند SLA و اجزای آن [5].
روش تف‌جوشی انتخابی لیزری (SLS)
روش SLS یک روش ساخت افزایشی بر پایه پودر است. در این روش، پرتوی لیزری، بستر پودر را به صورت لایه به لایه طبق نقشه سه‌بعدی داده شده، پویش کرده (scan) و ساختار سه‌بعدی مورد نظر را می‌سازد (شکل 4). در این روش از مواد مختلفی مانند واکس، سرامیک، فلزات و پلیمرها استفاده می‌شود. پودر پلیمری مورد استفاده در این روش عموماً پلی‌آمید، پلی‌استایرن و پلیمرهای نیمه‌بلوری مانند پلی‌اتیلن، پلی اتراترکتون و پلی‌کاپرولاکتون می‌باشند. همان‌طورکه در شکل 5 مشاهده می‌شود، در فرآیند تف‌جوشی انتخابی لیرزی، با تابش لیزر به موضع موردنظر ذوب به صورت جزئی یا تف‌جوشی در بازه دمایی نیمی از دمای ذوب تا دمای ذوب رخ داده و ذرات پودر در هم نفوذ کرده و به هم می‌چسبند [1] (شکل 5). با توجه به استحکام قطعات و امکان چاپ سریع قطعات با این روش نسبت به دیگر روش‌های چاپ سه‌بعدی، امکان تولید به‌صرفه نمونه با تیراژ بالا وجود دارد.
شکل 4 تصویر شماتیک فرآیند تف‌جوشی انتخابی لیزری [1].
شکل 5 ذوب جزئی ذرات پودر (تف‌جوشی) در اثر تابش لیزر و نفوذ زنجیرهای پلیمری در هم [1].
روش مدلسازی لایه‌نشانی هم‌جوش (FDM)
در روش FDM، یک رشته پلیمری گرمانرم (فیلامنت) عموماً از جنس پلیمرهای آمورف مانند پلی‌لاکتیک اسید (PLA)، اکریلونتریل بوتادی ان استایرن (ABS) و غیره از یک نازل داغ عبور کرده و قطعه مورد نظر مطابق با الگوی طراحی شده، روی صفحه ساخت به صورت لایه به لایه ساخته می‌شود (شکل 6). از جمله متغیرهای فرآیندی در این روش می‌توان به پهنای رشته، فاصله بین دو رشته، دمای چاپ و زاویه چاپ اشاره کرد.
شکل 6 تصویر شماتیک فرآیند لایه نشانی هم جوش [6].
همان‌طور که پیش‌تر اشاره شد از جمله معایب روش‌های چاپ سه‌بعدی از جمله روش FDM استحکام پایین قطعات می‌باشد، از این رو برای افزایش استحکام و خواص مکانیکی نمونه‌ها می‌توان از تقویت‌کننده‌هایی مانند الیاف خرد شده، الیاف پیوسته و نانوذرات استفاده کرد. تاکنون در پژوهش‌های بسیاری با افرودن نانوذرات مانند نانولوله‌های کربنی یا الیاف خرد شده به زمینه (matrix) گرمانرم، فیلامنت‌های کامپوزیتی تهیه شده و از آن به عنوان ماده اولیه FDM استفاده کرده‌اند. این کار تا حدودی منجر به افزایش خواص مکانیکی نمونه‌ها می‌شود. اما در سال‌های اخیر، چاپ سه‌بعدی با الیاف پیوسته با روش FDM توجه زیادی را به خود جلب نموده است. علی‌رغم پیچیدگی‌ها و چالش‌های این روش، خواص مکانیکی نمونه‌ها معمولاً افزایش چشمگیری پیدا می‌کند [1]. در پست‌های بعدی به شرکت‌های فعال در زمینه چاپ کامپوزیت‌های حاوی الیاف پیوسته بیشتر پرداخته خواهد شد.
مراجع
- Parandoush, P. and D. Lin, A review on additive manufacturing of polymer-fiber composites. Composite Structures, 2017. 182: p. 36-53.
- https://kuunda3d.com/3d-printing-as-manufacturing/2019/8/9.
- Rachel, G., Markets, Trends and Opportunities of 3D Printing Materials, in 3D Printing Materials Conference January 27th,. 2015.
- Gebhardt, A., Understanding additive manufacturing. 2011.
- manufactur3dmag.com/stereolithography-sla-3d-printing-works.
- Ning, F., et al., Additive manufacturing of thermoplastic matrix composites using fused deposition modeling: A comparison of two reinforcements. Journal of Composite Materials, 2017. 51(27): p. 3733-3742.
گردآوردی مطالب: شرکت تیکا تری دی (Tika 3D)
آدرس اینستاگرام: https://instagram.com/tika3d/
آدرس کانال تلگرام: http://t.me/tika3d
نشانی پست الکترونیک: [email protected]
آی دی در شبکه نت تری دی: @n-mosleh