پرینتر سه‌ بعدی چیست و چه ویژگی هایی دارد؟ کابرد پرینتر سه بعدی در آموزش

انواع تکنولوژی پرینتر سه‌بعدی

امروزه حدود ۲۵ تکنیک برای پرینت سه‌بعدی در دنیا وجود دارد که بعضی از آنها تجاری شده‌اند و می‌توان گفت حدود ۱۰ مورد از آنها در بازار و صنعت قطعه‌سازی و نمونه‌سازی به‌صورت رایج وجود دارد. روش‌های پرینت سه‌بعدی که در حال حاضر بیشتر در بازار رویت می‌شوند؛ شامل:

SLA ،SLS ،FDM ،LOM ،D-Printing (BinderJetting)3، DDM ،Polyjet ،DLP و FusionJet می‌باشند که در ادامه در خصوص هر کدام مختصر توضیح خواهیم داد.

SLS

دستگاه پرینتر سه‌بعدی SLS از دستگاه‌هایی است که به‌وسیله 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 عبارت‌اند از:

• سیستم اسکن لیزر

• سیستم های حرارتی

• سیستم گردش گاز بی اثر

• سیستم تغذیه پودر

• سیستم پلاتفورم

• واحد کنترل (الکترونیک و نرم افزار)

SLA (Setereo Lithography Aparatus)

 این روش نخستین روش ابداع شده در حوزهٔ پرینت سه‌بعدی می‌باشد که در سال ۱۹۸۸ میلادی توسط شرکت D3 SYSTEMS امریکا بر اساس اختراع آقای چارلز هال معرفی گردید. در این روش از رزین فوتو پلیمر برای تولید قطعات استفاده می‌شود که آن را به‌صورت انتخابی توسط لیزری با طول‌موج خاص سفت می‌کنند.

دستگاه SLA از یک سکوی ساخت تشکیل شده است که قطعه موردنظر بر روی آن ساخته می‌شود و در داخل یک مخزن حاوی رزین در جهت عمودی حرکت می‌کند. همچنین یک سیستم لیزر در بالای دستگاه قرار دارد که به همراه یک سیستم اسکن لیزر دوبعدی لکه لیزر را بر روی سطح رزین در قسمت مشخص می‌تاباند و باعث سفت‌شدن آن و تشکیل قطعه می‌شود. قطعه به‌صورت لایه‌لایه بر روی‌هم ساخته می‌شود و به بالا می‌آید و هر لایه در این روش مابین حدود ۷۰ تا ۵۰۰ میکرون قابل‌تغییر می‌باشد.

در این روش نیاز است تا در زیر قسمت‌هایی از قطعه که دارای زاویه منفی باشند، ساپورت‌گذاری شود که این کار توسط نرم‌افزارهای مربوطه انجام می‌شود. نیاز به ساپورت‌گذاری در این روش برخی محدودیت‌ها را در قطعات تولیدی ایجاد می‌کند.

(Fused Deposition Modeling)  FDM

این روش یکی از روش‌های نمونه‌سازی سریع و پرینت سه‌بعدی است که در آن برای تولید قطعه از اکسترود کردن فیلامنت‌هایی از پلیمر و یا موم به قطر حدودی ۱٫۷۵ میلیمتر استفاده می‌شود.

این اکسترودر بر روی یک میز CNC سه‌بعدی قرار دارد که در جهت x و y و z حرکت می‌کند و پلیمر ذوب شده در داخل اکسترودر را بر روی قطعه می‌نشاند و بعد از تمام‌شدن یک‌لایه به‌اندازه یک ضخامت لایه به سمت بالا حرکت می‌کند.

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 می‌شود و در آن تا دمایی بالاتر از دمای ذوب گرم می‌شود (که این دما به نوع ماده بستگی دارد) و هنگامی که بر روی قطعه سرد شده قبلی می‌نشیند در مدت‌زمان ۰٫۱ ثانیه منجمد می‌شود.

Polyjet

 این روش از جهتی به روش SLA و از جهتی به روش DDM شباهت دارد. در این روش از نازل‌هایی استفاده می‌شود که به‌جای ریختن مذاب موم، قطرات رزین فوتو پلیمر را بر روی لایه قبلی می‌ریزد. دقیقاً پس از ریختن قطرات رزین فوتو پلیمر، در معرض نور یک لامپ فرابنفش که در آن جا همواره روشن است قرار گرفته و سفت می‌شود و قطعه موردنظر را تشکیل می‌دهد.

این روش برای اولین‌بار توسط شرکت Objet Geometries واقع در اسرائیل شکل گرفت و اخیراً توسط شرکت Stratasys امریکا خریداری شده است.

این دستگاه‌ها دارای دقت بسیار بالایی می‌باشند و در تولید قطعات ظریف بسیار خوب عمل می‌کنند ولی نمی‌توان از قطعات آن برای تولید مدل ریخته‌گری دقیق استفاده کرد.

نکته‌ای که در رابطه‌ با این روش وجود دارد قیمت بالای رزین مورد استفاده در این روش است. این دستگاه همچنین قابلیت تولید قطعات چند ماده‌ای را دارد و نازل چندگانه دستگاه می‌تواند رزین از جنس‌های مختلف را در نقاط مختلف بریزد. همچنین این دستگاه برای تولید ساپورت هم از یک رزین جداگانه استفاده می‌کند که بعداً به‌وسیله فشار آب از بین می‌رود.

Multi Jet Fusion

این فناوری از سال ۲۰۱۵ به بازار معرفی شده است و شرکت HP که در زمینه پرینترهای دوبعدی کاغذی شهرت بین‌المللی دارد وارد عرصه پرینت سه‌بعدی شده است. این ورود یک تحویل در فناوری پرینت سه‌بعدی است.

فناوری Multi Jet Fusion تا حد زیادی شبیه به روش SLS می‌باشد در دسته‌بندی گداخت بستر پودری (Powder Bed Fusion) قرار می‌گیرد. در این روش به‌جای اینکه از یک لیزر برای جوش داد ذرات پودر به یکدیگر استفاده شود از هیترهای تابشی، علاوه بر پیش گرم برای ذوب نیز استفاده می‌شود.

در این روش پس از انجام لایه نشانی پودر و پیش گرم، ماده‌ای شبیه جوهر به نام Fusing Agent بر روی قسمت‌هایی از سطح پودر که به قطعه تبدیل می‌شوند پاشیده می‌شود. این ماده به شکل مایع بوده و توسط هدهای InkJet بر روی سطح پودر نشانده می‌شود. این ماده به رنگ سیاه بوده و به‌گونه‌ای طراحی شده است که انرژی حرارتی تابشی را بر مابقی قسمت‌ها بیشتر جذب کرده و موجب ذوب ماده در قسمت‌هایی می‌شود 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 می‌شود که ضریب جذب کمتری از خود ماده پلی‌آمید داشته و باعث می‌شود لبه‌های قطعه به‌صورت تیز در آید و کیفیت سطحی بهبود یابد.

D3 Printing یا روش BinderJetting

با اینکه به‌صورت اصطلاحی به تمام روش‌های پرینت سه‌بعدی، چاپ سه‌بعدی هم گفته می‌شود، اما در اصل چاپ سه‌بعدی خود یک روش جداگانه از روش‌های پرینت سه‌بعدی می‌باشد و برای خود دارای هویت جداگانه‌ای می‌باشد.

این روش برای اولین‌بار توسط محققان مؤسسه فناوری ماساچوست، MIT، ابداع شد. در این روش یک قطعه به‌صورت سه‌بعدی پرینت می‌شود درست شبیه روشی که در پرینترهای کاغذ جوهرافشان استفاده می‌شود.

در این روش یک‌لایه 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 لایه‌لایه شده یک هد پرینتر جوهرافشان در نقاط موردنظر به‌جای جوهر مقداری چسب بر روی پودر می‌ریزد و این باعث می‌شود که در آن نقاط ذرات پودر به یکدیگر بچسبند و تشکیل جسم صلب بدهند و در نقاط دیگر پودر دست‌نخورده باقی بماند.

در این روش پودرهای دست‌نخورده باقی‌مانده همچنین نقش ساپورت برای لایه‌های 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 پودرهای دست‌نخورده خارج می‌کنند و معمولاً برای اینکه چسب موردنظر بهتر چسبندگی داشته باشد، عملیات حرارتی بر روی آن انجام می‌شود.

(Droplet Deposition Manufacturing) DDM

این روش با نام‌های دیگری مانند DWax نیز شناخته می‌شود.

در این روش معمولاً از ماده مومی‌شکل برای تولید قطعات استفاده می‌شود. یک نازل که بر روی یک میز CNC دوبعدی سوار شده است موم را ذوب کرده و به‌صورت قطعات بسیار ریزی تبدیل می‌کند و آن ذرات را بر روی لایه قبلی می‌نشاند. قطر ذرات هم اندازه هستند و حدود ۷۰ میکرون می‌باشند.

این روش همان روشی است که توسط شرکت SolidScape استفاده می‌شود و پرینترهای مومی کوچک و رومیزی را تولید می‌کند.

به دلیل دقت بسیار خوب و صافی سطح عالی، امروزه این روش بیشتر برای تولید مدل مومی جهت استفاده در ریخته‌گری دقیق و تولید جواهرات و قطعات ایمپلنت‌های دندانی بیشتر کاربرد دارد. ولی این روش به دلیل سرعت پایین، قادر به تولید قطعات بزرگ نمی‌باشد و از این رو برای تولید قطعات ظریف و کوچک از آن بهره گرفته می‌شود.

 (DLP (Digital Light Processing

از این روش نیز مانند روش DDM در تولید قطعات ظریف و برای استفاده به‌عنوان مدل مورداستفاده در ریخته‌گری دقیق استفاده می‌شود.

این روش بر مبنای استفاده از بوردهای الکترونیکی DLP می‌باشد. این بوردها در دهه ۸۰ میلادی با استفاده از سیستم‌های MEMS اپتیکی در شرکت Texas Instruments شکل گرفت و از آنها در نمایشگرها، تلویزیون‌ها و پروژکتورها استفاده می‌شد و اساس آن بر این است که تعداد زیادی آینه میکرونی بر روی بورد DLP واقع شده اند که می‌توانند تغییر جهت دهند و نور را به نقطه موردنظر برسانند.

از این سیستم در سیستم‌های پرینت سه‌بعدی برای سفت کردن رزین مانند روش SLA استفاده می‌شود.

این روش دارای دقت بالایی بوده و می‌توان قطعات بسیار ظریفی را برای استفاده در جواهرسازی تولید کند.

LOM (Laminated Object Manufacturing)

 این روش برای اولین‌بار توسط شرکت Helisys معرفی شد و با حمایت مالی بنیاد ملی علوم امریکا (National Science Foundation – NSF) به تجاری‌سازی رسید.

در این روش برای تولید قطعه به‌صورت لایه‌لایه از یک رول استفاده می‌شود که این رول می‌تواند از جنس پلاستیک، کاغذ، سلولوز، فلز یا ورق‌های کامپوزیت باشد.

یک رول از ماده موردنظر بر روی سکوی ساخت دستگاه قرار می‌گیرد و سپس دورتادور لایه موردنظر در آن لایه بر اساس فایل CAD لایه‌لایه شده معمولاً توسط لیزر بریده می‌شود.

قبل از بریده شدن لایه جدید به لایه قبلی چسبیده می‌شود، در برخی موارد رول در حین قرارگیری بر روی سکوی ساخت دستگاه به چسب آغشته می‌شود و در غیر این صورت پس از قرارگیری بر روی لایه قبلی می‌بایست توسط یک مکانیزم به چسب آغشته شود.

قسمت‌هایی که بریده می‌شوند و اضافه هستند در این روش نقش ساپورت برای لایه‌های بالایی را ایفا می‌کنند و در نهایت می‌بایست از قطعه نهایی جدا شوند.

لایه‌های ایجاد شده در روش LOM معمولاً بین ۵۰ تا ۵۰۰ میکرون می‌باشند.