انواع روش های پرینت سه بعدی

بررسی روش های پرینت سه بعدی

Vat Photopolymerization

فوتو پلیمر یزاسیون به فرایندی گفته می‌شود که نوری با طول موج خاص در معرض تابش با رزین حساس به نور قرار گیرد و سبب واکنش های شیمیایی و جامد شدن رزین شود. برخی از روش های پرینت سه بعدی از همین اصل برای تولید لایه‌لایه مواد جامد روی هم استفاده می‌کنند.
فرایند Vat Photopolymerization قطعات تولیدی با جزییات بسیار دقیق و سطح خارجی نرمی خواهد داشت. بنابراین مناسب کاربردهای همچون جواهرسازی، پزشکی و دندان‌پزشکی، تولید قالب تزریقی ضعیف و …  خواهد بود. محدودیت اصلی این روش، ترد و شکننده بودن قطعات تولیدی است.

Stereolithography (SLA)

در تکنولوژی SLA یک سازه در بالای مخزن شفاف از مایع رزین فتوپلیمر قرار دارد. هنگامی که سازه درون مایع رزین قرار می‌گیرد، یک لیزر نقطه ای طرح لایه اول را از سمت پایین مخزن به مایع رزین می‌تاباند. محل‌هایی از رزین که نور لیزر تابیده شده است جامد می‌شود و باعث شکل گیری اولین لایه رزینی روی سازه خواهد شد. سپس سازه کمی بالاتر رفته و رزین مایع به زیر رزین جامد رفته و مجدداً پروسه تکرار شده و لایه دوم شکل می‌گیرد. این فرایند لایه به لایه تکرار می‌شود تا قطعه به صورت کامل تولید شود. معمولاً پس از این پروسه قطعه در معرض نور UV قرار می‌گیرد تا ویژگی‌های مکانیکی آن بهبود بخشیده شود.

مزایا SLA

• دقت بالا و جزییات زیاد قطعات چاپ شده.
• سطح خارجی یکنواخت و چشم نواز.
• امکان استفاده از مواد خاص رزینی، مانند رزین شفاف، قابل انعطاف و … .

معایب SLA

• قیمت بالاتر در مقایسه با روش FDM (دو روش پرکاربرد پرینت سه بعدی).
• ترد و شکننده بودن و نا مناسب بودن برای نمونه‌های عملیاتی و غیر نمایشی.
• افت مشخصات فیزیکی و ظاهری آن، در صورتی که طولانی مدت در معرض آفتاب قرار گیرد.
• الزام ساپورت گذاری و فرایند پس پردازش برای تولید.

Direct Light Processing (DLP)

فرایند تولیدی DLP مشابه روش SLA است. تفاوت این دو روش در آن است که DLP از یک صفحه نمایش پروژکتوری نوری دیجیتال برای تابش الگو خود بر مخزن رزین بهره می‌برد. ازآنجاکه تابش به صورت صفحه دیجیتال است، تصویر هر لایه با الگو مربع‌های پیکسلی تابانده می‌شود که به آن Voxel می‌گویند.

روش DLP در مقایسه با SLA سریع تر است. علت بهبود سرعت، تابش یک‌باره کل الگو هر لایه بر سطح رزین، به‌جای تابش نقطه ای لیزر و ردیابی کردن سطح مقطعی آن است.

Continuous DLP (CDLP)

روش CDLP (یا CLIP) مشابه روش DLP است. با این تفاوت که در این روش حرکت پیوسته صفحه سازه در راستای محور Z را خواهیم داشت. این تفاوت باعث افزایش بیشتر سرعت ساخت خواهد شد. زیرا دیگر نیاز به تابش نور لایه‌لایه و حرکت منفصل سازه نیست و پروسه به صورت پیوسته رخ خواهد داد.

Powder Bed Fusion

تکنولوژی Powder Bed Fusion (PBF) یک ماده جامد را با ذوب کردن پودر پلاستیک یا پودر فلز توسط منبع حرارتی تولید می‌کند. با ذوب شدن و انجماد مواد سازنده و تکرار لایه‌لایه‌ای پروسه، قطعه نهایی تشکیل می‌شود. بیشتر تکنولوژی‌های PBF مکانیزمی جهت پخش و صاف کردن لایه‌های نازک پودر روی سطوح تشکیل شده قبلی را دارد.

عمده تفاوت تکنولوژی دستگاه‌های PBF در منابع انرژی گوناگون (لیزر یا پرتو الکترونی) و ماده اولیه سازنده (پودر فلز یا پلاستیک) است.

در تکنولوژی پلیمر محور PBF، ازآنجایی‌که به ساپورت گذاری نیازی نیست، آزادی عمل بیشتری در طراحی وجود دارد. در نتیجه ساخت قطعات با طراحی بسیار پیچیده را امکان‌پذیر خواهد شد. محصول نهایی هر دو PBF پلاستیکی و فلزی، مقاومت و مشخصات فیزیکی بهتری به نسبت برخی روش‌های تولید افزودنی خواهد داشت. روش‌های پس فرآوری زیادی برای قطعات تولید شده از روش PBD وجود دارد. این پس فراوری ها سبب ایجاد سطح صیقلی و صاف خواهند شد. در نتیجه با مشخصات فیزیکی بالا و سطوح صاف، قطعات حاصل از PBF را می‌توان در محصولات نهایی مورد استفاده قرار داد. همچنین از معایب روش PBF می‌توان به زبری سطوح، امکان انقباض و اعوجاج قطعه اشاره کرد

Selective Laser Sintering (SLS)

این فرایند با ذوب کردن پودر پلاستیک توسط لیزر و انجماد آن، قطعه نهایی را تولید می‌کند. این فرایند لایه‌لایه است و در هر مرحله، پودر روی محل ساخته شده ریخته و پخش می‌شود. در نهایت قطعه کامل محصور در پودر، جداسازی و تمیزکاری می‌شود.

SLM & DMLS

مشابه روش SLS است با این تفاوت که ماده اصلی آن پودر فلز است. تفاوت SLM و DMLS با یکدیگر در این است که SLM کاملاً پودر را ذوب می‌کند ولی DMLS پودر را به دمایی نزدیک ذوب می‌رساند تا پیوند برقرار شود. DMLS تنها با آلیاژها، مثل آلیاژهای نیکل کار می‌کند اما SLM از ساختار تک فلزی مثل آلومینیوم را استفاده می‌کند. برخلاف SLS این دو تکنولوژی نیازمند ساپورت گذاری در فرایند ساخت هستند تا قطعه به صورت صحیح تولید شود. DMLS بیشترین تکنولوژی به کار رفته در دستگاه‌های تولید به روش افزودنی فلزی است.

Electron Beam Melting (EBM)

EBM به جای استفاده از لیزر، از پرتوهای قدرتمند الکترونی برای ذوب پودر فلز استفاده می‌کند. از مزایای این روش نسبت به SLM و DMLS می‌توان به تنش باقیمانده کمتر و درنتیجه اعوجاج و ساپورت گذاری کمتر، مصرف انرژی بهینه و سرعت بیشتر اشاره کرد. از طرفی معایب نسبی  این روش حجم کاری کمتر، لایه‌های بزرگ‌تر و کیفیت سطوح خارجی پایین‌تر است. همچنین فرایند ساخت این تکنولوژی باید در خلأ شکل بگیرد و تنها از مواد سازنده رسانا می‌توان استفاده نمود.

Multi Jet Fusion (MJF)

Material Extrusion

Fused Deposition Modeling (FDM)

FDM که به نام (Fused Filaments Fabrication (FFF نیز شناخته می‌شود، معروف ترین روش تولید پرینت سه بعدی است. ماده مصرفی این روش ترموپلاستیک های رشته ای شکل نازک است که فیلامنت نام دارد. با عبور فیلامنت از نازل داغ، مواد پلاستیکی به حالت نرم و مذاب در آمده و با قطر بسیار کم از نازل خارج می‌شوند. همزمان با خارج شده پلاستیک مذاب، نازل با الگو حرکتی مسیر را روی حدود نواحی لایه قبلی طی می‌کند. با خنک شدن پلاستیک و جامد شدن آن، بستر برای تکرار عملیات و تشکیل لایه جدید آماده خواهد شد. با تکرار لایه به لایه، قطعه نهایی تشکیل می‌شود.

مزایا

• مقرون‌به‌صرفه ترین راه تولید به روش افزودنی پلاستیکی و نمونه اولیه.
• تنوع زیاد مواد سازنده برای کاربرد های گوناگون.
• مزایای گستردگی استفاده از تکنولوژی FDM.

معایب

• کمترین رزولوشن و دقت در مقایسه با سایر روش‌های پرینت سه بعدی. در نتیجه مناسب طرح های بسیار کوچک یا با جزییات بسیار زیاد نیست.
• سطح خارجی قطعات تولید شده صیقلی نیست و لایه‌های آن با چشم دیده می‌شود. بنابراین اگر ظاهر قطعه اهمیت داشته باشد، عملیات پس پردازی ضروری خواهد بود.

Material Jetting

این دسته از پرینترها را  می‌توان به پرینترهای دو بعدی جوهری تشبیه کرد. موادی همچون فتوپلیمر ها، فلزات و موم ها که توسط عواملی همچون نور UV یا دما قابلیت سفت شدن دارند، مورد استفاده قرار می‌گیرد. به علت ساختار این نوع پرینترها، امکان استفاده از چندین ماده وجود دارد. معمولاً از این ویژگی برای ساپورت گذاری با مواد دیگر(حل شونده) در فرایند تولید، بهره برده می‌شود.

Material jetting به علت امکان ساخت جزییات عالی، دقت بالا و سطح نهایی صیقلی مناسب نمونه‌های اولیه واقعی است. این تکنولوژی این امکان را می‌دهد که بتوان در یک پرینت از مواد و رنگ های گوناگون استفاده کرد. از معایب این تکنولوژی می‌توان به هزینه بالا و شکننده بودن مواد فتوپلیمر اشاره کرد.

Material Jetting

در این تکنولوژی از ماده فوتوپلیمر که به واسطه صدها نازل ریز مواد را تزریق می‌کنند استفاده می‌شود. مواد مجاز از نازل‌های ریز زیادی به صورت خطی پاشیده می‌شوند، بنابراین به نسبت روش هایی که در لحظه از یک نازل مواد پاشیده می‌شوند، سرعت بیشتری خواهد داشت. همزمان با خروج  قطرات ریز، تاباندن نور UV مواد پاشیده شده را به جامد تبدیل می‌کنند. این فرایند نیاز به ساپورت گذاری دارد، بنابراین همزمان با ساخت، ماده حل شونده دیگر نیز جهت ساپورت گذاری استفاده می‌شود.

Nano particle jetting

در تکنولوژی NPJ مواد مایع نانو ذرات  فلز یا ساپورت گذار، در ضخامت بسیار کم روی صفحه پاشیده می‌شنود. با حرارت دادن این مواد، مایع بخار شده و فلز یا ساپورت جامد شده و استحکام می‌گیرد.

Drop-On-Demand (DOD)

Binder Jetting

Binder Jetting

در این فرایند یک عامل چسبنده بر روی لایه نازکی از پودر مواد سازنده ریخته می‌شود. مواد سازنده می‌تواند بر پایه سرامیکی یا فلزی باشد. بعد از اتمام پرینت، قطعه چاپ شده نیازمند عملیات پس‌فراوری اضافی می‌باشد. این عملیات شامل گرما دادن و استفاده از یک نفوذ گر، وابسته به جنس مواد سازنده است.

این نوع پرینترهای مناسب کاربرد های نمایشی همچون مدل های معماری و … است. به علت شکنندگی قطعات تولیدی، مناسب برای کاربرد های عملیاتی و تحت تنش نمی‌باشد. همچنین یکی از کاربرد های جالب آن امکان پرینت قالب های شنی ریخته گری است. پرینت فلزی این روش به نسبت SLM و DMLS ارزان تر ولی خواص فیزیکی آن پایین تر است.

Direct Energy Deposition

در روش DED همزمان با پاشیدن پودر فلز یا مفتول فلزی، توسط عاملی دیگر آن را در ناحیه ‌ای ذوب کرده و به ساخت سازه منجر می‌شود. از این تکنولوژی بیشتر برای ترمیم و افزودن فلز به قطعات از قبل ساخته شده آسیب دیده (همچون پره های توربین) استفاده می‌شود. علت این مسئله نحوه ساخت است که با توجه به مشکل ساپورت گذاری، مناسب برای ساخت از ابتدا نمی‌باشد.

Laser Engineered Net Shape (LENS)

اجزای اصلی این دستگاه از سر لیزری، نازل پاشش پودر فلزی و لوله گاز بی‌اثر تشکیل شده است. لیزر در ناحیه ای از فضا متمرکز است و با پاشیدن پودر فلز به این ناحیه، فلز ذوب شده و سپس جامد می‌شود. از این شیوه برای ترمیم تجهیزات فلزی آسیب‌دیده می‌تواند استفاده نمود.

Electron Beam Additive Manufacture (EBAM)

EBAM برای ایجاد قطعات فلزی با استفاده از پودر یا سیم فلزی از پرتو الکترون به عنوان منبع حرارتی استفاده می‌کند. پرتوهای الکترونی به شکل مشابه با LENS تولید می‌شوند، اما از لیزر کارایی بیشتری دارند.این فرایند در خلأ شکل می‌گیرد و تکنولوژی آن ابتدا برای کاربرد های فضایی طراحی شده بود.