چاپ سه بعدی چیست؟
مقدمه
چاپ سه بعدی یک فناوری افزودنی برای تولید قطعات است. افزودنی به این معنا است که برای تولید قطعات به یک بلوک از مواد و یا قالب احتیاجی ندارد بلکه به سادگی مواد را لایه‌لایه روی هم چیده و جوش می‌دهد. به طور کلی این روش ازساخت سرعت بالایی دارد، هزینه‌ی راه‌اندازی پایینی دارد و همچنین می‌تواند قطعات با هندسه‌ی پیچیده را نیز تولید کند. این روش ساخت برای اولین بار در دهه‌ی 1980 ابداع شد.
روش‌های ساخت در سه دسته طبقه‌بندی میشوند:
- Additive manufacturing
- Subtractive manufacturing
- formative manufacturing
:Additive manufacturing
در این روش با قرار دادن لایه‌های دوبعدی متریال روی یکدیگر چاپ سه بعدی انجام میشود و میتوان هر شکل هندسی را با سرعت تولید کرد که از مزایای آن می‌باشد. یکی از بزرگترین محدودیت‌های چاپ سه بعدی این است که اکثر قطعات کاملاً متراکم نیستند، به این معنی که آنها معمولاً خواص مادی و مکانیکی قطعات ساخته شده از طریق سایر تکنیک‌های ساخت را ندارند.
:Subtractive manufacturing
در این روش مانند کار با فرز یا تراشکاری، فرایند ساخت با حذف کردن قسمت‌هایی از یک بلوک جامد انجام میشود. به دلیل میزان کنترل بالا بر همه‌ی جنبه‌های این فرایند میتوان قطعاتی با دقت بالا و تکرارپذیر تولید کرد. این روش برای راه‌اندازی به زمان و هزینه‌ی بالایی احتیاج دارد با این وجود بازهم برای برخی از طرح‌ها مقرون به صرفه‌ترین روش است.
محدودیت اصلی این روش این است که ابزار برش باید به همه‌ی سطوح دسترسی داشته باشد تا بتواند عملیات حذف را انجام دهد که امکان انجام طراحی‌های پیچیده را محدود می‌کند اما برخی از ماشین‌ها هستند که بعضی از این محدودیت‌ها را برطرف می‌کنند که باعث افزایش هزینه و زمان میشوند. این روش به دلیل حذف بخش‌های زیادی از بلوک برای رسیدن به حجم مورد نیاز باعث هدر رفتن متریال میشود.
:Formative manufacturing
این روش از ساخت مانند قالب‌گیری تزریقی و مهرزنی، با شکل دادن یا قالب‌بندی مواد با گرما و یا فشار، اجسام را ایجاد می‌کند. این روش برای کاهش هزینه نهایی تولید قطعات طراحی شده‌است، اما ایجاد قالب‌ها یا ماشین‌های منحصر به فرد مورد استفاده در این فرایند به این معنی است که هزینه‌های راه‌اندازی بسیار بسیار زیاد هستند. این تکنیک‌ها می‌توانند قطعاتی را در طیف وسیعی از مواد (هم فلزات و هم پلاستیک) با تکرارپذیری تقریباً بی‌عیب و نقص تولید کنند، بنابراین برای تولید حجم بالا، در اغلب اوقات مقرون به صرفه‌ترین روش است.
مقایسه‌ی سه روش فوق:
تقریباً غیرممکن است که هر کدام از این روش‌ها به طور همزمان از نظر هزینه، سرعت، پیچیدگی هندسی، مواد، خواص مکانیکی، سطح، تحمل و تکرارپذیری مقایسه سازی شوند.
Additive manufacturing:برای طرح‌هایی با تعداد کم و پیچیده و هنگامی که زمان و سرعت اهمیت دارد بهترین انتخاب است.
Subtractive manufacturing:برای طرح‌هایی با تعداد متوسط و هندسه‌های ساده و زمان استفاده از مواد سخت بهترین انتخاب است.
Formative manufacturing:برای تولید طرح‌هایی با تعداد زیاد و قطعات یکسان بهترین انتخاب است.
مقایسه‌ی هزینه‌ی سه روش فوق:
انواع روش‌های چاپ سه بعدی:
به طور کلی فرایند چاپ سه بعدی در هفت دسته تقسیم‌بندی میشود که هر دسته تکنولوژی مختص به خودش را دارد و برای هر تکنولوزی چاپگرهای مشابه‌ای در برندهای متفاوت وجود دارد. این هفت دسته عبارت‌اند از:
- Vat polymerization
- Material extrusion
- Powder bed fusion
- Material jetting
- Binder jetting
- Direct energy deposition
- Sheet lamination
:Vat polymerization
در این روش رزین فتوپلیمر در معرض طول موج‌های معینی از نور قرار می‌گیرد و به صورت جامد در می‌آید.که زیر گروههای آن عبارت اند از:
- Stereolithography (SLA)
- Direct light processing (DLP)
- Continuous light processing (CDLP)
روش (SLA) شباهت‌های زیادی به روش (DLP) دارد با این تفاوت که در روش (SLA) هر لایه به صورت جزء به جزء با لیزر سخت میشود در حالی که در روش (DLP) تمامی یک لایه به صورت یک جا سخت میشود. در نتیجه روش (DLP) سریع‌تر از روش (SLA) است اما در نهایت مدل دقیق‌تری تولید می‌کند همچنین روش (CDLP) شباهت‌های زیادی به روش(DLP) دارد با این تفاوت که بر حرکت مداوم رو به بالا صفحه ساخت متکی است. هر سه روش برای تولید قطعات با جزییات مناسب و تولید سطوح صاف مناسب هستند. درزمینه‌های پزشکی و طراحی و تولید جواهرات کاربرد دارند.
مزایا: تولید سطوح صاف/ تولید قطعات با جزییات
معایب: شکننده/ حساس به اشعه‌ی ماوراء بنفش
برای دیدن ویدیو اینجا کلیک کنید.
Material extrusion (Fused deposition modeling)
روش (FDM) پرکاربردترین فناوری چاپ سه بعدی است که قطعات را با استفاده از رشته‌هایی از مواد ترموپلاستیک جامد، که به صورت رشته‌ای تولید میشوند، می‌سازد. رشته‌های ذوب شده از طریق نازل دقیق در سر جای خود به صورت لایه‌لایه روی‌هم قرار می‌گیرند و این رشته‌های مذاب پس از سرد شدن جامد و سخت میشوند.
مزایا: سریع/ کم هزینه/ مواد اولیه‌ی رایج
معایب: دقت محدود/ مقیاس‌پذیر نبودن/ ناصاف بودن سطح پایانی
برای دیدن ویدیو اینجا کلیک کنید.
Powder bed fusion (PBF)
این روش از چاپ سه بعدی از یک منبع گرما برای القای همجوشی به صورت پخت یا ذوب بین ذرات پلاستیک یا فلز به صورت لایه‌ای استفاده می‌کند. که زیر گروههای آن عبارت‌اند از:
- Selective laser sintering (SLS)
- Electron beam melting (EBM)
- Multi jet fusion (MJF)
selective laser melting (SLM) و direct metal laser sintering (DMLS) از روش‌های چاپ سه بعدی فلزات در این گروه هستند.
مزایا: تولید قطعات مستحکم/ مقیاس پذیر/ تولید قطعات با هندسه‌ی پیچیده
معایب: زمان طولانی‌تر/ دارای هزینه‌ی بالاتر در ماشینآلات و مواد اولیه
Material jetting
یکی از روش‌های چاپ سه بعدی است که همانند چاپ دو بعدی عمل می‌کند به این صورت که قطراتی از یک ماده ی حساس به نور که در زیر اشعه ی ماوراء بنفش سخت میشوند روی صفحه پخش شده و قسمتی از یک لایه را می‌سازد. این روش قطعاتی با دقت بسیار بالا و سطوح صاف تولید می‌کند.
مزایا: تولید سطوح صاف/ جزییات دقیق/ دقت بالا
معایب: هزینه‌ی بسیار بالا/ تولید قطعات شکننده
Binder jetting
یکی از روش‌های چاپ سه بعدی است که ابتدا یک لایه‌ی نازک از فلزات، ماسه یا سرامیک را روی سطح پخش می‌کند سپس یک نازل بر روی سطح حرکت می‌کند و در قسمت‌های مورد نظر یک ماده‌ی اتصال‌دهنده مانند چسب را اضافه می‌کند و پس از اینکه یک لایه کامل شد مدل پایین می‌رود و دوباره لایه‌ی جدیدی از سرامیک یا … روی سطح پخش میشود و این عمل تکرار میشود.
مزایا: امکان چاپ در رنگ‌های مختلف/ طیف گسترده‌ی مواد اولیه/ بدون پیچخوردگی
معایب: دارای دقت کمتر نسیت به material jetting/ استحکام کم
Direct energy deposition (DED)
این فناوری منحصرا در تولید قطعات فلزی استفاده میشود به این صورت که معمولاً برای تعمیر یا افزودن ماده‌ی اضافه به اجزای موجود مورد استفاده قرار می‌گیرد. قطعات را با استفاده از رشته‌هایی از فلز ذوب شده که به وسیله‌ی نازل به صورت لایه‌لایه روی یکدیگر قرار می‌گیرند می‌سازند. که فلز پس از سرد شدن جامد و سخت میشود.
مزایا: تولید قطعات بزگ و دارای مقاومت بالا/ محدوده‌ی گسترده‌ی مواد اولیه
معایب: هزینه‌ی بالا
Sheet lamination
این فناوری صفحات نازکی از مواد را برای ساخت قطعات روی هم چیده و لمینت می‌کند. لمینت‌ها به صورت: اتصال، جوشکاری اولتراسونیک یا لحیم کاری انجام میشود.
مزایا: سرعت بالا/ هزینه‌ی پایین/ امکان استفاده از متریال متفاوت در لایه‌ها
معایب: محدودیت مواد اولیه/ متفاوت بودن مدل نهایی
مبحث چاپ سه بعدی بسیار گسترده است و کاربرد‌های فراوانی در پزشکی، طراحی و ساخت جواهرات، معماری، تولید قطعات در صنعت و … دارد. چاپ سه بعدی در آینده به یک فناوری اصلی برای تولید سریالی قطعات مورد استفاده قرار می‌گیرد. نرم افزار‌های طراحی هم برای این تکنولوژی یکپارچه و پیشرفته‌تر خواهند‌شد. استفاده از این فناوری در زمینه‌های پزشکی مانند طراحی و ساخت اعضای بدن به صورت چاپ سه بعدی بسیار گسترده تر خواهد‌شد همچنین خواهیم دید که این تکنولوژی روز به روز هوشمند‌تر میشود. اگر علاقه‌مند به مطالعه‌ی بیشتر در این زمینه هستید در بلاگ پست‌های بعدی همراه ما باشید.
