کاربرد پرینت سه بعدی در صنعت امروز

درباره مزایا و معایب انواع مواد و روش‌های پرینت سه بعدی در صنعت بخوانید.

نقش پرینت سه بعدی در صنعت تولید هر روز پررنگ‌تر از روز قبل حس می‌شود. این فناوری، از یک ابزار سرگرمی عبور کرده و اکنون در حال تبدیل شدن به یک روش صنعتی درست‌وحسابی است. با وجود روش‌های مختلف ساخت افزایشی، بستری فراهم شده که مهندسان برای ساخت یک قطعه، رویکردهای گوناگونی را پیش روی خود می‌یابند.

در ادامه، انواع روش‌های پرینت سه بعدی و عملیات تکمیلی مناسب آن‌ها را در فضای صنعت مورد بررسی قرار خواهیم داد. هدف این است که در پایان گفتار، خواننده نسبت به نقاط قوت و ضعف فناوری‌های گفته‌شده آگاهی پیدا کند، همچنین با کاربرد و مواد مورد استفاده در هریک آشنا شود.

کدام یک از فناوری‌های پرینت سه بعدی، بیشتر از بقیه مورد توجه صنایع قرار گرفته‌اند؟

به طور کلی، برای ساخت قطعات صنعتی اغلب از روش‌های زیر استفاده می‌شود:

۱.

مدل‌سازی از طریق ذوب و رسوب (FDM)

در این روش، فیلامنت ترموپلاستیکی ذوب شده و از طریق یک نازل به صورت لایه‌به‌لایه اکسترود می‌شود. ساخت نمونه‌های اولیه مقرون‌به‌صرفه و قطعات مصرفی محکم از توانایی‌های شاخص پرینت سه بعدی FDM است، به طوری که همین امر سبب شده در صنایع گوناگونی کاربرد پیدا کند.

نحوه کار فناوری پرینت سه بعدی FDM

۲.

استریولیتوگرافی (SLA)

در فناوری پرینت سه بعدی SLA یک لیزر قدرتمند وجود دارد که لایه‌های رزین فوتوپلیمر را به عمل می‌آورد تا سفت و جامد شوند. سطح قطعات در این روش پرداخت صاف و همواری دارند؛ به طوری که برای تولید نمونه‌هایی که جزئیات زیادی دارند یا مدل‌هایی که هندسه آن‌ها پیچیده است، پرینت سه بعدی SLA خیلی خوب عمل می‌کند.

نحوه کار فناوری پرینت سه بعدی SLA

۳.

زینتر انتخابی با لیزر (SLS)

در روش کار فناوری پرینت سه بعدی SLS ماده به صورت پودر مصرف شده و توسط یک لیزر ذوب می‌شود. به دلیل حرارت بالا، ذرات پودر به هم جوش خورده و قطعاتی دقیق و فوق‌العاده بادوام تولید می‌شود. نکته مهم این است که ساخت قطعه در این روش به هیچ تکیه‌گاهی نیاز ندارد. 

نحوه کار فناوری پرینت سه بعدی SLS

۴.

مولتی جت فیوژن (MJF)

در روش پرینت سه بعدی مولتی جت فیوژن(MJF)، یک آرایه منظم از جوهرافشان‌ها قرار گرفته‌اند که دو عامل پودری را ذوب می‌کنند، یک عامل همان ماده اصلی است و عامل دوم با هدف جلا و زیبایی به کار گرفته می‌شود. قطعات در مولتی جت فیوژن با دوام و دقت بسیار بالا ساخته می‌شوند. این فناوری معمولا برای تولید نمونه‌های اولیه عملیاتی و قطعات مصرفی به کار می‌رود.

نحوه کار فناوری پرینت سه بعدی MJF

مزایای فناوری پرینت سه بعدی FDM در حوزه فعالیت‌های صنعتی

انواع صنعتی پرینت سه بعدی FDM اغلب برای تولید قطعات محکم به کار گرفته می‌شوند. علاوه بر خود فناوری، مواد مناسب آن در طیف وسیعی عرضه می‌شوند. تنوع زیاد ترموپلاستیک‌هایی که در چاپ سه بعدی FDM به کار می‌روند امکان تعیین بهتر خواص قطعه، به ویژه تحمل دماهای بالا را به وجود می‌آورد. به طور تقریبی فناوری پرینت سه بعدی FDM در همه صنایع کاربرد دارد، پس به مهم‌ترین ویژگی‌های تولید یک قطعه در FDM نگاهی می‌اندازیم.

  • قطعات محکم و بادوام: طرز کار پرینت سه بعدی FDM به گونه‌ای است که می‌توان از بیشتر ترموپلاستیک‌های مهندسی در آن استفاده کرد. پس به طور بدیهی، در این میان موادی یافت می‌شوند که استحکام و دوام آن‌ها از بقیه بسیار بیشتر است. زمانی اهمیت این موضوع آشکار می‌شود که قطعه موردنظر باید در برابر تنش مکانیکی، ضربه و سایر شرایط مخرب محیط مقاوم باشد.
  • دماهای بالا: مقاومت حرارتی هر قطعه‌ای که با روش چاپ سه بعدی FDM پرینت می‌شود به جنس ماده بستگی دارد. برخی از این مواد مانند Ultem یا PEEK در دماهای بالا مقاومت خوبی از خود نشان می‌دهند و برای کاربردهای دمابالا مناسب هستند. با این همه، باید خاطرنشان کرد که همه مواد قابل استفاده در روش FDM در دمای بالا عملکرد خوبی ندارند و هنگام انتخاب ماده باید به این امر توجه نمود.
  • کاهش وزن قطعه با حفظ استحکام آن: در فناوری چاپ سه بعدی FDM این امکان وجود دارد که ساختار قطعه را به شکلی پرینت کرد که سبک‌تر از قبل شود و در عین حال نیز استحکام و یکپارچگی خود را حفظ کند. این نکته کلیدی در صنایعی همچون هوافضا و خودروسازی مطرح می‌شود، جایی که کاهش وزن قطعات از اهداف اصلی صنعت است. بنابراین مهندسان می‌توانند ساختار شبکه داخلی قطعات را به گونه‌ای طراحی کنند که وزن قطعه کاهش یافته اما اختلالی در عملکرد آن به وجود نیاید.
  • تولید مقرون‌به‌صرفه در مقیاس کوچک: روش‌های سنتی تولید اغلب با ابزارآلات یا قالب‌های گران‌قیمتی سروکار دارند و به همین خاطر، تولید به میزان کم در چنین روش‌هایی اصلا به‌صرفه نخواهد بود. اما سازوکار FDM به کلی فرق دارد. در این روش، برای تولید قطعات مختلف، نوع ابزار مورد نیاز و مراحل راه‌اندازی فرآیند ساخت تغییری نمی‌کند. بنابراین شرکت تولیدکننده برای تعویض خط تولید هزینه بیشتری متحمل نشده و می‌تواند حتی در مقیاس کم تولید داشته باشد. برای افراد یا شرکت‌هایی که حجم تولید آن‌ها متغیر است یا در زمینه‌های خاصی مانند ساخت ماشین‌آلات سفارشی و یا تولید قطعات تخصصی فعالیت می‌کنند، این جنبه FDM می‌تواند سود زیادی به همراه داشته باشد.
محصول در حال تولید با استفاده از فناوری پرینت سه بعدی FDM

مواد مناسب FDM صنعتی

پرینترهای سه بعدی صنعتی FDM با طیف گسترده‌ای از مواد کار می‌کنند تا نیاز هر صنعت را برآورده سازند. با این حال، برخی از این مواد بیشتر از بقیه استفاده می‌شوند که عبارت هستند از: ترموپلاستیک‌های مهندسی مانند ABS، PLA و PETG؛ پلیمرهای حرفه‌ای همچون PEEK و Ultem/PEI؛ و فیلامنت‌های کامپوزیتی شامل فیبر کربن و فیبر شیشه. هرکدام از این مواد با میزان متفاوتی از دوام، مقاومت حرارتی و استحکام مکانیکی همراه هستند که کاربرد آن‌ها را تعیین می‌کند.

مزایای فناوری پرینت سه بعدی SLA در حوزه صنعت

نوع صنعتی پرینت سه بعدی SLA با دقت بالا، توانایی ساخت هندسه‌های پیچیده و تنوع عملکرد مواد آن شناخته می‌شود و هر کجا در صنعت که الزامات سفت‌وسختی برای مقاومت حرارتی، مقاومت شیمیایی و زیست‌سازگاری وجود داشته باشد، SLA است که حرف اول را میان همتایان خود می‌زند. در ادامه به برخی از ویژگی‌های برجسته این روش اشاره می‌شود.

  • کاهش وزن با حفظ استحکام بالا: سبک بودن محصول در برخی صنایع مانند خودرو، هوافضا و رباتیک به مصرف بهتر سوخت و به طور کلی افزایش عملکرد منجر می‌شود. در روش پرینت سه بعدی SLA، با بهینه‌سازی ساختار داخلی می‌توان قطعه‌ای طراحی کرد که در عین سبکی، استحکام زیادی داشته باشد.
  • تولرانس پایین، دقت ابعادی بالا: قطعاتی که با روش چاپ سه بعدی SLA ساخته می‌شوند تولرانس خیلی کمی دارند. علاوه بر این موضوع، اندازه‌ها در این نوع قطعات تا حد زیادی دقیق است. به طوری که از این نظر با مشخصات فنی درج‌شده و استانداردهای سخت‌گیرانه مطابقت دارند.
  • ساخت سازه‌ها و هندسه‌های پیچیده: هنگام تولید با استفاده از فناوری چاپ سه بعدی SLA، امکان طراحی سازه‌های حرفه‌ای با کانال‌های داخلی تودرتو، شبکه‌های پیچیده و جزئیات بسیار زیاد، فراهم می‌شود. در بحث تولید قطعاتی که در انواع وسایل نقلیه به کار می‌روند، چه زمینی و چه هوایی، نوع طراحی بر کارایی آن‌ها تاثیر بزرگی دارد که قابلیت‌های پرینت سه بعدی SLA می‌تواند نقش مهمی در بهبود عملکرد این قطعات ایفا کند.
تصویری از یک سازه پیچیده که با استفاده از فناوری چاپ سه بعدیSLA تولید شده است
  • دقت بالا و پرداخت سطح مطلوب: از نظر دقت ابعادی و پرداخت سطح قطعات، روش SLA نسبت به روش‌های دیگر پرینت سه بعدی برتری دارد. مسئله دقت نیز در بخش‌هایی مانند هوافضا و پزشکی که حتی تولرانس‌های کوچک بر کارایی و عملکرد تاثیر می‌گذارند، از اهمیت فراوانی برخوردار است.

چه موادی در SLA صنعتی به کار می‌روند؟

در روش پرینت سه بعدی SLA درجه صنعتی، از انواع فوتوپلیمرها و رزین‌های تخصصی با خواص مکانیکی متفاوت استفاده می‌شود. این دسته از مواد شامل انواع سفت و محکم تا انعطاف‌پذیر و کشسان می‌شوند که بسته به خواص خود در دستگاه‌های پزشکی، محصولات مصرفی، نمونه قطعات خودرو و نمونه‌های اولیه با پرداخت عالی به کار می‌روند.  

همچنین، گفتنی است که برخی رزین‌های خاص مانند PEI در دماهای بالا فوق‌العاده مقاوم هستند و امکان استفاده از آن‌ها برای ساخت بخش‌های نزدیک به موتور خودرو یا هواپیما وجود دارد.

قابلیت‌های پرینت سه بعدی SLS در صنعت

به طور کلی، فناوری پرینت سه بعدی SLS برای تولید قطعات انعطاف‌پذیر با دیواره‌های نازک، محکم و البته دقیق مناسب است. خواص موادی که در این روش به کار می‌روند، بسته به نوع کاربرد قابل تغییر و تنظیم خواهد بود. این روش با داشتن چنین ظرفیت‌هایی اکنون به یکی از راه‌حل‌های ارزشمند صنعتی تبدیل شده است. ساخت اجزای سبک، انعطاف‌پذیر و تا حدی پیچیده، یکی از نیازهای بزرگ صنعت امروز است و پرینت سه بعدی SLS می‌تواند در چشم‌انداز این امر مهم جایگاه ویژه‌ای داشته باشد. برخی توانایی‌های این فناوری را باهم مرور کنیم.  

  • تولید ساختارهای پیچیده با دیواره‌های بسیار نازک: با این روش، ساختارهای پیچیده را می‌توان با ضخامت‌های نازک پرینت کرد، از جمله ساختارهای لانه زنبوری که در عین سبکی، بسیار محکم هستند.
  • ایجاد کانال‌های خنک‌کاری همدیس: یکی از نقاط قوت چاپ سه بعدی به روش SLS، تولید قطعات با بخش‌های داخلی متفاوت است. برای مثال، قالب‌های تزریق پلاستیک با کانال‌های خنک‌کاری در داخل آن‌ها پرینت می‌شوند تا حرارت به شکل بهتری منتقل شود و مدت زمان چرخه کاری آن‌ها کاهش یابد.
  • تغییر خواص مواد: با تغییر میزان تراکم ساختار شبکه، انعطاف قطعه کم و زیاد می‌شود. بنابراین درجه سختی یا انعطاف قطعه را می‌توان پیش از پرینت تنظیم کرد.
  • تولید قطعات لاستیک مانند. برخی پرینترهای SLS می‌توانند موادی پرینت کنند که خواصی شبیه به لاستیک دارند. این مواد معمولا برای تولید واشرهای درزبند، اجزای آب‌بندی و سایر قطعاتی که باید کشسان باشند، به کار می‌روند.
محصولی منعطف با ساختاری پیچیده و نازک که با کمک فناوری پرینت سه بعدی SLS تولید شده است.

مواد مناسب چاپ سه بعدی SLS صنعتی

در روش چاپ سه بعدی SLS انواع مختلفی از پودرها استفاده می‌شود که هرکدام برای هدف خاصی طراحی می‌شوند. آن دسته از پرینترهایی که بر پایه نایلون هستند با موادی از قبیل نایلون ۱۲، نایلون ۱۱ و نایلون‌های حاوی شیشه کار می‌کنند که دوام و انعطاف‌پذیری خیلی خوبی دارند و برای تولید نمونه‌های اولیه عملیاتی و محصولات مصرفی مناسب هستند. برای این روش، مواد دیگری نیز همچون PEBA وجود دارند که از خواص اصلی آن‌ها می‌توان به استحکام، انعطاف‌پذیری و کشسانی بالا اشاره کرد.

مزایای فناوری چاپ سه بعدی مولتی جت فیوژن( MJF ) در حوزه‌های صنعتی

هرکجا که بحث «عملکرد بالا» باشد، مولتی جت فیوژن (MJF) می‌تواند موثر واقع شود. دقت بالا، تنوع مواد و پایداری از ویژگی‌های این روش است. افزون برآنکه می‌تواند قطعاتی با اشکال پیچیده، سبک و مقاوم به حرارت بسازد. نوبت آن است که این موارد را به صورت دقیق‌تر بررسی کنیم.

  • ادغام قطعات: در روش چاپ سه بعدی MJF این امکان وجود دارد که چندین قطعه جداگانه را به صورت قطعه‌ای یکپارچه تولید کرد. با این کار، از مراحل مربوط به مونتاژ و سرهم‌بندی قطعات کاسته می‌شود، علاوه برآنکه با ساده‌تر شدن نوع طراحی، احتمال خطا کاهش می‌یابد.
  • تنظیم خواص ماده: با تغییر پارمترهای مربوط به الگوی پرشدن ساختار داخلی قطعه، چگالی و ضخامت دیواره، مهندسان می‌توانند خواص مکانیکی آن را کنترل کنند. این جنبه از فناوری MFJ می‌تواند برای بهینه‌سازی عملکرد قطعات حساس به کار گرفته شود.
  • ساخت هندسه‌های پیچیده: توانایی فناوری پرینت سه بعدی MJF در تولید هندسه‌های عجیب آن هم بدون نیاز به تکیه‌گاه، شگفت‌انگیز است. در زمینه‌هایی مانند آیرودینامیک و دینامیک سیالات، عملکرد قطعات را می‌توان با بهینه کردن شکل آن‌ها ارتقا بخشید اما مسئله اصلی، اغلب تولید این قطعات است که مولتی جت فیوژن می‌تواند به عنوان یک راه‌حل ظاهر شود.
  • طراحی قطعات سبک: ساختار‌های سبک با استحکام ساختاری بالا در این روش به راحتی ساخته می‌شوند. چنین ساختارهایی در صنایع خودرو و هوافضا زیاد به کار می‌روند تا با سبک شدن وسیله نقلیه به ارتقای عملکرد آن و مصرف بهینه‌تر سوخت کمک کنند.
نمونه هایی از محصولاتی با طراحی های پیچیده و منعطف و در عین حال سبک که به کمک فناوری پرینت سه بعدیMJF تولید شده اند.

چه موادی در روش پرینت سه بعدی مولتی جت فیوژن به کار می‌روند؟

در فناوری چاپ سه بعدی مولتی جت فیوژن بستری تعبیه شده که در آن از پودرهای دانه‌ریز ترموپلاستیکی استفاده می‌شود. این پودر می‌تواند متعلق به یک ترموپلاستیک سفت و سخت مانند نایلون PA11، نایلون PA12 و PP باشد، یا پلاستیک انعطاف‌پذیری همچون Estane 3D TPU M95A باشد. انواع مواد دسته نایلون‌ها به ویژه PA12 بیشتر برای ساخت نمونه‌های عملیاتی و قطعات پیچیده به تعداد کم به کار می‌روند. در حالی که ماده‌ای مثل Estane 3D TPU M95A خواص شبه لاستیکی به قطعه می‌بخشد.

عملیات تکمیلی در پرینت سه بعدی صنعتی

انجام عملیات تکمیلی برای بهبود کیفیت سطح، ظاهر و همچنین عملکرد قطعات پرینت سه بعدی تا حدی ضروری است. این دو فرآیند از پرتکرارترین کارهایی هستند که در این مرحله انجام می‌گیرد:

  • پولیش بخار: در پولیش بخار، قطعه پرینت‌شده در معرض یک اتمسفر کنترل‌شده قرار می‌گیرد که از یک بخار حلال اشباع شده است. این بخار، بیرونی‌ترین لایه سطح را ذوب می‌کند تا خطوط روی سطح و برآمدگی‌ها از بین بروند. این روش برای قطعاتی که با فیلامنت های چاپ سه بعدی مانند ABS و ASA پرینت می‌شوند، بسیار موثر است.
  • بید بلاستینگ. منظور از بید بلاستینگ روشی است که در آن ذرات ساینده کوچک با سرعت زیادی به سطح قطعه برخورد کرده و پرداخت آن را بهتر می‌کنند. این ذرات اغلب مهره‌هایی از جنس شیشه یا سرامیک هستند. در فرآیند بید بلاستینگ هرگونه عیوب روی سطح، زبری یا اجزای باقی‌مانده تکیه‌گاه هموار می‌شوند و به طور کلی، برای قطعات فلزی و پلاستیکی به کار می‌رود.

سوالات متداول

پیشرفت مواد، افزایش دقت و توسعه قابلیت‌های فناوری‌های پرینت سه بعدی، همه سبب شدند تا این فناوری از ابزاری برای سرگرمی به یک روش صنعتی قدرتمند تبدیل شود.

با وجود قابلیت طراحی ساختارهای داخلی پیچیده‌تر در فناوری‌های سه بعدی، قطعاتی سبک‌تر تولید به وجود می‌آیند که میزانی از استحکام خود را از دست نمی‌دهند.

خلق طرح‌های داخلی پیچیده و تنظیم الگوی پرشدن بخش‌های درونی یک قطعه، امکان بهینه‌سازی میزان انعطاف‌پذیری آن را به وجود می‌آورد.

زمانی که دقت وجود داشته باشد، قطعات با تولرانس‌ها و استاندارهای صنعتی مطابقت پیدا می‌کنند. در نتیجه، به کار گرفتن آن‌ها در مقاطع حساس با اطمینان بیشتری انجام می‌شود.

نمونه‌سازی سریع، طراحی سبک و صرفه اقتصادی به هنگام تولید در حجم کم از جمله نقاط قوت پرینت سه بعدی در قلمروی صنعت است.

برای بهبود عملکرد و پرداخت سطح این قطعات باید از فرآیندهای پولیش بخار، بید بلاستینگ و پوشش‌دهی سطح استفاده شود.

مطالب پیشنهادی