پرینت سه بعدی Multi Jet Fusion (MJF) شرکت HP چگونه کار می‌کند؟ مقایسه کامل با SLS

زمانی که صنعت جای خالی یک فناوری ساخت افزایشی را برای تولید قطعات نهایی پلیمری استحکام بالا را احساس می‌کرد، شرکت HP additive یک راه حل فوق‌العاده قدرتمند به بازار معرفی کرد. فناوری پرینت سه بعدی Multi Jet Fusion یا پرینت سه بعدی MJF، در مقایسه با رقبای قدیمی‌تر خود مانند SLS، بسیار سریع‌تر و دقیق‌تر است. بنابراین چه در بحث‌های نمونه‌سازی و چه تولید قطعات نهایی و مصرفی، توانست در مدت زمان کوتاهی محبوبیت زیادی پیدا کند. علاوه بر همه این موارد، قطعات MJF همسانگردی بالایی دارند و این یعنی از نظر خواص مکانیکی می‌توانند با قطعات تزریق پلاستیک رقابت کنند!

این‌بار در این مقاله، به سراغ یک فناوری پرینت سه بعدی پودری رفته‌ایم که اگرچه سن زیادی ندارد، توانسته است بخش بزرگی از دنیای ساخت افزایشی را به قبضه خود درآورد. برای آشنایی کامل با ابعاد مختلف مولتی جت فیوژن تا پایان این مقاله با ما همراه باشید.

تاریخچه شکل‌گیری و توسعه فناوری پرینت سه بعدی Multi Jet Fusion

شرکت هیولت پاکارد که همه ما آن را با نام HP می‌شناسیم، در سال ۲۰۱۴، با تکیه بر بیش از سه دهه تجربه در توسعه فناوری‌های پرینت جوهرافشان دوبعدی و کنترل میکرولیتری قطرات جوهر، تصمیم گرفت وارد دنیای ساخت افزایشی شود و فناوری اختصاصی Multi Jet Fusion (MJF) را به بازار معرفی کرد.

هدف اصلی HP از این کار، شکستن مرزهای پرینت سه‌بعدی تا به آن روز بود تا فناوری پرینت سه بعدی را از تنها یک روش برای نمونه‌سازی به ابزاری قدرتمند برای تولید قطعات نهایی در حجم بالا و قابل مقایسه با تزریق پلاستیک تبدیل شود. در نتیجه، با معرفی رسمی و عرضه تجاری اولین دستگاه‌های سری HP Jet Fusion در سال ۲۰۱۶، این شرکت با ثبت ده‌ها پتنت جدید در زمینه همجوشی (زینتر) شیمیایی-حرارتی بستر پودری، تحولی شگرف در پایدارسازی خواص مکانیکی قطعات پلیمری پرینت سه بعدی پدید آورد.

معرفی سازوکار تکنولوژی MJF

فناوری Multi Jet Fusion زیرمجموعه سیستم‌های پرینت سه‌بعدی بستر پودر پلیمر (Powder Bed Fusion) محسوب می‌شود، با این تفاوت اساسی که به‌جای استفاده از پرتو لیزری متمرکز و نقطه‌ای (مشابه روش SLS)، از آرایه‌ای متشکل از هزاران نازل پیزوالکتریک حرارتی برای کنترل فرایند ساخت در مقیاس وکسل (Voxel-Level Control) بهره می‌برد.

این نوع پرینتر سه بعدی، با پخش لایه‌های پودر ترموپلاستیک و ترکیب هوشمند دو ماده شیمیایی (Fusing Agent برای جذب انرژی مادون قرمز و Detailing Agent برای کنترل انبساط حرارتی و خنک‌سازی لبه‌ها)، هندسه‌های فوق‌العاده پیچیده‌ای را با کمترین تخلخل، بالاترین دانسیته و رفتار مکانیکی کاملا ایزوتروپیک تولید می‌کند. همچنین، از آنجایی که پودرهای ذوب‌نشده نقش ساپورت طبیعی را ایفا می‌کنند، آزادی عمل در طراحی ساختارهای مشبک (Lattice) و مجموعه‌های یکپارچه‌شده مفصلی در این سیستم بی‌نظیر است.

پرینت سه ‌بعدیMulti Jet Fusion  چگونه یک قطعه را تولید می‌کند؟

فناوری MJF یک چرخه تکرارشونده از پدیده‌های مکانیکی، شیمیایی و حرارتی بوده که شامل پنج مرحله اصلی زیر است:

مرحله ۱: پخش و پیش‌گرم کردن یک لایه پودر

در آغاز، یک غلتک مکانیکی لایه‌ای فوق‌العاده نازک و یکدست از پودر پلیمری را با ضخامت دقیق بین ۷۰ تا ۸۰ میکرون روی پلتفرم ساخت پخش می‌کند. همزمان، لامپ‌های حرارتی سراسری، بستر پودر را به دمایی نزدیک به نقطه ذوب پلیمر می‌رسانند تا در مراحل بعدی انرژی حرارتی کمتری برای همجوشی نیاز باشد و اعوجاج ساختاری قطعه به حداقل برسد.

مرحله ۲: تزریق و پاشش دقیق عوامل شیمیایی مایع

آرایه‌ای از هدهای صنعتی پرسرعت HP (شامل بیش از ۳۰,۰۰۰ نازل میکرومتری) از روی لایه پودر عبور کرده و دو ماده شیمیایی را با دقت وکسل (Voxel-Level) اسپری می‌کنند؛ این دو ماده همانطور که پیشتر به آن‌ها اشاره کردیم عبارت‌اند از:

• عامل جوش‌دهنده (Fusing Agent): مایعی با ضریب جذب حرارتی بالا و رنگ تیره که فقط روی نقاط تشکیل‌دهنده سطح مقطع قطعه تزریق می‌شود.
• عامل ایجاد جزئیات و خنک‌کننده (Detailing Agent): مایعی تبخیری و خنک‌کننده که دقیقا روی خطوط پیرامونی، مرزها و لبه‌های بیرونی قطعه پاشیده می‌شود تا مانع از گسترش حرارت به پودرهای مجاور شود و لبه‌هایی بسیار تیز و صاف ایجاد کند.

مرحله ۳: تابش انرژی مادون قرمز و همجوشی حرارتی

بلافاصله در همان پاس حرکتی، یک منبع قدرتمند تابش مادون قرمز (IR Lamp) از روی کل سطح لایه عبور می‌کند. پودرهایی که آغشته به Fusing Agent هستند انرژی تابشی را به سرعت جذب کرده، به نقطه ذوب کامل می‌رسند و با لایه زیرین جوش می‌خورند؛ در حالی که پودرهای مجاور آغشته به Detailing Agent خنک مانده و بدون ذوب‌شدن باقی می‌مانند.

مرحله ۴: تکرار سیکل ساخت و ساپورت‌گذاری طبیعی

صفحه ساخت به اندازه ضخامت یک لایه (۸۰ میکرون) به سمت پایین حرکت می‌کند و این چرخه (پخش پودر، تزریق مایعات و تابش مادون قرمز) هزاران بار تکرار می‌شود تا تمام حجم قطعات به طور کامل پرینت شوند. اما نکته مهم این است که در تمام طول این فرایند، پودرهای دست‌نخورده و ذوب‌نشده که در اطراف قطعه باقی می‌مانند به عنوان ساپورت عمل می‌کنند؛ به طوری که قطعات معلق درون محفظه به هیچ ساپورتی نیاز نخواهند داشت.

مرحله ۵: خنک‌کاری کنترل‌شده، بازیابی پودر و تمیزکاری نهایی

پس از تمام شدن یک پرینت، محفظه ساخت (Build Unit) به ایستگاه پردازش اختصاصی (HP Processing Station) منتقل می‌شود تا کارهای زیر انجام بگیرد:

1. خنک‌کاری پیوسته: قطعات در دمایی کنترل‌شده سرد می‌شوند تا خواص مکانیکی ایزوتروپیک آن‌ها تثبیت شود.
2. جداسازی و مکش پودر: پودرهایی که به اندازه کافی سفت نشده یا حتی ذوب نشده‌اند توسط سیستم وکیوم جمع‌آوری، فیلتر و با نسبت مشخص با پودر تازه ترکیب می‌شوند تا در پرینت‌های بعدی مورد استفاده قرار بگیرند.
3. سندبلاست: قطعات با شلیک گوی‌های ریز شیشه‌ای یا هوای فشرده (Bead Blasting) تمیز شده و پودرهای چسبیده به سطح کاملا پاک می‌شوند.

کاربردهای صنعتی تکنولوژی پرینت سه بعدی Multi Jet Fusion

پرینت سه بعدی MJF، در صنایع پیشرفته و های‌تک، هم برای نمونه‌سازی و هم تولید قطعات مصرفی به کار می‌رود؛ برخی کاربردهای آن در هر یک از حوزه‌های صنعتی در زیر آمده است:

صنعت خودروسازی: تولید مجاری انتقال هوا، بست‌ها و گیره‌های داخلی، دستگیره‌ها و قطعات سفارشی داشبورد، همچنین ساخت سریع فیکسچرها و جیگ‌های خط مونتاژ بدون نیاز به هزینه‌های سنگین قالب‌سازی.

تجهیزات پزشکی و ارتوپدی: پرینت ارزان و دقیق پروتزها، ارتزهای سفارشی منطبق با آناتومی بدن بیمار، راهنماهای جراحی و پوسته دستگاه‌های ارزیابی سلامت به دلیل سازگاری زیستی نایلون PA 12.

صنایع هوافضا، رباتیک و اتوماسیون: ساخت چنگک‌ها (Grippers) و اتصالات سبک‌وزن برای بازوهای رباتیک، محفظه‌های سنسور و قطعات بهینه‌سازی‌شده از نظر توپولوژی برای کاهش وزن نهایی سازه‌ها.

کالاهای مصرفی و الکترونیک: محفظه لوازم صوتی و تجهیزات الکترونیکی ضدگردوغبار، قاب عینک‌های سبک و ارگونومیک، و تولید قطعات یدکی سفارشی در مدل تحویل به‌موقع (Just-In-Time) بدون انبارداری سنتی.

چه متریال‌هایی را می‌توانیم با پرینت سه بعدی MJF پرینت کنیم؟

بسیاری از متریال‌ها با پرینت MJF سازگار هستند که رایج‌ترین آن‌ها احتمالا PA12، نوعی نایلون است. این نوع پرینترها توانایی پرینت قطعات الاستومری را نیز دارند. در ادامه طیف کامل متریال‌های سازگار با MJF آورده شده است:

• نایلون PA11 (پلی‌آمید ۱۱): بسیار انعطاف‌پذیر و در عین حال چقرمه است، حتی بیشتر از PA12. این متریال گزینه‌ای عالی برای ساخت قطعات نهایی و کاربردی است.
• نایلون PA12 (پلی‌آمید ۱۲): مقاومت فوق‌العاده‌ای در برابر ترک‌خوردگی دارد و کمترین میزان جذب رطوبت را در میان تمام پلی‌آمیدها ثبت کرده است. همچنین گونه‌های تقویت‌شده با ذرات شیشه (Glass-filled) آن نیز در دسترس است. این ماده برای ساخت نمونه‌های اولیه کاربردی بسیار مناسب است.
• پلی‌پروپیلن (PP): ماده‌ای مناسب برای ساخت نمونه‌های اولیه‌ای است که عملکرد پلی‌پروپیلن تولیدشده با قالب‌گیری تزریقی را شبیه‌سازی می‌کنند.
• تی‌پی‌یو 01 (TPU01 – پلی‌یورتان ترموپلاستیک): ماده‌ای است که تعادل بسیار خوبی میان انعطاف‌پذیری و جذب شوک و ضربه ایجاد می‌کند. این متریال امکان پرینت جزئیات با رزولوشن و وضوح بالا را نیز فراهم می‌سازد.
• تی‌پی‌یو M95A (TPU M95A – پلی‌یورتان ترموپلاستیک): مقاومت بالایی در برابر سایش و درصد ازدیاد طول (Elongation) چشمگیری در نقطه شکست دارد. از این ماده می‌توان برای پرینت طیف وسیعی از اقلام مانند کفی کفش، واشرها و درزگیرها (Seals) و نمونه‌های اولیه کاربردی استفاده کرد.
• تی‌پی‌ای (TPA – پلی‌آمید ترموپلاستیک): یک الاستومر سبک‌وزن و فوق‌العاده انعطاف‌پذیر که حتی در دماهای پایین نیز ازدیاد طول چشمگیری از خود نشان می‌دهد.

پرینت سه بعدی MJF در برابر دیگر فناوری‌های پرینت سه بعدی

تکنولوژی پرینت سه‌بعدی Multi Jet Fusion (MJF) شرکت HP به‌عنوان یک راهکار صنعتی بر پایه بستر پودر پلیمر، مرز میان نمونه‌سازی سریع و تولید انبوه را کمرنگ کرده است. در مقایسه با روش‌های قدیمی‌تر مانند FDM و SLA و حتی رقیب مستقیم پودری خود یعنی SLS، فناوری MJF سرعت تولید بسیار بالاتری به ازای هر لایه ارائه می‌دهد و قطعاتی با ساختاری متراکم، رفتار مکانیکی ایزوتروپیک (همسانگرد) و بدون نیاز به ساپورت فیزیکی تولید می‌کند. همه این ویژگی‌ها در کنار بازیافت بهینه پودر، MJF را به گزینه‌ای اقتصادی برای تولید دسته‌ای قطعات کاربردی و همچنین یک جایگزین قوی برای تزریق پلاستیک در تیراژهای تولید پایین تا متوسط تبدیل کرده است.

جدول مقایسه جامع فناوری Multi Jet Fusion (MJF) با سایر فناوری‌های پرینت سه‌بعدی

مزایا و محدودیت‌های پرینت سه ‌بعدی MJF

استفاده از سیستم‌های MJF در خطوط تولید، دارای نقاط قوت چشمگیر و همچنین محدودیت‌های فنی مشخصی است که طراحان پیش از شروع فرایند باید به آن توجه کنند:

مزایا

• سرعت بالا و بهره‌وری اقتصادی: امکان چیدمان متراکم و لانه‌گزینی سه‌بعدی (3DNesting) قطعات در کل حجم محفظه ساخت، بدون تداخل فیزیکی.
• خواص مکانیکی ایزوتروپیک: استحکام و چقرمگی یکنواخت قطعه در تمام محورهای هندسی، ایده‌آل برای کاربردهای تحت بارگذاری و تنش مکانیکی.
• بازیافت پودر با درصد بالا: قابلیت استفاده مجدد از پودرهای ذوب‌نشده با نسبت ترکیب بهینه (معمولا ۲۰ درصد پودر تازه و ۸۰ درصد پودر بازیافتی در نایلون PA 12).

محدودیت‌ها:

• تنوع رنگ اولیه محدود: به دلیل استفاده از عامل Fusing با رنگ خاکستری تیره، خروجی مستقیم پرینترها محدود به طیف خاکستری مات است و دستیابی به رنگ‌های دیگر نیازمند عملیات ثانویه رنگ‌آمیزی است.
• هزینه اولیه تجهیزات: قیمت زیاد پرینترها و ایستگاه‌های پردازش HP باعث می‌شود استفاده از آن بیشتر برای کارگاه‌های صنعتی بزرگ و مراکز خدمات پرینت توجیه‌پذیر باشد.
• تاب‌برداشتگی در سطوح تخت نازک: بخش‌های بسیار نازک با سطح مقطع پهن در صورت عدم رعایت قواعد طراحی، مستعد پیچیدگی یا انحراف حرارتی (Thermal Warping) هستند.

سوالات متداول درباره تکنولوژی MJF (FAQ)

آیا قطعات پرینت‌شده با MJF ضد آب و هوابند هستند؟

قطعات ساخته‌شده با متریال‌های PA 12 و PP دانسیته بالایی دارند و نفوذناپذیری بسیار خوبی در برابر مایعات و گازها از خود نشان می‌دهند. با این حال برای رسیدن به شرایط آب‌بندی کامل صنعتی، استفاده از فرایند تکمیلی سیل‌کردن (Seal) یا پولیش بخار (Vapor Smoothing) پیشنهاد می‌شود.

آیا تکنولوژی Multi Jet Fusion همان بایندر جتینگ (Binder Jetting) است؟

خیر؛ فناوری Multi Jet Fusion با بایندر جتینگ یکسان نیست. اگرچه فرایند کاری این دو ممکن است مشابه به نظر برسد، اما MJF از انرژی حرارتی برای زینتر و جوش‌دادن پودرها به یکدیگر استفاده می‌کند، در حالی که بایندر جتینگ یک فناوری پرینت در دمای اتاق است که از یک چسب مایع برای نگه‌داشتن ذرات پودر بهره می‌برد. به همین دلیل، قطعات تولیدشده با بایندر جتینگ در مقایسه با MJF خواص مکانیکی بسیار ضعیف‌تری دارند.

تفاوت‌های بین پرینت سه‌بعدی MJF و SLS چیست؟

هر دوی آن‌ها روش‌های پرینت سه بعدی بر پایه بستر پودر هستند، اما SLS (که مخفف Selective Laser Sintering یا پخت لیزری انتخابی است) بر خلاف منبع انرژی مادون قرمز در MJF، از یک پرتو لیزر برای ذوب و جوش‌دادن پودرها به یکدیگر استفاده می‌کند.

جمع‌بندی

تکنولوژی Multi Jet Fusion نه فقط یک روش پرینت سه‌بعدی پیشرفته، بلکه پلی مطمئن میان طراحی دیجیتال و تولید نهایی در مقیاس صنعتی است. نداشتن نیاز به سازه‌های ساپورت، آزادی عمل در لانه‌گزینی سه‌بعدی قطعات، نرخ بازیافت بالای پودر و تولید قطعاتی با دانسیته و استحکام یکنواخت در تمام محورها، این فناوری را به گزینه‌ای بی‌رقیب برای صنایعی نظیر خودروسازی، پزشکی و رباتیک تبدیل کرده است. اگرچه سرمایه‌گذاری اولیه بر تجهیزات آن برای کارگاه‌های کوچک سنگین به نظر می‌رسد، اما سرعت بالای تولید و کاهش چشمگیر هزینه‌ تمام‌شده در تیراژهای متوسط، MJF را به یک استاندارد در حوزه ساخت قطعات کاربردی ترموپلاستیک بدل کرده است.