پرینت سه بعدی سرامیک

پرینت سه بعدی سرامیک مجموعه‌ای از روش‌های ساخت افزایشی است که در آن مادهٔ سرامیکی، به شکل خمیر، دوغاب، پودر یا فیلامنت پرشده، همراه با یک بایندر لایه‌به‌لایه شکل داده می‌شود. قطعهٔ حاصل ابتدا «خام» است؛ سپس بایندر آن در کوره حذف می‌شود و قطعه در دمای بالا تف‌جوشی می‌شود تا ذرات سرامیکی به هم جوش بخورند و قطعه سخت و متراکم شود.

سرامیک‌های مهندسی را به دلیل سختی و دمای ذوب بسیار بالا نمی‌توان مانند پلاستیک یا فلز مستقیم ذوب و چاپ کرد؛ برای همین تقریباً همهٔ روش‌های پرینت سرامیک دو مرحله‌ای‌اند: شکل‌دهی با کمک بایندر، و تف‌جوشی. نتیجه، قطعاتی با هندسه‌های پیچیده و ساختارهای متخلخل است که با روش‌های سنتی شکل‌دهی سرامیک دشوار یا ناممکن‌اند.

مادهٔ اولیه

پودر سرامیکی همراه بایندر: خمیر، دوغاب، پودر یا فیلامنت

روش ساخت

شکل‌دهی لایه‌به‌لایه، سپس حذف بایندر و تف‌جوشی

مزیت اصلی

مقاومت حرارتی و شیمیایی، سختی و هندسهٔ آزاد

محدودیت اصلی

تردی، انقباض در تف‌جوشی و فرایند حساس

1. دههٔ 1990

   روبوکستینگ، یعنی اکستروژن خمیر سرامیکی، در آزمایشگاه ملی سندیا آمریکا معرفی شد و نخستین پژوهش‌ها روی پرینت نوری با دوغاب سرامیکی هم انجام شد.

2. دههٔ 2000

   بایندر جت سرامیکی برای هسته‌ها و قالب‌های ریخته‌گری به کار رفت و روش‌ها از آزمایشگاه به صنعت نزدیک‌تر شدند.

3. دههٔ 2010 تا امروز

   دستگاه‌های تجاری پرینت نوری سرامیک، فیلامنت‌های سرامیکی و روش‌های پاشش مواد، قطعات سرامیکی دقیق‌تر و در دسترس‌تری را ممکن کردند.

• اکستروژن خمیر (روبوکستینگ)

  خمیر غلیظ سرامیکی از نازل خارج و لایه‌به‌لایه روی بستر قرار می‌گیرد؛ این روش در دههٔ 1990 در آزمایشگاه ملی سندیا آمریکا معرفی شد و برای داربست‌ها و ساختارهای متخلخل رایج است.

  کاربرد رایج

  ساختارهای متخلخل، داربست و قطعات متوسط

• فیلامنت سرامیکی (FDM)

  فیلامنت پلیمری پرشده با پودر سرامیک با پرینتر فیلامنتی چاپ می‌شود؛ پلیمر سپس حذف و قطعه تف‌جوشی می‌شود.

  کاربرد رایج

  دسترسی آسان‌تر و قطعات کوچک تا متوسط

• پرینت نوری با دوغاب سرامیکی

  دوغاب سرامیکی حساس به نور، مانند پرینت رزینی SLA و DLP، لایه‌به‌لایه با نور سخت می‌شود؛ دقیق‌ترین روش برای جزئیات ظریف.

  کاربرد رایج

  قطعات دقیق و ظریف، دندانی و فنی

• بایندر جت سرامیکی

  چسب روی بستر پودر سرامیکی پاشیده می‌شود و قطعهٔ خام سپس تف‌جوشی می‌شود.

  کاربرد رایج

  هسته‌های ریخته‌گری و قطعات بزرگ‌تر

• پاشش مواد

  قطره‌های بسیار ریز حاوی ذرات سرامیکی لایه‌به‌لایه پاشیده می‌شوند؛ فناوری نوظهور برای قطعات بسیار دقیق.

  کاربرد رایج

  قطعات ریز با جزئیات بسیار بالا

مقایسه کیفی و کلی است؛ نتیجهٔ واقعی به ماده، دستگاه و فرایند تف‌جوشی بستگی دارد.

قطعهٔ خام سرامیکی هنوز قطعهٔ نهایی نیست. در حذف بایندر، مواد آلی به‌آرامی و با برنامهٔ دمایی کنترل‌شده خارج می‌شوند؛ اگر این کار سریع انجام شود، گاز حاصل قطعه را ترک می‌دهد یا متورم می‌کند. سپس در تف‌جوشی، قطعه تا دمای بالا گرم می‌شود تا ذرات سرامیکی به هم جوش بخورند و فضاهای خالی میانشان کم شود.

نتیجهٔ این دو مرحله، انقباض قابل‌توجه قطعه در همهٔ ابعاد است. این انقباض باید در طراحی و آماده‌سازی فایل جبران شود و یکنواخت بودن ضخامت‌ها اهمیت زیادی دارد، چون بخش‌های ضخیم و نازک به یک اندازه منقبض نمی‌شوند و ممکن است قطعه تاب بردارد یا ترک بخورد. چگالی و استحکام نهایی هم به ماده، روش شکل‌دهی و برنامهٔ تف‌جوشی بستگی دارد.

فیلامنت سرامیکی، فیلامنت پلیمری است که درصد بالایی پودر سرامیک، مانند آلومینا یا زیرکونیا، درون آن پر شده است. این فیلامنت با پرینتر فیلامنتی و تنظیمات مناسب چاپ می‌شود و قطعه‌ای خام با شکل نهایی می‌سازد. قطعهٔ خام هنوز بیشتر رفتار پلیمر را دارد؛ برای رسیدن به قطعهٔ سرامیکی واقعی، پلیمر باید با حلال یا حرارت حذف و قطعه در کوره تف‌جوشی شود.

مزیت این روش، دسترسی آسان‌تر به شکل‌دهی سرامیک با پرینترهای فیلامنتی است؛ محدودیتش، انقباض قابل‌توجه، حساسیت مرحلهٔ حذف بایندر و نیاز به کورهٔ مناسب است. بدون تف‌جوشی، قطعهٔ چاپ‌شده با فیلامنت سرامیکی خواص سرامیک را ندارد و بیشتر برای ظاهر و آزمون فرم مناسب است.

فیلامنت‌های پرینت سه بعدی FDM

• مقاومت حرارتی بالا

  سرامیک‌ها دماهای بسیار بالایی را تحمل می‌کنند و برای محیط‌های حرارتی سخت مناسب‌اند.

• پایداری شیمیایی

  در برابر بسیاری از مواد شیمیایی و خوردگی مقاوم‌اند.

• هندسهٔ پیچیده

  ساختارهای داخلی، شبکه‌ای و متخلخل بدون محدودیت‌های جدی روش‌های سنتی شکل‌دهی سرامیک.

• کنترل تخلخل

  معماری داخلی قطعه برای فیلتراسیون، داربست و مدیریت جریان طراحی می‌شود.

• نمونه‌سازی بدون قالب

  قطعات سرامیکی سفارشی بدون ساخت قالب‌های پیچیده و پرهزینه ساخته می‌شوند.

• سختی و مقاومت سایشی

  سرامیک‌های مهندسی سخت‌اند و در برابر سایش و فرسایش عملکرد خوبی دارند.

1. تردی

   سرامیک‌ها در برابر ضربه و بار کششی ترد هستند و برای قطعاتی که چقرمگی فلز را می‌خواهند مناسب نیستند.

2. انقباض و ترک

   انقباض در حذف بایندر و تف‌جوشی ممکن است به تاب‌برداشتن یا ترک منجر شود.

3. محدودیت ابعاد و ضخامت

   قطعات بزرگ و بخش‌های خیلی ضخیم در تف‌جوشی دشوارند.

4. فرایند حساس و طولانی

   خشک‌سازی، حذف بایندر و تف‌جوشی زمان‌بر هستند و کنترل دقیق می‌خواهند.

5. دقت نهایی

   به دلیل انقباض، رسیدن به تلرانس‌های دقیق بدون پرداخت یا سنگ‌زنی دشوار است.

6. هزینه و دسترس‌پذیری

   تجهیزات، مواد و کوره‌های تف‌جوشی تخصصی و پرهزینه‌اند.

• قطعات مقاوم به حرارت

  اجزای کوره‌های صنعتی، عایق‌های حرارتی و قطعاتی که در دمای بالا کار می‌کنند.

• فیلترهای سرامیکی

  فیلترهای متخلخل با ساختار داخلی کنترل‌شده برای تصفیه و جداسازی در دمای بالا.

• تجهیزات آزمایشگاهی

  قطعات سفارشی از آلومینا و سرامیک‌های فنی برای محیط‌های داغ و شیمیایی.

• داربست‌های پژوهشی

  ساختارهای متخلخل از سرامیک‌های زیستی برای پژوهش‌های بازسازی استخوان؛ کاربرد بالینی نیازمند مجوزهای ویژه است.

• قطعات مقاوم به سایش

  قطعاتی که سختی بالا و اصطکاک کم در برابر فرسایش می‌خواهند.

• هسته‌های ریخته‌گری

  هسته‌ها و قالب‌های سرامیکی پیچیده برای ریخته‌گری دقیق.

1. ضخامت یکنواخت

   ضخامت دیواره‌ها را تا جای ممکن یکسان نگه دارید تا انقباض یکنواخت باشد و قطعه تاب برندارد.

2. بدون گوشهٔ تیز

   گوشه‌ها را گرد کنید؛ گوشه‌های تیز محل تمرکز تنش و ترک‌اند.

3. جبران انقباض

   ابعاد بحرانی را مشخص کنید تا انقباض تف‌جوشی در فایل جبران شود.

4. بخش‌های ضخیم

   بخش‌های خیلی ضخیم را توخالی یا مشبک کنید تا خروج بایندر آسان‌تر و خطر ترک کمتر شود.

5. تکیه‌گاه در کوره

   قطعه باید در کوره روی سطح مناسبی قرار بگیرد؛ بخش‌های آویزان در دمای بالا ممکن است فرو بیفتند.

مادا تکنولوژی پرینت سرامیک با خمیر یا دوغاب و تف‌جوشی سرامیک انجام نمی‌دهد. فیلامنت سرامیکی در فهرست فیلامنت‌های FDM معرفی شده است؛ برای امکان‌سنجی ساخت قطعه با آن، با کارشناسان مشورت کنید. بسیاری از نیازهایی که مشتری را به سمت سرامیک می‌برند، با این راه‌ها هم برآورده می‌شوند:

• قطعات پلیمری مقاوم به حرارت

  وقتی دمای کار در حد پلاستیک‌های مهندسی است: رزین مقاوم به حرارت 250 با MSLA یا فیلامنت‌های PPS-CF و PPA-CF با FDM.

  پرینت MSLA

• قطعات فلزی دما بالا

  برای دمای بالا همراه با چقرمگی فلز: آلیاژ نیکل با پرینت فلزی SLM.

  پرینت SLM

• قالب و الگو برای سرامیک

  الگو و قالب پرینتی برای ریخته‌گری دوغابی سرامیک یا ساخت قالب گچی، به‌جای ساخت دستی مدل.

  پرینت FDM

• نمونهٔ پلیمری پیش از سرامیک

  آزمون فرم، ابعاد و مونتاژ با نمونهٔ پلیمری ارزان، پیش از سفارش قطعهٔ سرامیکی گران.

  خدمات پرینت سه بعدی

بایندر

مادهٔ آلی که ذرات سرامیکی را هنگام شکل‌دهی کنار هم نگه می‌دارد و پیش از تف‌جوشی حذف می‌شود.

قطعهٔ خام

قطعه پس از شکل‌دهی و پیش از تف‌جوشی؛ شکل نهایی را دارد اما شکننده است.

حذف بایندر

خروج کنترل‌شدهٔ بایندر با حرارت یا حلال، پیش از تف‌جوشی.

تف‌جوشی

گرم کردن قطعه در دمای بالا تا ذرات به هم جوش بخورند و قطعه متراکم شود.

انقباض

کوچک شدن قطعه در خشک‌سازی و تف‌جوشی که باید در طراحی جبران شود.

دوغاب

مخلوط روان پودر سرامیک در مایع، برای پرینت نوری یا ریخته‌گری.

روبوکستینگ

نام دیگر پرینت سرامیک با اکستروژن خمیر غلیظ از نازل.

تخلخل

فضاهای خالی درون قطعه که بسته به کاربرد، می‌تواند عیب یا ویژگی طراحی‌شده باشد.