امروزه پرینتر سه بعدی سرامیک به ابزاری کلیدی برای تولید قطعات دقیق، مقاوم و بسیار خاص در صنایع مختلف تبدیل شده است. این پرینترها قادرند با استفاده از فیلامنت سرامیکی و موادی چون آلومینا، زیرکونیا و حتی خاک رس، اشیایی را بسازند که هم از نظر ظاهری چشمنواز باشند و هم از نظر فنی عملکرد بالا داشته باشند.
ترکیب ویژگیهایی مانند مقاومت حرارتی، پایداری شیمیایی و خواص عایق الکتریکی باعث شده که پرینت سه بعدی سرامیک جای خود را در تولید صنعتی، طراحی هنری و کاربردهای مهندسی باز کند.
در این مقاله، ضمن معرفی تکنولوژیها و کاربردهای پرینترهای سرامیکی، به موضوعاتی مانند قیمت پرینتر سه بعدی سرامیک، معرفی نمونه هایی از پرینتر سه بعدی گلی، و انتخاب بهترین گزینه برای ساخت قطعات سفالی یا صنعتی میپردازیم.
جدول بررسی اجمالی پارامترهای اصلی فیلامنت سرامیک (ceramic)
فیلامنت سرامیکی چیست؟
فیلامنت سرامیکی یک ماده نسبتاً جدید برای پرینت سه بعدی سرامیک است که به شما امکان می دهد اشیایی را چاپ کنید که از طریق یک مرحله پس از پردازش به نام تف جوشی، به سرامیک واقعی تبدیل می شوند. این بدان معناست که می توانید فنجان، کاسه، گلدان و حتی ابزارهای چاپ شده سه بعدی با خواص واقعی سرامیک های پخته شده مانند سختی، مقاومت در برابر گرما و حتی ضد آب بودن تولید کنید!
انواع فیلامنت سرامیکی
این نوع فیلامنت از مخلوطی از ذرات خاک رس و یک اتصال دهنده تشکیل شده است. پس از چاپ، جسم باید به آرامی در کوره گرم شود تا اتصال دهنده از بین برود و ذرات خاک رس به هم متصل شوند. این فرآیند جسم را کمی کوچک میکند و به آن استحکام و خواص خاک رس پخته شده میدهد.
این نوع فیلامنت حاوی مخلوطی از ذرات سرامیک و یک اتصال دهنده پلیمری است. اتصال دهنده پلیمری به فیلامنت اجازه می دهد تا در دماهای پایین تر نسبت به فیلامنت قابل تف جوشی از خاک رس چاپ شود و آن را با طیف گسترده ای از چاپگرهای سه بعدی سازگار کند. پس از چاپ، جسم نیز در کوره سوزانده می شود تا اتصال دهنده بسوزد و ذرات سرامیک تف جوشی شوند.
پرینتر سه بعدی سرامیک چیست؟
پرینتر سه بعدی سرامیک دستگاهی است که با استفاده از فناوریهای ساخت افزایشی (Additive Manufacturing) و فیلامنت سرامیکی، قطعاتی از جنس سرامیک را به صورت لایهبهلایه تولید میکند.
برخلاف روشهای سنتی که برای شکلدهی سرامیک به قالبگیری و پخت طولانی نیاز دارند، این پرینترها امکان تولید سریع، دقیق و انعطافپذیر قطعات را فراهم میکنند. اما نکته جالب اینجاست که برای پرینت سه بعدی سرامیک فقط یک روش وجود ندارد؛ بلکه چندین فرآیند مختلف برای این کار بهکار گرفته میشود که هرکدام ویژگیها و کاربردهای خاص خود را دارند.
فناوریهای مورد استفاده در پرینتر سه بعدی سرامیک
در حال حاضر، پنج روش اصلی برای پرینت سه بعدی سرامیک وجود دارد. در تمام این روشها، مرحله نهایی شامل پخت در کوره (و در برخی موارد سینترینگ جداگانه) است تا قطعه سرامیکی نهایی شکل گیرد. در صورت نیاز، قطعات میتوانند لعابکاری شوند تا مناسب استفاده در مواد غذایی، مایکروویو یا ماشین ظرفشویی نیز باشند.
با توجه به دقت بالا، تنوع متریال و سرعت تولید، استفاده از پرینتر سه بعدی سرامیکی روزبهروز در حال گسترش است و بسیاری از شرکتها آن را جایگزین روشهای قالبگیری سنتی میکنند.
انتخاب فناوری پرینت سه بعدی سرامیکی به کاربرد و ویژگی های مورد نظر جسم نهایی بستگی دارد: متخلخل یا متراکم، وضوح بالا یا متوسط، تولید یا نمونه سازی با حجم بالا، اندازه بزرگ یا کوچک و غیره.به همین دلیل، صنایع اغلب خود را به دو یا سه پرینتر سه بعدی سرامیک مختلف مجهز می کنند تا بسته به قطعه مورد نظر از یکی یا دیگری استفاده کنند.
در این بخش به طور مختصر با هر یک از این 5 فناوری اصلی مورد استفاده در انواع پرینتر سه بعدی سرامیک بیشتر آشنا میشویم:
در این روش، خمیر یا دوغاب سرامیکی از نازل خارج شده و لایهبهلایه روی هم قرار میگیرد. دقت آن نسبت به سایر روشها کمتر است، اما برای ساخت قطعات بزرگ بسیار مناسب است. این فناوری شباهت زیادی به پرینتر سه بعدی گلی دارد. این روش که به آن پرینت سه بعدی FDM هم گفته میشود اصلی ترین روش پرینت سه بعدی سرامیک به شمار میرود.
فرآیند چاپ سه بعدی بایندر جت شامل اعمال یک عامل پیوند مایع است که به طور انتخابی بر روی یک بستر پودر قرار می گیرد. پودری که به هم متصل شده است یک لایه جامد را تشکیل می دهد که پایه جسم است.
سپس لایه دوم پودر روی لایه اول گذاشته می شود و این کار تا زمانی که جسم کامل شود تکرار می شود. هنگامی که قطعه به طور کامل پرینت سه بعدی شد، ماده اضافی حذف می شود و قطعه از طریق فرآیند تف جوشی متراکم می شود.
بایندر جتینگ سرامیک
در این روش، از لیزر قدرتمند برای ذوب و جوش دادن ذرات پودر سرامیکی استفاده میشود.
در این فناوری، سوسپانسیون مایع حاوی ذرات نانو سرامیکی با دقت بالا بهصورت قطرهقطره روی سطح چاپ مینشیند.
رزینی حاوی ذرات سرامیکی توسط نور UV سخت میشود. این روش جزئیات بسیار بالایی ارائه میدهد، ولی پس از چاپ نیاز به فرآیند چسبزدایی و سپس پخت دارد.
پرینت سه بعدی SLA شامل استفاده از یک منبع UV (لیزر یا پروژکتور نور) است که بسیار دقیق روی مخزن رزین حساس به نور هدایت می شود. نور پس از تماس، رزین را سخت میکند و لایهای پس از آن، بخش را تشکیل میدهد. در پرینت سه بعدی سرامیکی، رزین ترکیبی از مواد حساس به نور است که به شدت با پودر سرامیک بارگیری می شود.
پرینت سه بعدی SLA فیلامنت سرامیکی
مزایا و معایب استریولیتوگرافی (پرینت سه بعدی SLA) فیلامنت سرامیکی
مزایا |
|
معایب |
|
چالش های استفاده از فیلامنت سرامیکی در پرینتر سه بعدی سرامیک
فیلامنت سرامیکی که یکی از متریالهای روش پرینت سه بعدی FDM است، هنوز به عنوان یک ماده نسبتاً جدید به حساب میآید. چند نکته وجود دارد که هنگام چاپ آن با پرینتر سه بعدی سرامیک باید به خاطر داشته باشید:
- به کوره نیاز دارد: برای تبدیل شیء چاپ شده سه بعدی خود به یک سرامیک واقعی، به کوره نیاز دارید.
- می تواند شکننده باشد: فیلامنت سرامیکی ممکن است نسبت به مواد سنتی چاپ سه بعدی شکننده تر باشد، بنابراین مهم است که با احتیاط با آن برخورد کنید.
- نیازهای چاپ خاصی دارد: برخی از فیلامنت های سرامیکی به تنظیمات چاپ یا هات اندهای خاصی نیاز دارند، بنابراین حتما دستورالعمل های سازنده را با دقت بخوانید.
همین الان سفارش خود را ثبت کنید!
مزایا و کاربردهای فیلامنت سرامیکی
با وجود این چالش ها، فیلامنت سرامیکی یک ماده همه کاره با طیف گسترده ای از کاربردهای بالقوه است. این برای هنرمندان، علاقه مندان و هر کسی که می خواهد اشیاء سرامیکی منحصر به فرد و کاربردی ایجاد کند، ایده آل است.
برخی از مزایای فیلامنت سرامیکی عبارتند از:
1. سختی و مقاومت در برابر سایش: سرامیک ها به دلیل سختی و مقاومت در برابر سایش خود شناخته شده اند. فیلامنت سرامیکی می تواند برای ایجاد اشیاء بادوام و مقاوم در برابر سایش مانند ابزار، قطعات ماشین و تجهیزات پزشکی استفاده شود.
2. مقاومت در برابر حرارت: سرامیک ها همچنین به دلیل مقاومت در برابر حرارت خود شناخته شده اند. فیلامنت سرامیکی می تواند برای ایجاد اشیاء مقاوم در برابر حرارت مانند اجاق گاز، لوازم آشپزخانه و تجهیزات آزمایشگاهی استفاده شود.
3. ضد آب بودن: سرامیک ها همچنین به دلیل خواص ضد آب خود شناخته شده اند. فیلامنت سرامیکی میتواند برای ایجاد اشیاء ضد آب مانند کاشی، لوله و ظروف استفاده شود.
فرآیند پرینت سه بعدی سرامیک
یک باور رایج در مورد پرینت سه بعدی سرامیکی فنی این است که چهار فناوری اصلی آن – پرینت سه بعدی بایندر جتینگ، پرینت سه بعدی SLA (استریولیتوگرافی)، جوهر افشان و FFF (ساخت رشته فیلامنت ذوب شده) – در حال رقابت با یکدیگر هستند. با این حال ، از دیدگاه ما ، آنها مکمل و نیازهای مختلف را تأمین می کنند. قبل از اینکه به جزئیات هر یک از این روش ها بپردازیم، توجه به این نکته مهم است که همه فرآیندهای تولید افزودنی سرامیکی (AM) یک ویژگی مشترک دارند: آنها فرآیندهای چاپ سه بعدی غیر مستقیم هستند. این بدان معنی است که یک چاپگر سه بعدی سرامیکی تنها به عنوان راهی برای شکل دادن به قطعه استفاده می شود، که پس از آن باید فرآیندهای جداسازی و تف جوشی را طی کند.
فرآیند جداسازی مواد ماتریسی را که برای قرار دادن ذرات سرامیکی در شکل مناسب استفاده میشود، حذف میکند، در حالی که فرآیند تف جوشی یک عملیات حرارتی با دمای بالا است که برای متراکم کردن قطعه پس از حذف مواد ماتریس استفاده میشود.
توصیههایی هنگام استفاده از پرینتر سه بعدی سرامیک
استفاده از پرینتر سه بعدی سرامیک، به دلیل ماهیت خاص مواد اولیه و فرایند پخت، نیازمند رعایت نکاتی دقیق و تخصصی است تا نتیجه نهایی با کیفیت مطلوب به دست آید. در ادامه به چند توصیه مهم در این زمینه اشاره میشود:
همیشه از مواد سازگار با مدل پرینتر خود استفاده کنید. خمیرهای سرامیکی، دوغابها یا رزینهای حاوی ذرات سرامیکی باید از لحاظ ویسکوزیته، ترکیب و دانهبندی با سیستم چاپ هماهنگ باشند. در غیر این صورت، ممکن است دچار گرفتگی نازل یا افت کیفیت چاپ شوید.
مواد سرامیکی نسبت به شرایط محیطی حساس هستند. برای جلوگیری از ترک خوردگی یا اعوجاج قطعه، لازم است رطوبت و دمای محیط کنترل شود؛ خصوصاً در مرحله خشک شدن قطعات پس از چاپ.
پیش از هر چاپ، از کالیبر بودن پلتفرم و نازل پرینتر سه بعدی سرامیک خود اطمینان حاصل کنید. هر گونه انحراف کوچک در محورهای حرکتی یا در تنظیمات ارتفاع نازل میتواند منجر به کاهش دقت یا حتی شکست چاپ شود.
بسیاری از روشهای پرینت سه بعدی سرامیک مانند بایندر جتینگ یا DLP نیازمند مرحله «دیبایندینگ» (حذف چسب یا رزین) و سپس پخت در کوره هستند. این مراحل باید با دمای کنترلشده و طبق دستورالعمل سازنده انجام شود تا قطعه دچار ترک، شکست یا تغییر ابعاد نشود.
قطعاتی که برای چاپ سرامیکی طراحی میشوند باید ساختاری مناسب برای این نوع ماده داشته باشند. اجتناب از دیوارههای خیلی نازک یا تغییرات ناگهانی ضخامت، میتواند احتمال شکست یا اعوجاج در مرحله پخت را کاهش دهد.
در هنگام کار با پودرهای سرامیکی، رزینها یا فرآیندهای پخت در کوره، استفاده از ماسک، دستکش، و تهویه مناسب توصیه میشود. برخی از مواد مورد استفاده ممکن است دارای بخارات یا ذرات مضر باشند.
پرینتر سه بعدی گِلی چیست؟
پرینتر سه بعدی گِلی یکی از زیرشاخههای سادهتر پرینترهای سرامیکی است که از فناوری اکستروژن (Extrusion) برای چاپ استفاده میکند. در این روش، خمیر یا دوغاب خاک رس از طریق یک نازل فشرده شده و لایهبهلایه روی یکدیگر قرار میگیرد.
پرینتر سه بعدی گِلی، اگرچه از نظر دقت چاپ نسبت به سایر روشها پایینتر است، اما بهدلیل سادگی، هزینه پایینتر و قابلیت ساخت قطعات بزرگ، گزینهای مناسب برای کارگاههای هنری، مؤسسات آموزشی و طراحان خلاق محسوب میشود. استفاده از پرینتر سه بعدی گِلی امکان تجربه مستقیم فرآیند ساخت سفال و مجسمهسازی را با رویکرد دیجیتال فراهم میکند.
پرینتر سه بعدی سفال چیست؟
پرینتر سه بعدی سفال نیز در اصل نوعی پرینتر سه بعدی گِلی است که بهطور خاص برای ساخت اشیای سفالی مانند ظروف، مجسمهها و آثار هنری طراحی شده است. ماده اولیه پرینتر سه بعدی سفال، اغلب خاک رس با ترکیبات خاص سفالی است که پس از چاپ، وارد مراحل خشکسازی، پخت در کوره و در صورت نیاز، لعابکاری میشود. این دستگاهها در ترکیب هنر سنتی با فناوری نوین نقش مهمی ایفا کردهاند و برای هنرمندان، سفالگران و طراحان کاربردهای بسیاری دارند.
معرفی چند پرینتر سه بعدی سرامیک موجود در بازار
اگرچه بازار پرینترهای سه بعدی سرامیکی در ایران هنوز به اندازه پرینترهای FDM یا رزینی گسترده نیست، اما با رشد جهانی این تکنولوژی و افزایش توجه به کاربردهای مهندسی، پزشکی و هنری آن، گزینههای حرفهای و خانگی متعددی وارد صحنه شدهاند. در این بخش با برخی از مشهورترین پرینترهای سه بعدی سرامیک در دنیا آشنا میشویم که بعضی از آنها در بازار ایران نیز یافت میشوند یا امکان وارداتشان وجود دارد.
Geomars Pro یکی از مدلهای پیشرفته و صنعتی پرینترهای سه بعدی سرامیک است که برای تولید قطعات پیچیده و با دقت بالا طراحی شده است. این پرینتر سه بعدی سرامیک از سیستم فشار کنترلشده برای تزریق خمیر سرامیکی بهره میبرد و میتواند قطعات سرامیکی در مقیاس بزرگ را با دقت و کیفیت بالا چاپ کند. این پرینتر بیشتر برای استفاده در صنایع مختلف از جمله ساخت قطعات الکترونیکی، تجهیزات آزمایشگاهی و ایمپلنتهای زیستی سرامیکی مناسب است.
مدل Geomars Zero نسخه کوچکتر و اقتصادیتر پرینتر Geomars Pro است. این دستگاه بیشتر برای کاربردهای تحقیقاتی، آموزشی و چاپ قطعات کوچک در محیطهای دانشگاهی و کارگاههای هنری طراحی شده است. با اینکه ابعاد آن نسبت به مدل Pro کوچکتر است، همچنان دقت چاپ بالایی دارد و برای تولید قطعات آزمایشگاهی و نمونههای هنری انتخاب مناسبی محسوب میشود.
رونیا یک پرینتر سه بعدی سرامیک است که عمدتاً برای تولید قطعات هنری و تزئینی طراحی شده است. این دستگاه از تکنولوژی PDM (Paste Deposition Modeling) برای چاپ خمیرهای سرامیکی و گل سفالگری استفاده میکند. رونیا برای طراحان و هنرمندان یا کارگاههای تولید گلدانها و قطعات تزئینی بسیار مناسب است و به دلیل رابط کاربری ساده، برای افرادی که به صورت دستی با سرامیک کار میکنند نیز انتخاب خوبی میباشد.
نوین PDM-50 یکی دیگر از پرینترهای سه بعدی سرامیک است که توسط شرکت نوین ماهان ساخته شده و قادر است قطعات سرامیکی را در مقیاس متوسط تا بزرگ تولید کند. این دستگاه از سیستم حرکتی دقیق و مکانیزم سهمرحلهای تزریق خمیر سرامیک بهره میبرد که موجب یکنواختی بیشتر در چاپ قطعات میشود. این مدل برای تولید ظروف بزرگتر، نمونههای تحقیقاتی و قطعات کاربردی سرامیکی مناسب است.
پرینترهای سه بعدی سرامیک خارجی
یک پرینتر صنعتی قدرتمند با فناوری استریولیتوگرافی (SLA) که برای تولید قطعات بزرگ و دقیق سرامیکی طراحی شده است. این دستگاه مناسب خطوط تولید انبوه و قطعات تکنیکی در صنایع هوافضا، پزشکی و خودروسازی است.
از جمله معدود دستگاههایی است که به کمک فناوری اکستروژن با گرانول، میتواند با سرعت بالا قطعاتی کاربردی از سرامیک تولید کند. طراحی مدرن و رابط کاربری ساده این پرینتر سه بعدی سرامیک را به گزینهای جذاب برای کارگاههای پیشرفته تبدیل کرده است.
یکی از مدلهای محبوب در بازار آسیا که به دلیل قیمت مناسب و پشتیبانی از طیف وسیعی از مواد سرامیکی، در میان سازندگان هنری و کاربردی محبوب شده است. این مدل با تکنولوژی Direct Ink Writing کار میکند و برای پرینت آثار هنری، مجسمهها و کاشیهای تزئینی بسیار مناسب است.
اگر به دنبال پرینتر رومیزی برای استفاده خانگی یا آموزشگاهها هستید، این مدل از پرینتر سه بعدی سرامیک 3D Potter با قابلیت استفاده از خاک رس واقعی و طراحی جمعوجور، انتخابی عالی است. برای هنرمندان و طراحان سرامیکی، یک شروع حرفهای و ساده را رقم میزند.
با فیلامنت های دیگر تکنولوژی FDM نیز آشنا شوید
سوالات متداول درباره فیلامنت سرامیک و پرینتر سه بعدی سرامیک
پرینترهای سه بعدی سرامیک با استفاده از تکنولوژیهای مختلفی مانند FDM، بایندرجتینگ،SLA، DLP و... کار میکنند. در اغلب این پرینترها، خمیر سرامیکی به طور لایهبهلایه از طریق نازل چاپگر به سطح چاپ هدایت میشود و سپس این لایهها به هم متصل میشوند تا یک قطعه سهبعدی شکل بگیرد. پس از اتمام چاپ، قطعه باید تحت فرآیند پخت (کال سینترینگ) قرار گیرد تا سرامیک به سختی و استحکام نهایی برسد.
قیمت پرینتر سه بعدی سرامیک بستگی به مدل، برند، اندازه و ویژگیهای فنی دستگاه دارد. به طور کلی، این پرینترها در ردههای مختلف قیمتی قرار دارند:
مدلهای مبتدی و کوچک: این پرینترها که معمولاً برای استفاده در کارگاهها یا فضاهای کوچک طراحی شدهاند، ممکن است قیمتی در حدود ۱۰ میلیون تا ۳۰ میلیون تومان داشته باشند.
مدلهای حرفهای و صنعتی: پرینترهای سهبعدی سرامیک صنعتی که قابلیتهای پیشرفتهتری دارند و برای تولید قطعات بزرگتر و پیچیدهتر استفاده میشوند، معمولاً قیمتهای بالاتری دارند. این دستگاهها میتوانند از ۳۰ میلیون تومان تا بیش از ۱۰۰ میلیون تومان و حتی بیشتر قیمتگذاری شوند.
هزینه مواد: علاوه بر قیمت خود دستگاه، هزینه مواد سرامیکی که برای چاپ استفاده میشود نیز باید در نظر گرفته شود. مواد سرامیکی معمولاً به صورت خمیر یا پودر عرضه میشوند و قیمت آنها بسته به نوع و کیفیت متفاوت است. هزینه مواد میتواند به طور متوسط از ۵۰۰ هزار تومان تا ۵ میلیون تومان برای هر کیلوگرم باشد.
پرینترهای سهبعدی سرامیک معمولاً از انواع مختلفی از مواد سرامیکی استفاده میکنند که معمولاً شامل ترکیبات مختلف گل و سرامیک، خاک رس، و مواد خاص مانند چینی، پتاس و سیلیس است. این مواد به شکل خمیر یا پودر وارد دستگاه میشوند و در حین چاپ به قطعات سرامیکی نهایی تبدیل میشوند.
پرینترهای سهبعدی سرامیک به دلیل توانایی ایجاد قطعات پیچیده با دقت بالا، کاربردهای گستردهای دارند. از جمله مهمترین کاربردهای آنها میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
تولید قطعات هنری و دکوری
ساخت ابزارهای پزشکی و ایمپلنتهای زیستی
ساخت قالبها و ابزارهای صنعتی
ایجاد نمونههای آزمایشگاهی
تولید قطعات خاص برای صنایع خودروسازی و هوافضا
بسته به مدل پرینتر، نیاز به فضای چاپ متفاوت است. مدلهای صنعتی معمولاً به فضای بیشتری برای قرارگیری دستگاه و مواد نیاز دارند. اما برخی مدلها مانند Geomars Zero و رونیا طراحی جمعوجوری دارند که میتوانند در محیطهای کوچکتر مانند کارگاههای هنری یا آزمایشگاههای تحقیقاتی استفاده شوند.
خیر، پرینترهای سه بعدی سرامیک قادر به چاپ قطعات کوچک تا بزرگ هستند. برخی از مدلها مانند Geomars Pro و نوین PDM-50 میتوانند قطعات بزرگتری را چاپ کنند. انتخاب دستگاه مناسب بستگی به ابعاد قطعه و نیاز شما دارد.
بله، پس از چاپ قطعه، معمولاً نیاز به پردازشهای اضافی مانند پخت (sintering) و پرداخت نهایی وجود دارد. این فرایندها کمک میکنند که قطعه سرامیکی به استحکام و دوام نهایی برسد و هرگونه ایرادات ظاهری برطرف شود.
هزینه مواد سرامیکی برای چاپ سهبعدی بستگی به نوع و کیفیت مواد دارد. به طور کلی، مواد سرامیکی تخصصی که برای چاپ سهبعدی استفاده میشوند، ممکن است هزینه بالاتری نسبت به مواد معمولی داشته باشند. البته، این هزینه معمولاً به اندازهی هزینههای اولیه دستگاه پرینتر سرامیک در مقایسه با روشهای سنتی تولید قطعات سرامیکی، به صرفهتر است.
بله، مانند سایر دستگاههای صنعتی، پرینترهای سه بعدی سرامیک نیاز به نگهداری منظم دارند. از جمله موارد مهم نگهداری میتوان به تمیز کردن نازلها، بررسی دمای پرینتر، تعویض قطعات فرسوده و اطمینان از عملکرد درست سیستمهای حرارتی اشاره کرد. همچنین باید از مواد مناسب و با کیفیت استفاده شود تا عمر دستگاه افزایش یابد.