نمونه سازی سریع و پرینتر های سه بعدی (3D PRINTING)

فرآیندهای موجود در نمونه سازی سریع رو می‌توان به روش های مختلفی دسته بندی کرد. مهمترین و کاربردی‌ترین روش‌های نمونه سازی سریع عبارت‌اند از:

فرآیندهای موجود در نمونه سازی سریع رو می‌توان به روش های مختلفی دسته بندی کرد. مهمترین و کاربردی‌ترین روش‌های نمونه سازی سریع عبارت‌اند از:

·        Stereo Lithography (SLA)

·        Selective Laser Sintering (SLS)

·        Laminated object manufacturing (FOM)

·        Three dimensional printing (3DP)

در بین روشهای مختلف نمونه سازی سریع روش Stereo Lithography (SLA) بیشترین کاربرد را دارد. بنابراین این روش بطور مفصلتری بیان می شود.

روش استریولیتوگرافی

سیستم استریولیتوگرافی یا به اصطلاح SLA، اولین روش تجاری تولید سریع قطعات است که برای نخستین بار در سال 1987 در دیترویت آمریکا توسط شرکت 3Dsystems، معرفی و در سال 1988 وارد بازار شد. این فرآیند، ابتدا دقت پایینی داشت ولی با گذشت زمان به سرعت پیشرفت کرد. با ابداع روشهای جدید، امکان تولید ابزار و قطعات فلزی و پلیمری را با استفاده از این دستگاه فراهم کرد.

فرآیند SLA بر پایه دو اصل زیر توسعه یافته است:

·        قطعات از رزین حساس به نور ساخته می‌شوند. رزین مایع در اثر پرتوی تاب لیزر که سطح رزین را اسکن می‌کند، جامد می‌گردد.

·        فرآیند ساخت به صورت لایه لایه انجام می‌گیرد. هر لایه توسط سیستم اسکن اپتیکی اسکن شده و بعد از شکل‌گیری توسط یک مکانیک بالا بر، به سمت پایین می‌رود. انواع زیادی فتو پلیمر مایع وجود دارد که در اثر تابش تشعشع الکترومغناطیس با طول موج اشعه گاما، UV، X، مرئی یا پرتو الکترونی جامد می‌شوند. درصد زیادی از فتوپلیمرهای استفاده در صنعت RP تجاری از جمله دستگاهای SLA قابل جداسازی در دامنه UV می‌باشند.

برای ساخت یک مدل به روش SLA، ابتدا باید توسط یک اسکنر سه بعدی، مدل سه بعدی از قطعه مورد نظر ایجاد کرد و پس از برازش فایل STL نمونه تهیه گردد. عملیات ساخت با پایین رفتن سکوی دستگاه به اندازه ضخامت یک لایه شروع می‌شود. لیزر بر اساس اطلاعات فایل STL به سطح پلیمر تابیده می‌شود تا لایه بعدی ساخته شود. به این ترتیب محصول نهایی تجسم فیزیکی داده‌های CAD خواهد بود.


 

شیوه‌های ساخت مدل به روش استریولیتوگرافی:

در روش استریولیتوگرافی، مدل ها در دو نوع توپر و توخالی ساخته می شوند. مدل توپر که در اکثر موارد با عنوان Master Pattern نامیده می‌شود، با دو روش ACESTM , STAR-WeaveTM و نمونه تو خالی، با روش QuickcastTM ساخته می‌شود.

·        روش QuickcastTM

طراحی این سامانه و کاربردهای اساسی آن در مراکز تحقیقات بنیادین ساندیا و آزمایشگاه پیشرفته لاکهید و تحت پروژه ملی عملیات سریع به وجود آمد.

 

·        روش ACESTM

وقتی از روش ACESTM استفاده می‌شود، داخل مدل تقریباً به طور کامل توسط لیزر سخت می‌شود. در این روش فاصله خطوط اسکن، به اندازه نصف قطر اشعه لیزر است و فقط از رزین‌های اپوکسی که هنگام پلیمریزه شدن، انقباض کمتری دارند استفاده می‌شود. این روش به علت عدم تغییر شکل، بهترین و دقیق‌ترین روش موجود در تکنولوژی استریولیتوگرافی است و در ساخت قطعات دقیق استفاده می شود.

 

·        روش  STAR-WeaveTM

این روش در 1991 توسط شرکت 3Dsystems معرفی شد. در این روش، پر کردن مدل با استفاده از یک سری شبکه ها که در لایه به اندازه نصف فاصله رزین انتقال می‌یابند، انجام می‌شود. در این روش، فقط از رزین‌های اکریلیک که هنگام پلیمریزه شدن منقبض می شوند، استفاده می شود.

کاربردهای روش استریولیتوگرافی:

تکنولوژی SLA نیاز تولیدکنندگان را به کاهش زمان بازاریابی، کاهش هزینه‌های توسعه محصولات جدید و کنترل بهتر فرآیند طراحی فراهم می‌کند. از جمله زمینه های کاربرد این تکنولوژی عبارتند از:

1.       ساخت الگوهای تجسمی و نمایشی.

2.       ساخت نمونه‌های مورد نیاز در طراحی، تحلیل، تایید و آزمایش‌های کاربردی.

3.       تولید قطعات برای ساخت نمونه قالب و قالب‌سازی سریع با شمار پایین.

4.       ساخت الگو برای ریخته گری دقیق، قالب‌گیری و ریخته‌گری ماسه‌ای.

مزایای روش استرلیتوگرافی:

1.       سرعت تولید نسبتاً بالا

2.       کیفیت سطحی بسیار مناسب

3.       دقت ابعادی بین 0.127 تا 0.254 میلی‌متر

4.       ساخت قطعات پیچیده و امکان اتصال قطعات به یکدیگر

5.       دستگاه SLA قادر است به طور شبانه روزی و پوسته تا اتمام ساخت یک مدل کار کند

6.       دستگاه SLA مختلف دارای حجم های ساخت متفاوت می باشند که برای کاربردهای مختلف متناسب هستند

7.       دامنه وسیعی از مواد شامل مواد معمولی تا مواد خاص برای کاربردهای خاص وجود دارد.

 

روش Selective Laser Sintering (SLS)

در این فرآیند ذرات پودر متناظر با مقاطع قطعه، توسط چر تو لیزر Co2 به هم جوش داده شده و لایه‌های متوالی را ایجاد می‌کنند. فرآیند ساخت در SLS شبیه SLA هست با این تفاوت که در این روش ذرات پودری با جنس‌های مختلف از قبیل پلیمرهای سخت و نرم، ماسه، فلزات، سرامیک‌ها و موم جایگزین رزین حساس به نور می‌شنود.

مراحل کار در فرآیند SLS

1.       سیلند قطعه در ارتفاع لازم برای شکل‌دهی اولین لایه قرار می‌گیرد

2.       مواد پودری توسط غلتک از محفظه پودر، روی سطح سیلندر قطعه پخش‌شده و ضخامت لایه نیز توسط همین غلتک تنظیم می‌گردد.

3.       پرتوی لیزر اولین مقطع را روی سطح پودر ترسیم می‌کند. ذرات پودر در اثر برخورد پرتو لیزر گرم شده و به هم جوش می‌خورند. به این ترتیب اولین لایه شکل می‌گیرد.

4.       سیلندر قطعه به اندازه ضخامت اولین لایه به پایین رفته و لایه پودر بعدی پخش می شود.

5.       پرتو لیزر مقطع جدید را اسکن و لایه بعدی را ایجاد می‌کند، به طوری که این لایه به لایه قبلی متصل می‌گردد.

6.       مراحل بالا تا شکل‌گیری همه لایه‌ها ادامه می‌یابد.

مزایای روش SLS

1.       قطعات در محیطی با کنترل دقیق ایجاد می‌شوند و فرآیند و مواد طوری طراحی شده‌اند که خروجی آن قطعات کاربردی است.

2.       دامنه وسیعی از مواد از جمله نایلون، پلی کربن‌ها، فلزات و سرامیک‌ها را می‌توان در این سیستم استفاده کرد. به همین دلیل انعطاف‌پذیری سیستم برای کاربرهای مختلف بسیار بالا است.

3.       عدم نیاز به تکیه‌گاه

4.       نیاز به پس پردازش کم

5.       قطعه تفت جوشی شده به کمک لیزر به‌اندازه کافی صلب بوده و نیاز به پخت نهایی ندارد.

کاربردهای روش SLS

1.       ساخت الگوهای تجسمی و نمایشی

2.       مدل‌های کاربردی و قطعات کاری

3.       الگوهای پلی کربنات که در فرآیند ریخته‌گری دقیق استفاده می‌شوند و ساخت آن‌ها سریع‌تر از ساخت الگوهای مومی است و برای طراحی‌های با دیواره نازک و خصیصه‌های کوچک نیز بسیار مناسب هستند همچنین این الگوها پایدار و مقاوم به حرارت می‌باشند.

4.       به کمک این فرآیند می‌توان قالب‌های فلزی با تیراژ پایین ایجاد نمود.

 

روش Laminated object manufacturing (FOM)

در این رو قطعه از روی هم قرار گرفتن لایه‌های متوالی مواد ورقه‌ای ایجاد می‌شود. در این روش پرتو لیزر متناظر با شمارگرهای محیطی هر مقطع از قطعه، مواد ورقه‌ای را برش می‌دهد. ورقه‌ای برش خورده روی‌هم تشکیل یک بلوک حجمی می‌دهند که در نهایت قطعه از درون بلوک خارج می‌گردد. مواد ورقه‌ای کاغذی که لایه‌ها از آن ساخته می‌شوند، به صورت یک رول پیوسته که توسط غلط‌هایی از یک طرف میز دستگاه باز شده و اضافه آن از طرف دیگر جمع می‌شوند. یک غلتک حرارتی، فشار و حرارت لازم را برای چسباندن هرلایه به لایه قبلی را فراهم می‌کند.

 

مزایای روش LOM

1.       در این فرآیند قطعات با ضخامت لایه‌های بزرگ‌تر، سریع‌تر ساخته می‌شوند. به همین دلیل فرآیند LOM برای ساخت قطعات بزرگ و حجیم مناسب است.

2.       دقت دستیابی در این فرآیند معمولاً کوچک‌تر از 0.127 میلی‌متر است.

3.       در فرآیند LOM نیازی به تکیه‌گاه اضافی وجود ندارد.

4.       از آنجایی که تغییر فازهای فیزیکی و شیمیایی در مواد ورقه‌ای اعمال نمی‌شود، نیازی به پخت نهایی نیست.

5.       قطعات تمام شده در LOM عاری از هرگونه تنش‌های پسماند یا دیگر تغییر شکل‌ها می‌باشند.

کاربردهای روش LOM

1.        مدل‌های LOM را مانند مدل‌های چوبی، می‌توان پرداخت و رنگ‌آمیزی نمود و آن‌ها را به شکل محصول نهایی درآورد.

2.       از قطعات LOM می‌توان برای بازبینی طراحی و ارزیابی عملکرد قطعه استفاده نمود.

3.      ساختار قطعات LOM به گونه ای است که بسته به نوع ماده آب‌بندی یا پرداخت مورداستفاده، می‌توان از آن‌ها در بیشتر روش‌های قالب‌ساز به عنوان الگو استفاده کرد.

4.       ساخت قالب‌های بزرگ و دو تیکه با این روش بسیار مقرون به‌صرفه هست.

 

 

روش Fused deposition molding

در این فرآیند لایه‌ها از مواد ترموپلاستیک که به شکل مفتول رشته‌ای هست، ساخته می‌شود. همانند سایر روش‌های RP در این روش نیز از مدل لایه‌لایه استفاده می‌شود. موادی که در این روش کاربرد دارند عبارت‌اند از ABS، پلی کربنات، پلی فنیل سلفون و موم. ماده ترموپلاستیک با دمایی کمی پایین‌تر از دمای ذوب از طریق یک نازل اکسترود می‌شود. همزمان با اکسترود مواد نازل متناظر با مقطعی از مدل در راستای X و Y حرکت کرده و لایه های از قطعه را ایجاد می‌کند. نازل دیگری به طور همزمان تکیه گاهای مورد نظر را ایجاد می‌کند. این فرآیند همانند نوشتم حروف روی کیک به‌وسیله کلات است. نمونه‌های ساخته شده از  ABS قطعات کاملاً کاربردی هستند که 85 درصد استحکام محصول اصلی را دارند.

 

کاربردهای روش FDM

1.       در این روش قطعات توسط اکستروژن مواد نیمه مذاب ایجاد می شوند بنابراین فقط به میزان مورد نیاز برای ساخت مدل و تکیه‌گاه از مواد اولیه مصرف می‌شود و اتلاف مواد حداقل هست.

2.       با استفاده از BASS و WWSS تکیه گاه‌های ایجادشده در فرآیند FDM به‌راحتی قابل شکستن و شستن از مدل می‌باشند.

3.       مواد به‌صورت قرقره یا به‌صورت کارتریج مصرف می‌گردند و بنابراین به‌راحتی در حین کار قابل جابه جایی و تعویض می‌باشند.

 

 

روش Three dimensional printing (3DP)

چاپ سه‌بعدی به دلیل شباهتش به چاپگرهای جوهرافشان چاپ سه‌بعدی نامیده می‌شود. با این تفاوت که به‌جای جوهر از چسب مایه استفاده می‌شود. موارد مورداستفاده در این روش به‌صورت پودرهایی از جنس سرامیک‌ها، فلزات، پلیمرها و کامپوزیت‌ها می‌باشند. ذرات پودر به کمک چسب به هم متصل شده و لایه‌ها را ایجاد می‌کنند.

 

 

مزایای روش چاپ سه بعدی

1.        سرعت بالا

2.       کاربرد چندگانه در معماری، اتومبیل‌سازی، آموزشی، پزشکی، صنایع هوافضا و موارد دیگر

3.      ساخت قطعات رنگی

کاربردهای روش چاپ سه بعدی

1.       ساخت الگوهای تجسمی و نمایشی

2.       ساخت پوسته‌های سرامیکی برای ریخته‌گری فلزی.

3.       توسط این فرآیند می‌توان ابزارهای فلزی و توپی‌های قالب‌گیری تزریقی را به‌طور مستقیم ساخت.

4.       ساخت سرامیک‌های ساختمانی با اشکال پیچیده.