پرینت سه بعدی چیست؟ – تعریف و انواع فناوری

پرینت سه بعدی چیست؟ - تعریف و انواع فناوری

دانلود pdf

پرینت سه بعدی، روشی برای ایجاد یک شی سه بعدی لایه به لایه با استفاده از طراحی ایجاد شده توسط کامپیوتر است.
پرینت سه بعدی یک فرآیند افزایشی است که در آن لایه هایی از مواد برای ایجاد یک قسمت سه بعدی ساخته می شود. این برعکس فرآیندهای تولید کاهشی است که در آن طرح نهایی از یک بلوک بزرگتر از مواد بریده می شود. در نتیجه پرینت سه بعدی باعث هدر رفتن مواد کمتری می شود.
پرینت سه بعدی همچنین برای ایجاد اقلام پیچیده و سفارشی کاملاً مناسب است و آن را برای نمونه سازی سریع ایده آل می کند.

فهرست

• از چه موادی می توان استفاده کرد؟
• تاریخ
• فن آوری ها
• انواع فرآیند
• چقدر طول می کشد؟
• مزایا و معایب
• فایل STL چیست؟
• صنایع
• خدمات
• سوالات متداول

از چه موادی می توان در پرینت سه بعدی استفاده کرد؟

انواع مختلفی از مواد پرینت سه بعدی از جمله ترموپلاستیک ها مانند اکریلونیتریل بوتادین استایرن (ABS)، فلزات (از جمله پودر)، رزین ها و سرامیک ها وجود دارد.

تاریخچه پرینت سه بعدی

چه کسی پرینت سه بعدی را اختراع کرد؟
اولین تجهیزات تولید پرینت سه بعدی توسط هیدئو کوداما از موسسه تحقیقات صنعتی شهرداری ناگویا توسعه داده شد، زمانی که او دو روش افزودنی را برای ساخت مدل های سه بعدی اختراع کرد.

چاپ سه بعدی چه زمانی اختراع شد؟

با تکیه بر کار رالف بیکر در دهه 1920 برای ساخت اقلام تزئینی (پتنت US423647A)، کار اولیه هیدئو کوداما در نمونه سازی سریع رزین با لیزر در سال 1981 تکمیل شد. چاک هال از سیستم های سه بعدی اولین چاپگر سه بعدی را در سال 1987 اختراع کرد که از فرآیند استریولیتوگرافی استفاده می کرد. این امر با پیشرفت هایی مانند تف جوشی لیزری انتخابی و ذوب لیزری انتخابی و سایر موارد به دنبال داشت. سایر سیستم‌های پرینت سه بعدی گران قیمت در دهه‌های 1990 تا 2000 توسعه یافتند، اگرچه هزینه این سیستم‌ها با انقضای پتنت‌ها در سال 2009 به شدت کاهش یافت و این فناوری را برای کاربران بیشتری باز کرد.

فن آوری های چاپ سه بعدی

سه نوع گسترده از فناوری چاپ سه بعدی وجود دارد. تف جوشی، ذوب و استریولیتوگرافی.
تف جوشی فناوری است که در آن مواد گرم می شوند، اما نه تا حد ذوب شدن، برای ایجاد اقلام با وضوح بالا. پودر فلز برای تف جوشی لیزری مستقیم فلز استفاده می شود در حالی که پودرهای ترموپلاستیک برای تف جوشی لیزری انتخابی استفاده می شود.
روش های ذوب پرینت سه بعدی شامل همجوشی بستر پودری، ذوب پرتوهای الکترونی و رسوب مستقیم انرژی است، این روش ها از لیزر، قوس الکتریکی یا پرتوهای الکترونی برای چاپ اجسام با ذوب کردن مواد با هم در دماهای بالا استفاده می کنند.
استریولیتوگرافی از فوتوپلیمریزاسیون برای ایجاد قطعات استفاده می کند. این فناوری از منبع نور مناسب برای تعامل با مواد به روشی انتخابی استفاده می‌کند تا مقطعی از جسم را در لایه‌های نازک سخت کند.

فرآیندهای چاپ سه بعدی

انواع پرینت سه بعدی

فرآیندهای چاپ سه بعدی که به عنوان تولید افزودنی نیز شناخته می شود، توسط ISO/ASTM 52900 ساخت افزودنی – اصول کلی – اصطلاحات به هفت گروه طبقه بندی شده اند. تمامی اشکال پرینت سه بعدی به یکی از انواع زیر تقسیم می شوند:

• بایندر جتینگ
• رسوب مستقیم انرژی
• اکستروژن مواد
• جت کردن مواد
• فیوژن بستر پودری
• لمینیت ورق
• پلیمریزاسیون 
• بایندر جتینگ

جت بایندر یک لایه نازک از مواد نیروزا، به عنوان مثال فلز، ماسه پلیمری یا سرامیک را روی پلتفرم ساخت می‌گذارد، پس از آن قطرات چسب توسط یک سر چاپ برای چسباندن ذرات به هم می‌ریزند. این قسمت لایه به لایه می‌سازد و پس از تکمیل پس پردازش ممکن است برای تکمیل ساخت لازم باشد. به عنوان نمونه‌ای از پس‌فرآوری، قطعات فلزی ممکن است به صورت حرارتی زینتر شوند یا با یک فلز با نقطه ذوب پایین مانند برنز نفوذ کنند، در حالی که قطعات پلیمری یا سرامیکی تمام رنگ ممکن است با چسب سیانواکریلات اشباع شوند.
بایندر جت را می توان برای کاربردهای مختلفی از جمله چاپ سه بعدی فلز، نمونه های اولیه رنگی و قالب های سرامیکی در مقیاس بزرگ استفاده کرد.

رسوب مستقیم انرژی

رسوب دهی مستقیم انرژی از انرژی حرارتی متمرکز مانند قوس الکتریکی، لیزر یا پرتو الکترونی برای ذوب سیم یا مواد اولیه پودری در هنگام رسوب استفاده می کند. این فرآیند به صورت افقی برای ساخت یک لایه طی می شود و لایه ها به صورت عمودی برای ایجاد یک قسمت روی هم قرار می گیرند.
این فرآیند را می توان با مواد مختلفی از جمله فلزات، سرامیک ها و پلیمرها استفاده کرد.

اکستروژن مواد

اکستروژن مواد یا رسوب ذوب شده
مدلسازی (FDM) از یک قرقره فیلامنت استفاده می کند که با یک نازل گرم شده به سر اکستروژن تغذیه می شود. سر اکستروژن گرم می شود، نرم می شود و مواد گرم شده را در مکان های تنظیم شده قرار می دهد، جایی که خنک می شود تا لایه ای از مواد ایجاد شود، سپس پلت فرم ساخت به سمت پایین حرکت می کند تا برای لایه بعدی آماده شود.
این فرآیند مقرون به صرفه است و زمان کوتاهی دارد، اما دقت ابعادی کمی دارد و اغلب برای ایجاد یک روکش صاف نیاز به پردازش پس از آن دارد. این فرآیند همچنین تمایل به ایجاد قطعات ناهمسانگرد دارد، به این معنی که آنها در یک جهت ضعیف تر هستند و بنابراین برای کاربردهای حیاتی مناسب نیستند.

جت کردن مواد

پرتاب مواد به روشی مشابه چاپ جوهر افشان عمل می کند، به جز اینکه این فرآیند به جای قرار دادن جوهر روی یک صفحه، لایه هایی از مواد مایع را از یک یا چند هد چاپ رسوب می دهد. سپس لایه ها قبل از شروع مجدد فرآیند برای لایه بعدی، پخت می شوند. جت کردن مواد نیاز به استفاده از ساختارهای نگهدارنده دارد، اما می توان آنها را از یک ماده محلول در آب ساخت که می تواند پس از تکمیل ساخت، شسته شود.
یک فرآیند دقیق، پرتاب مواد یکی از گران‌ترین روش‌های پرینت سه‌بعدی است و قطعات معمولا شکننده هستند و به مرور زمان تخریب می‌شوند. با این حال، این فرآیند امکان ایجاد قطعات تمام رنگی را در مواد مختلف فراهم می کند.

فیوژن بستر پودری

همجوشی بستر پودری (PBF) فرآیندی است که در آن انرژی حرارتی (مانند لیزر یا پرتو الکترونی) به طور انتخابی نواحی یک بستر پودر را به هم جوش می‌دهد و لایه‌هایی را تشکیل می‌دهد و لایه‌هایی بر روی یکدیگر ساخته می‌شوند تا بخشی را ایجاد کنند. نکته ای که باید به آن توجه داشت این است که PBF هر دو فرآیند پخت و ذوب را پوشش می دهد. روش اصلی عملکرد همه سیستم‌های بستر پودری یکسان است: یک تیغه یا غلتک لایه‌ای نازک از پودر را روی سکوی ساخت رسوب می‌کند، سپس سطح بستر پودری با یک منبع حرارتی اسکن می‌شود که ذرات را به صورت انتخابی گرم می‌کند تا آنها را بچسباند. با یکدیگر. هنگامی که یک لایه یا مقطع توسط منبع گرما اسکن شد، پلت فرم به سمت پایین حرکت می کند تا فرآیند دوباره در لایه بعدی آغاز شود. نتیجه نهایی حجمی است که شامل یک یا چند قسمت ذوب شده است که توسط پودر بی پیرایه احاطه شده است. هنگامی که ساخت کامل شد، بستر به طور کامل بلند می شود تا اجازه دهد قطعات از پودر بی پیرایه خارج شوند و هر گونه پردازش پس از آن شروع شود.
تف جوشی لیزری انتخابی (SLS) اغلب برای ساخت قطعات پلیمری استفاده می شود و به دلیل خواص تولید شده برای نمونه های اولیه یا قطعات کاربردی مناسب است، در حالی که فقدان ساختارهای پشتیبانی (تخت پودر به عنوان تکیه گاه عمل می کند) امکان ایجاد قطعات با هندسه های پیچیده قطعات تولید شده ممکن است دارای سطح دانه ای و تخلخل داخلی باشند، به این معنی که اغلب نیاز به پس پردازش وجود دارد.
تف جوشی مستقیم لیزری فلزات (DMLS)، ذوب لیزری انتخابی (SLM) و همجوشی بستر پودر پرتو الکترونی (EBPBF) مشابه SLS هستند، با این تفاوت که این فرآیندها قطعاتی را از فلز، با استفاده از لیزر برای پیوند ذرات پودر به یکدیگر لایه به لایه ایجاد می کنند. در حالی که SLM ذرات فلز را به طور کامل ذوب می کند، DMLS فقط آنها را تا نقطه همجوشی گرم می کند که به موجب آن در سطح مولکولی به هم می پیوندند. هر دو SLM و DMLS به دلیل گرمای ورودی زیاد مورد نیاز فرآیند، به ساختارهای پشتیبانی نیاز دارند. سپس این ساختارهای پشتیبانی در اتر پس از پردازش به صورت دستی یا از طریق ماشینکاری CNC حذف می شوند. در نهایت، قطعات ممکن است تحت عملیات حرارتی قرار گیرند تا تنش های پسماند حذف شوند.
هر دو DMLS و SLM قطعاتی با خواص فیزیکی عالی تولید می کنند – اغلب قوی تر از خود فلز معمولی و روکش های سطحی خوب. آنها را می توان با سوپرآلیاژهای فلزی و گاهی سرامیک هایی که پردازش آنها به روش های دیگر دشوار است استفاده کرد. با این حال، این فرآیندها می توانند گران باشند و اندازه قطعات تولید شده توسط حجم سیستم چاپ سه بعدی استفاده شده محدود می شود.

لمینیت ورق

لمینت ورق را می توان به دو فناوری مختلف تقسیم کرد، تولید اشیاء چند لایه (LOM) و ساخت افزودنی اولتراسونیک (UAM). LOM از لایه های متناوب مواد و چسب برای ایجاد مواردی با جذابیت بصری و زیبایی استفاده می کند، در حالی که UAM از طریق جوشکاری اولتراسونیک به ورق های فلزی نازک می پیوندد. UAM یک فرآیند با دمای پایین و انرژی کم است که می تواند با آلومینیوم، فولاد ضد زنگ و تیتانیوم استفاده شود.

فتوپلیمریزاسیون

فوتوپلیمریزاسیون را می توان به دو روش تقسیم کرد. استریولیتوگرافی (SLA) و پردازش نور دیجیتال (DLP). این فرآیندها هر دو لایه به لایه قطعات را از طریق استفاده از نور برای پخت انتخابی رزین مایع در خمره ایجاد می کنند. SLA از یک لیزر نقطه ای یا منبع UV برای فرآیند پخت استفاده می کند، در حالی که DLP یک تصویر منفرد از هر لایه کامل را روی سطح vat فلاش می کند. قطعات باید پس از چاپ از رزین اضافی تمیز شوند و سپس در معرض منبع نور قرار گیرند تا استحکام قطعات بهبود یابد. هر گونه ساختار پشتیبانی نیز باید برداشته شود و می توان از پس پردازش اضافی برای ایجاد یک پوشش با کیفیت بالاتر استفاده کرد.
ایده آل برای قطعات با سطح بالایی از دقت ابعادی، این فرآیندها می توانند جزئیات پیچیده ای را با سطح صاف ایجاد کنند، و آنها را برای تولید نمونه اولیه عالی می کند. با این حال، همانطور که قطعات شکننده تر از مدل سازی رسوب ذوب شده (FDM) هستند و برای نمونه های اولیه کاربردی کمتر مناسب هستند. همچنین، این قطعات برای استفاده در فضای باز مناسب نیستند زیرا رنگ و خواص مکانیکی ممکن است در معرض نور UV خورشید از بین برود. ساختارهای پشتیبانی مورد نیاز همچنین می‌توانند لکه‌هایی را بر جای بگذارند که برای از بین بردن آنها نیاز به پس پردازش دارند.
چاپ سه بعدی چقدر طول می کشد؟
زمان چاپ به عوامل مختلفی از جمله اندازه قطعه و تنظیمات مورد استفاده برای چاپ بستگی دارد. کیفیت قطعه تمام شده نیز هنگام تعیین زمان چاپ مهم است زیرا تولید اقلام با کیفیت بالاتر زمان بیشتری می برد. چاپ سه بعدی می تواند از چند دقیقه تا چند ساعت یا روز طول بکشد – سرعت، وضوح و حجم مواد همه عوامل مهم در اینجا هستند.

مزایا و معایب

مزایای پرینت سه بعدی عبارتند از:

ایجاد سفارشی و مقرون به صرفه از هندسه های پیچیده:

این فناوری امکان ایجاد آسان قطعات هندسی سفارشی را فراهم می کند که در آن پیچیدگی افزوده بدون هزینه اضافی انجام می شود. در برخی موارد، چاپ سه بعدی ارزان تر از روش های تولید تفریقی است زیرا از مواد اضافی استفاده نمی شود.

هزینه های راه اندازی مقرون به صرفه:

از آنجایی که نیازی به قالب نیست، هزینه های مربوط به این فرآیند تولید نسبتاً کم است. هزینه یک قطعه ارتباط مستقیمی با مقدار مواد مصرفی، زمان صرف شده برای ساخت قطعه و هرگونه پردازش پس از آن دارد.

کاملا قابل تنظیم:

از آنجایی که این فرآیند بر اساس طراحی های کامپیوتری (CAD) است، هر گونه تغییر محصول بدون تاثیر بر هزینه ساخت آسان است.

ایده آل برای نمونه سازی سریع:

از آنجایی که این فناوری امکان تولید دسته‌های کوچک و تولید داخلی را فراهم می‌کند، این فرآیند برای نمونه‌سازی ایده‌آل است، به این معنی که محصولات می‌توانند سریع‌تر از تکنیک‌های تولید سنتی‌تر و بدون اتکا به زنجیره‌های تامین خارجی تولید شوند.

امکان ایجاد قطعاتی با ویژگی های خاص:

اگرچه پلاستیک ها و فلزات رایج ترین مواد مورد استفاده در پرینت سه بعدی هستند، اما زمینه ای برای ایجاد قطعات از مواد مخصوص طراحی شده با خواص دلخواه نیز وجود دارد. بنابراین، برای مثال، می‌توان قطعاتی با مقاومت حرارتی بالا، آب‌گریزی یا استحکام بالاتر برای کاربردهای خاص ایجاد کرد.

معایب پرینت سه بعدی عبارتند از:

می تواند استحکام کمتری نسبت به ساخت سنتی داشته باشد:
در حالی که برخی از قطعات، مانند قطعات ساخته شده از فلز، دارای خواص مکانیکی عالی هستند، بسیاری از قطعات دیگر پرینت سه بعدی شکننده تر از آنهایی هستند که با تکنیک های تولید سنتی ایجاد می شوند. این به این دلیل است که قطعات لایه به لایه ساخته می شوند که بین 10 تا 50 درصد استحکام را کاهش می دهد.
افزایش هزینه در حجم بالا:
تولیدات بزرگ با چاپ سه بعدی گران تر هستند زیرا صرفه جویی در مقیاس مانند سایر روش های سنتی بر این فرآیند تأثیر نمی گذارد. برآوردها حاکی از آن است که هنگام مقایسه مستقیم برای قطعات یکسان، چاپ سه بعدی نسبت به ماشینکاری CNC یا قالب‌گیری تزریقی بیش از 100 واحد مقرون به صرفه‌تر است، مشروط بر اینکه قطعات را بتوان با روش‌های معمولی تولید کرد.

محدودیت در دقت:

دقت یک قطعه چاپ شده به نوع ماشین و/یا فرآیند مورد استفاده بستگی دارد. برخی از چاپگرهای رومیزی تحمل کمتری نسبت به سایر چاپگرها دارند، به این معنی که ممکن است قطعات نهایی کمی با طرح ها متفاوت باشد. در حالی که این می تواند با پس پردازش برطرف شود، باید در نظر گرفت که قطعات چاپ شده سه بعدی ممکن است همیشه دقیق نباشند.

الزامات پس از پردازش:

اکثر قطعات پرینت سه بعدی نیاز به نوعی پس پردازش دارند. این ممکن است سنباده زدن یا صاف کردن برای ایجاد یک پرداخت مورد نیاز، برداشتن پایه های نگهدارنده که اجازه می دهد مواد به شکل تعیین شده ساخته شوند، عملیات حرارتی برای دستیابی به خواص مواد خاص یا ماشینکاری نهایی باشد.

فایل STL چیست؟

یک فایل STL یک قالب ساده و قابل حمل است که توسط سیستم های طراحی به کمک کامپیوتر (CAD) برای تعریف هندسه جامد برای قطعات قابل چاپ سه بعدی استفاده می شود. یک فایل STL اطلاعات ورودی را برای پرینت سه بعدی با مدل‌سازی سطوح جسم به‌عنوان مثلث‌هایی که لبه‌ها و رئوس را با دیگر مثلث‌های همسایه برای پلتفرم ساخت به اشتراک می‌گذارند، ارائه می‌کند. وضوح فایل STL بر کیفیت قطعات پرینت سه بعدی تأثیر می گذارد – اگر وضوح فایل خیلی بالا باشد، مثلث ممکن است با هم همپوشانی داشته باشد، اگر خیلی کم باشد، مدل دارای شکاف هایی است که آن را غیرقابل چاپ می کند. بسیاری از پرینترهای سه بعدی نیاز به یک فایل STL برای چاپ دارند، با این حال این فایل ها را می توان در اکثر برنامه های CAD ایجاد کرد.

صنایع چاپ سه بعدی

با توجه به تطبیق پذیری این فرآیند، پرینت سه بعدی در طیف وسیعی از صنایع کاربرد دارد، به عنوان مثال:

هوافضا

پرینت سه بعدی در صنعت هوافضا (و فضاهای نجومی) به دلیل توانایی ایجاد قطعات سبک و در عین حال پیچیده هندسی مانند بلیسکس استفاده می شود. به جای ساختن یک قطعه از چندین جزء، پرینت سه بعدی اجازه می دهد تا یک آیتم به عنوان یک جزء کامل ایجاد شود و زمان تولید و هدر رفتن مواد را کاهش دهد.

خودرو

صنعت خودرو به دلیل وزن و کاهش هزینه ذاتی، از چاپ سه بعدی استقبال کرده است. همچنین برای نمونه سازی سریع قطعات جدید یا سفارشی برای آزمایش یا ساخت در مقیاس کوچک. بنابراین، به عنوان مثال، اگر قطعه خاصی دیگر در دسترس نباشد، می توان آن را به عنوان بخشی از یک مجموعه کوچک و سفارشی، از جمله ساخت قطعات یدکی، تولید کرد. از طرف دیگر، اقلام یا وسایل را می توان یک شبه چاپ کرد و برای آزمایش قبل از یک دوره تولید بزرگتر آماده است.

پزشکی

بخش پزشکی کاربردهایی برای پرینت سه بعدی در ساخت ایمپلنت ها و دستگاه های ساخته شده پیدا کرده است. به عنوان مثال، سمعک را می توان به سرعت از یک فایل دیجیتالی که با اسکن بدن بیمار مطابقت دارد ایجاد کرد. پرینت سه بعدی همچنین می تواند هزینه ها و زمان تولید را به طور چشمگیری کاهش دهد.

ریل

صنعت ریلی کاربردهای متعددی برای پرینت سه بعدی پیدا کرده است، از جمله ایجاد قطعات سفارشی شده، مانند تکیه گاه بازو برای رانندگان و روکش مسکن برای کوپلینگ قطار. قطعات سفارشی تنها یک برنامه کاربردی برای صنعت ریلی است که از این فرآیند برای تعمیر ریل های فرسوده نیز استفاده کرده است.

رباتیک

سرعت ساخت، آزادی طراحی و سهولت سفارشی‌سازی طراحی، پرینت سه بعدی را کاملاً برای صنعت رباتیک مناسب می‌سازد. این شامل کار برای ایجاد اسکلت بیرونی سفارشی و ربات های چابک با چابکی و کارایی بهبود یافته است.

خدمات چاپ سه بعدی

TWI یکی از قطعی ترین طیف خدمات پرینت سه بعدی، از جمله ذوب لیزری انتخابی، رسوب گذاری لیزری، تولید افزودنی سیم و قوس، تولید افزودنی سیم و پرتو الکترونی و نمونه سازی نمونه اولیه از همجوشی بستر پودر EB و موارد دیگر را دارد.