اختصاصی مرکز ساخت و خدمات پرینت سه بعدی اینوفب: پرینت سه بعدی فیلامنت PLA، امروزه به شدت در زمینه نمونه‌سازی و ساخت پروتوتایپ مورد استقبال صنایع قرار گرفته است. سهولت دسترسی، فرآیند ساده پرینت، عدم نیاز به پردازش و برخی خواص و مزایای ویژه، فیلامنت را به ماده‌ای محبوب در زمینه پرینت سه بعدی تبدیل کرده است. در این مقاله به کاربرد، ویژگی‌ها و هزینه پرینت سه بعدی فیلامنت PLA خواهیم آموخت.
فیلامنت چیست؟
فیلامنت (پلی لاکتیک اسید) یکی از پلاستیک‌های پر‌کاربرد در بخش تولید مواد افزودنی است. این ماده در سال 1930 میلادی توسط والاس کاروترز(Wallace Carothers) ، شیمی‌دان مطرح و سازنده نایلون و نئوپرن، اختراع شد. فیلامنت به صورت رشته یا گلوله به عنوان مصالح تکتولوژی پرینت سه بعدی یا برای ارائه راه‌حل‌های صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
برخلاف بسیاری از دیگر گزینه‌های موجود در بازار، فیلامنت به عنوان یک ترموپلاستیک پایدار در نظر گرفته می‌شود؛ چرا که از منابع محدود به دست نمی‌آید، بلکه از منابع طبیعی و تجدیدپذیر تأمین می‌شود. با توجه به ماهیت دوستدار محیط زیستی این ماده، پرینت سه بعدی فیلامنت PLA بسیار محبوب شده است. در واقع، استفاده از آن به طیف گسترده‌ای از صنایع گسترش یافته است.
فرآیند تولید فیلامنت
همانطور که گفته شد، فیلامنت از منابع ارگانیک و تجدیدپذیر مانند نشاسته ذرت، ریشه تاپیوکا یا نیشکر تشکیل شده است. در واقع تولید پلیمر به لطف تخمیر یکی از این منابع کربوهیدرات، امکان پذیر است. فرآیند تولید این ماده شامل آسیاب محصول طبیعی برای جداسازی ذرت از نشاسته و مخلوط آن با مونومرهای اسید یا لاکتیک است. پس از طی فرآیند، این مخلوط نشاسته، به دکستروز -گلوکز یا شکر ذرت تبدیل می‌شود. در نهایت، تخمیر گلوکز باعث تولید اسید -لاکتیک، جزء اساسی فیلامنت می‌شود که یک ماده سازگار با محیط زیست و تجدید پذیر است؛ البته بسته به شرایط دمایی و رطوبت، امکان دارد این ماده، زیست تخریب پذیر شود.
این که آیا واقعاً می‌توان این ماده را زیست تخریب‌پذیر در نظر گرفت یا خیر، در سال‌های اخیر موضوع بحث بسیاری از محافل تخصصی بوده است؛ زیرا پایداری مواد و تاثیر زیست محیطی آن زیر سوال رفته است. حقیقت این است که پاسخ به این سوال در مورد زیست تخریب‌پذیری فیلامنت، آنقدرها هم که به نظر می‌رسد ساده نیست. اگرچه پلاستیک از منابع تجدیدپذیر به دست می‌آید، اما توانایی آن برای تجزیه شدن توسط موجودات زنده به شرایط هوازی خاص بستگی دارد. بنابراین، فیلامنت زمانی که تحت فرآیندهای کمپوست صنعتی قرار می‌گیرد، می‌تواند به سرعت تخریب شود. در غیر این صورت، تجزیه آن در فضای باز ممکن است 80 سال به بیانجامد و تبدیل به یک آلاینده پلاستیکی دیگر شود.
یکی از دیگر ویژگی‌های فیلامنت این است که به عنوان یک سیال شبه پلاستیک غیر نیوتنی در نظر گرفته می‌شود. این بدان معنی است که ویسکوزیته[1] (Viscosity) ، در فیلامنت، بسته به تنشی که تحت آن قرار می‌گیرد، تغییر می‌کند. بنابراین فیلامنت مقدار ویسکوزیته تعریفی ثابتی ندارد. فیلامنت یک ماده برشی نازک است، به این معنی که ویسکوزیته با تنش اعمال شده کاهش می‌یابد. برای کسب اطلاعات بیشتر در ادامه به بررسی سهولت کاربرد پرینت سه بعدی فیلامنت می‌پردازیم.
پرینت سه بعدی فیلامنت PLA
فیلامنت یکی از پرکاربردترین مواد در پرینت سه بعدی FFF است. این ماده محبوبیت ویژه‌ای میان افرادی که به تازگی وارد صنعت پرینت سه بعدی شده‌اند، کسب کرده است؛ زیرا پرینت سه بعدی فیلامنت PLA بسیار آسان است. به طور کلی می‌توان فیلامنت را در بازار به شکل رشته، گلوله یا گرانول یافت.
اگرچه منبع تغذیه مواد و سیستم ذوب، بسته به فرمت فیلامنت (از طریق یک اکسترودر برای رشته‌ها یا یک قیف برای گلوله‌ها) تغییر خواهد کرد؛ اما ویژگی‌های مواد و قطعات نهایی ثابت است و از یک نوع به نوع دیگر متفاوت نخواهد بود. با این حال، در این مقاله بیشتر بر روی پرینت سه بعدی فیلامنت PLA به شکل رشته تمرکز خواهیم کرد؛ زیرا رشته، رایج‌ترین شکل این ترموپلاستیک است.
ویژگی‌های پرینت سه بعدی فیلامنت PLA
فیلامنت یکی از پرکاربردترین ترموپلاستیک ها در پرینت سه بعدی است و به عنوان یک پلیمر نیمه کریستالی با دمای ذوب بین 170-180 درجه سانتیگراد در نظر گرفته می‌شود. این مقدار در مقایسه با رشته ABS ، که در دمای بین 200 تا 260 درجه سانتیگراد ذوب می‌شود، نسبتاً پایین است. ماهیت این ماده، نیاز به استفاده از سینی گرم و محفظه پرینت محصور را به طور کلی از بین می‌برد. در عین حال، فیلامنت سرعت پرینت بالا و کیفیت قابل قبول را ارائه می‌دهد؛ به عبارت دیگر عملکرد مناسب این ماده، موجب تولید محصولاتی با لبه‌های نسبتاً تیز( به شرط خنک شدن مواد) می‌شود.
همچنین، قطعات به دست آمده تمایل به تغییر شکل بسیار کمی دارند. با توجه به آنچه گفته شد، لازم به ذکر است که فیلامنت نسبت به سایر ترموپلاستیک‌های استاندارد، ویسکوزیته بالاتری دارد. علاوه بر این، فیلامنت‌ها در صورتی که در دمای 15 تا 25 درجه سانتی گراد نگهداری شوند، حداقل 1 سال ماندگاری دارند.
اگر فیلامنت را با ABS، یکی دیگر از رایج‌ترین ترموپلاستیک‌های مورد استفاده در پرینت سه بعدی FDM، مقایسه کنیم، به نتایجی در مورد استحکام و انعطاف‌پذیری بیشتر فیلامنت دست می‌یابیم. به عبارت دیگر فیلامنت با وجود انعطاف‌پذیری از مقاومت بالایی برخوردار است و کمتر در معرض تاب برداشتن است. با این حال به دلیل سهولت فرآیند، همواره توصیه بر پرینت سه بعدی فیلامنت PLA در قطعاتی با پیچیدگی مکانیکی پایین، است.
پرینت سه بعدی فیلامنت PLA معمولاً به مراحل پردازش پیچیده‌ای نیاز ندارد. هنگام جداسازی قطعات، ممکن است مشکلاتی در چسبندگی اولین لایه چاپی ایجاد شود. بنابراین استفاده از چسب‌های مخصوص روی صفحه و حین پرینت سه بعدی فیلامنت PLA، فرآیند برداشتن قطعات را ساده‌تر می‌کند. همچنین برای بهبود وضعیت ظاهری و جلوه هر چه بهتر سطوح، کاربر می‌تواند قطعات پرینتی را سمباده کند. در صورتی که در فرآیند پرینت سه بعدی فیلامنت PLA از تکیه‌گاه استفاده شود، این تکیه‌گاه‌ها به راحتی توسط ابزارهایی قابلیت جداسازی دارند. در صورت استفاده از ساختارهای تکیه‌گاهی محلول هم، این تکیه‌گاه‌ها می‌توانند حل شوند.
کاربرد پرینت سه بعدی فیلامنت PLA
همانطور که بیان شد، فیلامنت یک پلاستیک نسبتاً در دسترس است و به دلیل نحوه به‌کارگیری ساده، پرینت سه بعدی فیلامنت PLA، به ویژه در میان سازندگان، از محبوبیت قابل توجهی برخوردار است. اما این بدان معنا نیست که فقط این مزیت را دارد. خواص آن منجر به تولید قطعات چاپی شکننده می‌شود که خیلی قوی نیستند و همچنین به نور خورشید و دمای بالا حساس هستند. به همین دلیل است که در درجه اول توسط مبتدیان، به ویژه برای ایجاد عناصر تزئینی، وسایل و اسباب بازی‌ها استفاده می‌شود.
با این حال، فیلامنت محدود به دنیای سازندگان نیست. بسیاری از صنایع نیز از این ترموپلاستیک برای نمونه‌سازی استفاده می‌کنند. این موضوع سبب صرفه‌جویی زیادی در هزینه‌های شرکت‌ها می‌شود و فرآیند قالب‌سازی را از میان بر می‌دارد. همچنین، اگرچه پرینت سه بعدی فیلامنت PLA، اولین گزینه‌ی انتخابی افراد نیست، اما صنایعی همچون صنایع خودروسازی نیز می‌توانند از این ماده بهره‌مند شوند. فیلامنت در صنعت خودروسازی در زمینه تولید لوازم جانبی خودروها و یا عناصر خاصی از داشبورد کاربرد دارد.
با این حال، توجه به این نکته مهم است که فیلامنت دمای انتقال پایینی دارد. این خاصیت فیلامنت را برای کاربردهایی که به مقاومت در برابر دمای بالاتر نیاز دارند، نامناسب می‌سازد. به عنوان مثال، صنایع غذایی نباید از این ترموپلاستیک برای تولید ظروف استفاده کند؛ البته فیلامنت، فقط برای تولید ظروفی که به طور مستقیم با مایعات داغ در تماس هستند، کاربرد ندارد! این ماده در تماس با غذا بی‌خطر است و به همین دلیل به طور گسترده در بسته‌بندی مواد غذایی استفاده می‌شود.
تولید کنندگان اصلی فیلامنت
از آنجایی که یکی از پرمصرف‌ترین ترموپلاستیک‌ها در صنعت پرینت FDM/FFF است، تقریباً همه تولیدکنندگان مواد، رشته‌ها یا گلوله‌های فیلامنت را در سری محصولات خود عرضه می‌کنند؛ شرکت‌هایی چون Polymaker، Recreus، Smart Materials یا BASF با نام تجاری Forward AM به ارائه این مواد می‌پردازند. همچنین شایان ذکر است که سازندگان پرینترهای سه بعدی FDM اغلب خود به طور مستقل رشته‌های خود را تولید می‌کنند. در این زمینه تولیدکنندگان فیلامنت زیادی مانند UltiMaker، Stratasys، Prusa یا Zortrax و …، وجود دارند.
هزینه پرینت سه بعدی فیلامنت PLA
قیمت فیلامنت، در حال حاضر بسته به رنگ و ویژگی‌های مورد نظر می‌تواند متفاوت باشد. فیلامنت‌های هیبریدی مانند فیلامنت چوب یا رشته‌های تقویت شده با الیاف، به میزان قابل توجهی افزایش قیمت دارند. با این وجود، قیمت یک فیلامنت استاندارد معمولا بین 20 تا 70 یورو در هر کیلوگرم است. در نهایت، همچنان که قبلاً ذکر شد، پرینترهای سه بعدی با قابلیت استفاده از گلوله‌ها هم وجود دارند. گلوله به مراتب مقرون‌به صرفه‌تر از فیلامنت است؛ به خصوص به دلیل اینکه پردازش نشده است.
[1] ویسکوزیته، لزجت یا گرانروی یک سیال (مایع یا گاز)، پارامتری است که میزان مقاومت آن را در مقابل جاری شدن نشان می‌دهد.
مقالات پیشنهادی:
منبع: 3dnatives.com