اختصاصی مرکز ساخت و خدمات پرینت سه بعدی اینوفب: انواع پرینت سه بعدی، به عنوان ابزارهای تکنولوژیکی نوآورانه و انقلابی عصر نوین، تغییرات شگرفی را در روش‌های تولید صنایع مختلف و طراحی محصولات ایجاد کرده‌اند. طبق آمار و ارقام، ارزش اقتصادی بازار پرینت سه بعدی در سال 2019 میلادی، 10 میلیارد دلار بود. بر اساس پیش‌بینی‌های صورت گرفته، میزان ارزش اقتصادی این صنعت در سال 2025 میلادی تا 42 میلیارد دلار نیز افزایش خواهد یافت. همچنین پیش‌بینی می‌شود در این سال، حدود 50% از تولیدات صنعتی توسط یکی از انواع پرینت سه بعدی انجام شود. با توجه به محبوبیت این روشِ تولید و مزایای بی‌شماری که این تکنولوژی برای صنایع و مشاغل به ارمغان می‌آورد، ما در این مقاله به بررسی 7 روش ساخت اصلی و 20 روش ساخت فرعی بر اساس طبقه‌بندی‌های استاندارد جهانی پرداختیم. برای آشنایی با ویژگی‌های کلیدی، نحوه کاربرد و ماهیت انواع پرینت سه بعدی، پیشنهاد می‌کنیم به مطالعه این راهنمای جامع ادامه دهید.
چالشی که بسیاری از تازه‌واردان در تکنولوژی پرینت سه بعدی با آن روبرو هستند، تمایز بین انواع مختلف فرآیندهای پرینت سه بعدی است. بسیاری از افراد مبتدی نیز پرینت سه بعدی را روش ساختی توسط رشته‌های پلاستیکی، نازل دستگاه پرینت و چیدمان لایه‌ها روی هم تصور می‌کنند. اما در حقیقت، فرآیند پرینت سه بعدی بسیار فراتر از طی این مراحل است. در واقع، پرینت سه بعدی یا روش تولید افزودنی، اصطلاحی است که چندین فرآیند پرینت سه بعدی بسیار متمایز را توسط ماشین‌آلات و همچنین مواد و مصالح کاملاً متفاوت پوشش می‌دهد.
انواع روش تولید افزودنی را می‌توان بر اساس خروجی نهایی یا نوع مواد و مصالح به کار رفته طبقه‌بندی کرد. اما به صورت کلی یک ساختار جهانی در تکنولوژی توسط سازمان استاندارد بین المللی (ISO)، اعمال شده است. بر اساس این ساختارِ استاندارد، انواع پرینت سه بعدی به 7 روش ساخت اصلی، طبقه‌بندی می‌شود.
- اکستروژن مواد
- پلیمریزاسیون VAT
- فیوژن بستر پودری
- متریال جتینگ
- بایندر جتینگ
- رسوب مستقیم انرژی
- لمینیت ورق
در ادامه این مقاله به بررسی این 7 نوع پرینت سه بعدی اصلی و دیگر زیرمجموعه‌های این روش‌های ساخت خواهیم پرداخت.
1- اکستروژن مواد
همچنان که از نام این روش پیداست، اکستروژن دقیقاً به فرآیند اکسترود مواد از طریق یک نازل اطلاق می‌شود. به طور معمول، ماده به کار رفته در این روش، یک رشته پلاستیکی است که از طریق یک نازل گرم خارج می‌شود؛ در این فرآیند، تقریباً این ماده ذوب می‌شود. دستگاه پرینت مواد را روی یک پلتفرم ساختوساز و در مسیر تعیین‌شده توسط نرم‌افزار قرار می‌دهد. سپس با سرد شدن رشته، یک جسم جامد تشکیل می‌یابد. این روش یکی از رایج‌ترین انواع پرینت سه بعدی است.
ممکن است این روش در نگاه اول ساده به نظر برسد. اما عملاً هیچ محدودیتی برای مواد و مصالح قابل اکسترود در این روش محبوب از انواع پرینت سه بعدی وجود ندارد. پلاستیک، خمیر فلز، بتن، بیوژل و طیف وسیعی از غذاها توسط این روش قابل ساخت هستند. با توجه به این موضوع، کاربرد اکستروژن طیف بسیار گسترده‌ای را شامل می‌شود. پرینترهای سه بعدی از این نوع می‌توانند هزینه متغیری داشته باشند.
انواع پرینت سه بعدی مواد به روش اکستروژن: مدل‌سازی رسوب ذوب شده (FDM)، پرینت سه بعدی در ساختوساز، پرینت میکرو سه بعدی، پرینت سه بعدی زیستی.
مواد و مصالح به کار رفته در روش اکستروژن: پلاستیک، فلزات، مواد غذایی، بتن و طیف بسیار متنوعی از مواد و مصالح دیگر.
دقت ابعادی: ± 0.5٪ (حد پایین 0.5 ± میلی‌متر)
کاربردهای رایج روش اکستروژن: نمونه‌های اولیه، محفظه‌های الکتریکی، آزمایش فرم و تناسب، الگوهای ریخته‌گری، خانه‌ها و غیره.
نقاط قوت: کم هزینه‌ترین نوع پرینت سه بعدی، قابلیت کار با طیف گسترده‌ای از مواد و مصالح.
نقاط ضعف: ویژگی‌های مقاومتی نسبتاً کمتر (استحکام، دوام و غیره) و عدم مطابقت اندازه ابعادی دقیق.
2- پلیمریزاسیون vat
پلیمریزاسیون Vat یا پرینت سه بعدی رزین نیز یکی از انواع پرینت سه بعدی است. این نوع پرینت، از یک منبع نور برای پخت (یا سخت شدن) انتخابی رزین فوتوپلیمر در یک خمره استفاده می‌کند. به عبارت دیگر، نور دقیقاً به نقطه یا ناحیه خاصی از پلاستیک مایع هدایت می‌شود تا آن را سخت کند. هنگامی که لایه اول سخت شد، پلتفرم ساخت (بسته به دستگاه پرینت)، به مقدار کمی (معمولاً بین 0.01 تا 0.05 میلی‌متر) به بالا یا پایین حرکت می‌کند. بدین ترتیب، لایه بعدی پخته می‌شود و به لایه قبلی می‌پیوندد. این فرآیند به صورت لایه‌ای تکرار می‌شود تا جسم سه بعدی شکل بگیرد.
پس از انجام فرآیند پرینت سه بعدی، جسم تمیز می‌شود تا رزین مایع باقی‌مانده برداشته شود. پس از طی این مرحله برای افزایش ویژگی‌های مکانیکی قطعه، فرآیند پخت مجدد به یکی از روش‌های نور خورشید یا محفظه UV، آغاز می‌شود. برخی از تولیدکنندگان پرینترهای سه بعدی، به ویژه سازندگان دستگاه‌های پرینت حرفه‌ای، انواع منحصر‌به‌فردی از این روش را توسعه داده‌اند. تا جایی که با توسعه این روش‌ها، اختراعاتی در زمینه پلیمریزاسیون ثبت نموده‌اند. بنابراین ممکن است نام‌های مختلفی از انواع پرینت سه بعدی پلیمریزاسیون را در بازار مشاهده کنید.
انواع پرینت سه بعدی مواد به روش پلیمریزاسیون: استریولیتوگرافی (SLA)، نمایشگر کریستال مایع (LCD)، پردازش نور دیجیتال (DLP)، میکرو استریولیتوگرافی (µSLA) و غیره.
مواد و مصالح به کار رفته در روش پلیمریزاسیون: انواع رزین فوتوپلیمر (ریخته‌گری، شفاف، صنعتی، زیست سازگار و غیره)
دقت ابعادی: ± 0.5٪ (حد پایین ± 0.15 میلی‌متر یا 5 اینچ نانومتر در µSLA)
کاربردهای رایج: نمونه‌های اولیه پلیمری قالب تزریقی و قطعات مصرفی نهایی، ریخته‌گری جواهرات، کاربردهای دندان‌پزشکی و سایر محصولات مصرفی.
نقاط قوت: سطح صاف، کیفیت در جزئیات و ویژگی‌های ظریف.
3- فیوژن بستر پودری (PBF)
همجوشی بستر پودری(PBF) یکی از روش‌های ساخت نوینِ انواع پرینت سه بعدی توسط منبع انرژی حرارتی است. در این روش یک منبع انرژی حرارتی، ذرات پودر (پلاستیک، فلز یا سرامیک) را به صورت انتخابی ذوب می‌کند تا یک جسم جامد به صورت لایه‌ای ایجاد شود. دستگاه‌های پرینت سه بعدی همجوشی بستر پودری، یک لایه نازک از مواد پودری را روی صفحه پرینت پخش می‌کنند؛ این کار معمولاً با یک تیغه یا یا غلتک صورت می‌گیرد. انرژی لیزر، نقاط خاصی را روی لایه پودر ذوب می‌کند. سپس لایه پودری دیگری رسوب می‌کند و به صورت مذاب به لایه قبلی افزوده می‌شود. این فرآیند تا اتمام ساخت کل قطعه، تکرار می‌شود. فقط لایه نهایی به صورت مذاب در پودر، حل نمی‌شود.
اگرچه فرآیند ساخت بسته به نوع مواد و مصالح (پلاستیک یا فلز) متفاوت است. اما به طور کلیPBF، می‌تواند قطعاتی با خواص مکانیکی بالا (استحکام، مقاومت در برابر سایش و دوام) را برای کاربردهای نهایی در محصولات مصرفی، ماشین‌آلات و ابزارآلات ایجاد کند. قیمت‌های اولیه این دستگاه‌ها حدود 25000 دلار است. اگرچه این روش ساخت، یکی از مقرون‌به‌صرفه‌ترین انواع پرینت سه بعدی محسوب می‌شود، اما به عنوان یک تکنولوژی حرفه‌ای یا صنعتی نیز در نظر گرفته می‌شود.
انواع پرینت سه بعدی به روش همجوشی بستر پودری: تف جوشی لیزری انتخابی (SLS)، همجوشی بستر پودر لیزری (LPBF)، ذوب پرتو الکترونی (EBM).
مواد و مصالح به کار رفته در روش همجوشی بستر پودری: پودر پلاستیک، پودر فلز و پودر سرامیک.
دقت ابعادی: ± 0.3٪ (حد پایین 0.3 ± میلی‌متر)
کاربردهای متداول: تولید قطعات کم مصرف، کاربردی و پیچیده (طرح‌های توخالی).
نقاط قوت: قطعات کاربردی، خواص مکانیکی عالی، هندسه‌های پیچیده.
نقاط ضعف: هزینه نسبی بالا برای ماشین‌آلات، مواد و مصالح گران قیمت، سرعت ساخت کندتر.
4- متریال جتینگ
متریال جتینگ، یکی دیگر از روش‌های ساختِ انواع پرینت سه بعدی است. فرآیند ساخت این روش از رسوب قطرات ریزِ مواد و مصالح و پخت یا انجماد روی یک صفحه پرینت تشکیل می‌یابد. ساخت همزمان ذرات یک لایه، با خشک شدن توسط فتوپلیمرها یا قطرات موم و قرار گرفتن در معرض نور صورت می‌گیرد. ماهیت فرآیند متریال جتینگ، امکان پرینت سه بعدی یک قطعه یا محصول توسط مواد و مصالح مختلف را ممکن می‌سازد. یکی دیگر از کاربردهای این تکنیک نیز ساخت قطعات در رنگ‌ها و بافت‌های متعدد است.
انواع پرینت سه بعدی به روش متریال جتینگ: پرتاب مواد (MJ)، پرتاب نانوذرات(NPJ) .
مواد و مصالح به کار رفته در متریال جتینگ: رزین فوتوپلیمر (استاندارد، ریخته‌گری، شفاف، درجه حرارت بالا) و موم.
دقت ابعادی: ± 0.1 میلی‌متر
کاربردهای رایج: ساخت نمونه‌های اولیه تمام رنگی، تولید نمونه‌های اولیه قالب تزریقی، قالب‌های تزریقی کم مصرف، مدل‌های پزشکی، مد و فشن.
نقاط قوت: سطح متخلخل، تمام رنگی و امکان تولید با چند ماده مختلف.
نقاط ضعف: مواد و مصالح محدود، نامناسب برای قطعات مکانیکی، هزینه بالاتر نسبت به سایر تکنولوژی‌های رزین برای اهداف بصری.
5- بایندر جتینگ
بایندر جتینگ یکی دیگر از انواع پرینت سه بعدی است که در آن یک عامل پیوند مایع انتخابی برای اتصال لایه پودری به کار گرفته می‌شود. در این تکنولوژی از مواد و مصالح پودری همچون فلز، پلاستیک، سرامیک، چوب، شکر و …، بهره‌مند می‌شوند. همچنین، ماده مایع رسوب شده توسط جوهر افشان‌ها نیز در این روش مورد استفاده قرار می‌گیرد. اساساً فرآیند بایندر جتینگ در تمام مصالح نظیر فلز، پلاستیک، ماسه یا مواد پودری دیگر، یکسان است. ابتدا، یک تیغه یا غلتکِ پوشش مجدد، لایه نازکی از پودر را روی صفحه ساخت پخش می‌کند.
سپس، یک هد پرینت با نازل‌های جوهر افشان از روی صفحه عبور می‌کند. بدین ترتیب، به طور انتخابی قطرات عامل اتصال یا ذوب برای چسباندن ذرات پودر به یکدیگر منتشر می‌شود. پس از تکمیل یک لایه، صفحه ساخت به سمت پایین حرکت می‌کند و تیغه یا غلتک دوباره سطح را می‌پوشاند. سپس این روند تا زمان تکمیل کل قسمت به طور مداوم تکرار می‌شود. پس از طی این مراحل، پرداخت محصول باید انجام شود. چرا که بعد از تکمیل پرینت، قطعات در بستری از مواد پودری محصور شده‌اند. با حفاری مواد، قطعه آماده تحویل می‌شود. لازم به ذکر است که پودر اضافی ناشی از حفاری، قابل جمع‌آوری و استفاده مجدد است.
بسته به مواد و مصالح مورد استفاده، عملیات پسا پردازش برای تکمیل کار مورد نیاز است. البته ماسه، جزء آن دسته از مواد است که معمولاً آماده استفاده به عنوان هسته یا قالب مستقیم از دستگاه پرینت است. هنگامی که مصالح مورد استفاده، پودر فلزی یا سرامیکی است، عملیات پسا پردازش گرماده، منجر به ذوب چسب می‌شود. بدین ترتیب پس از طی این عملیات، فقط فلز یا سرامیک باقی می‌ماند. عملیات پسا پردازشِ قطعات پلاستیکی شامل مرحله پخت و اغلب یک پوشش برای بهبود سطح است. همچنین می‌توان قطعات پرینت شده با چسب پلیمری را پولیش یا رنگ کرد.
برای مدت طولانی، بایندر جتینگ به عنوان یک تکنولوژی “سرد” در نظر گرفته می‌شد. زیرا برخلاف استفاده از لیزر یا پرتوهای الکترونی روی فلز پودری یا پلیمر، هیچ گرمایی در فرآیند پرینت تا زمان عملیات پسا پردازش وجود ندارد. با این حال، در مورد بایندر جتینگ پلیمری، این قضیه ممکن است تا حدودی متفاوت باشد. تعداد فزاینده‌ای از دستگاه‌های پرینت سه بعدی، از یک پلیمر پودری و یک مایع منتشر شده از نازل‌های جوهر افشان استفاده می‌کنند. اما آن‌ها شامل یک جزء حرارتی هستند که برای ذوب ذرات پلیمر عمل می‌کند.
استحکام ساختاری و مقاومت فیزیکی چنین قطعه‌ای بسیار بیشتر از قطعه تولیدی به روش چسب است. بنابراین جای تعجب نیست که شرکت‌هایی مانند HP، Stratasys و Voxeljet ترجیح می‌دهند فرآیندهای جت پلیمری مایع و حرارتی خود را از هم جدا کنند. با این حال، در ادامه به بررسی گسترده‌ترین دیدگاه بایندر جتینگ به‌عنوان تکنولوژی پودر و سیال می‌پردازیم.
بایندر جت، یکی از سریع‌ترین انواع پرینت سه بعدی است و نرخ تولید بالایی دارد. بنابراین می‌تواند حجم زیادی از قطعات را با قیمت مقرون‌به‌صرفه‌تری نسبت به سایر روش‌ها تولید کند. بایندر جتینگ فلزی که با طیف وسیعی از فلزات قابل استفاده است، روش محبوبی برای تولید محصولات مصرفی نهایی، ابزارآلات و قطعات یدکی حجمی است. بایندر جتینگ پلیمری سرد، محدودیتی از لحاظ مواد و مصالح قابل استفاده دارد؛ علاوه بر این، قطعاتی با خواص ساختاری پایین تولید می‌کند.
انواع پرینت سه بعدی در روش بایندر جتینگ: بایندر جتینگ فلزی، بایندر جتینگ پلیمری، بایندر جتینگ شنی، زینترینگ با سرعت بالا، فیوژن جذبی انتخابی.
مواد و مصالح به کاررفته در بایندر جتینگ: ماسه، پلیمر، فلزات، سرامیک و غیره.
دقت ابعادی: ± 0.2 میلی‌متر (فلز) یا ± 0.3 میلی‌متر (ماسه)
کاربردهای رایج: تولید قطعات فلزی کاربردی، مدل‌های تمام رنگی و قالب‌ها.
نقاط قوت: هزینه کم، حجم ساخت زیاد، بازتولید رنگ عالی، سرعت مطلوب پرینت، انعطاف‌پذیری طراحی و عدم نیاز به پشتیبانی.
نقاط ضعف: این روش یک فرآیند چند مرحله‌ای برای فلزات است و قطعات پلیمری ساخته شده با فرآیند سرد از نظر مکانیکی قوی نیستند.
6- رسوب مستقیم انرژی (DED)
رسوب مستقیم انرژی (DED)، یکی از انواع پرینت سه بعدی است که در آن مواد فلزی همزمان با رسوب توسط یک انرژی قدرتمند، تغذیه و ذوب می‌شوند. این روش یکی از گسترده‌ترین انواع پرینت سه‌بعدی است که شامل طبقه‌بندی‌های مختلفی می‌شود؛ اعم از طبقه‌بندی بر حسب مصالح (سیم یا پودر) و طبقه‌بندی بر اساس نوع انرژی (لیزر، پرتو الکترونی، قوس الکتریکی، سرعت مافوق صوت، گرما و …). در اصل (به غیر از روش اکستروژن)، به هر طریقی می‌توان فلز را به‌صورت لایه‌ای کنترل کرد. این روش‌ها، اشتراکات زیادی با جوشکاری دارند.
این تکنولوژی عموماً برای پرینت لایه به لایه مواد و مصالح استفاده می‌شود. اما در بسیاری از موارد نیز برای تعمیر یا افزودن ویژگی‌هایی به اجسام فلزی به کار گرفته می‌شود. به صورت کلی این عملیات با قرار دادن مستقیم مواد و مصالح روی یک قطعه فلزی صورت می‌گیرد. این فرآیند معمولاً توسط ماشین‌کاری CNC برای دستیابی به تلرانس‌های سخت‌تر دنبال می‌شود. استفاده از DED با CNC به قدری رایج و محبوب است که یکی از انواع فرعی پرینت سه بعدی به نام پرینت سه بعدی ترکیبی وجود دارد. همان‌طور که احتمالاً حدس زده باشید، دستگاه‌های پرینت سه بعدی ترکیبی حاوی یک DED و یک CNC در یک واحد دستگاه هستند.
این تکنولوژی به‌عنوان جایگزینی سریع‌تر و ارزان‌تر برای ریخته‌گری و آهن‌گری قطعات فلزی در مقادیر کم به کار گرفته می‌شود. همچنین این روش برای تعمیرات در صنایعی همچون نفت، گاز فراساحلی، هوافضا، تولید برق و صنعت آب ارزشمند است. تکنولوژی پرینت سه بعدی فلزی DED می‌تواند به سرعت یک قطعه فلزی جامد ایجاد کند و سپس تا تلورانس‌های سخت ماشین‌کاری شود.
زیرمجموعه‌های DED را می‌توان بر اساس نوع مواد اولیه یا نوع منبع انرژی تقسیم کرد. ما در این مقاله برای تأکید بر تأثیرات منابع انرژی در محصولات نهایی، طبقه‌بندی رسوب مستقیم انرژی را بر اساس نوع انرژی ارائه می‌کنیم. در صورتی که مواد و مصالح به کاررفته در این روش پرینت، به صورت پودری باشد، معمولاً پودر در کنار گاز بی‌اثر اسپری می‌شود. بدین ترتیب احتمال اکسید شدن کاهش یا از بین می‌رود. با چنین مصالحی، امکان استفاده از چندین پودر برای مخلوط کردن مواد و دستیابی به نتایج متفاوت نیز وجود دارد. هنگامی که ماده اولیه یک سیم است (گزینه ارزان‌تر)، این تکنولوژی به جوشکاری رباتیک تشبیه می‌شود؛ اما در اصل این روش بسیار پیچیده‌تر از جوشکاری است.
انواع پرینت سه بعدی به روش رسوب مستقیم انرژی: رسوب انرژی لیزری پودری، تولید افزودنی قوس سیمی (WAAM)، رسوب انرژی پرتو الکترونی سیمی، اسپری سرد.
مواد و مصالح به کار رفته در روش رسوب مستقیم انرژی: طیف گسترده‌ای از فلزات به شکل سیم و پودر.
دقت ابعادی: ± 0.1 میلی‌متر
کاربردهای متداول روش رسوب مستقیم انرژی: تعمیر قطعات پیشرفته صنایع خودروسازی یا هوا فضا، تولید نمونه‌های اولیه کاربردی و قطعات نهایی.
نقاط قوت: نرخ ساخت بالا، توانایی الحاق یک قطعه فلزی به اجزای موجود.
نقاط ضعف: عدم توانایی در ساخت سازه‌های نگهدارنده یا اشکال پیچیده، کیفیت سطوح ضعیف و دقت نسبتاً پایین.
7- لمینیت ورق
لمینیت ورق، یکی از انواع پرینت سه بعدی است از نظر فنی تفاوت چشمگیری با تکنولوژی‌های فوق دارد. البته که عملکرد نسبتاً مشابهی با سایر روش‌های پرینت دارد. فرآیند تولید لمینت ورق شاملِ انباشت و لایه لایه کردن ورق‌های مواد و مصالح بسیار نازک در کنار هم برای تولید یک جسم سه بعدی است. سپس برای تکمیل فرآیند و تشکیل شکل نهایی، عملیات برش به صورت مکانیکی یا لیزری صورت می‌گیرد. لایه‌های مواد را می‌توان با استفاده از روش‌های مختلفی اعم از گرما و صدا (بسته به ماده مورد نظر)، ذوب و با یکدیگر تلفیق کرد. مواد و مصالح بسیار متنوعی را می‌توان در این روش به کار گرفت؛ اعم از طیف گسترده‌ای از مواد متغیر شاملِ کاغذ، پلیمر، فلزات و … .
پس از لمینیت قطعات، برش لیزری یا ماشین‌کاری به شکل دلخواه انجام می‌شود. این فرآیند منجر به ضایعات بیشتری نسبت به سایر تکنولوژی‌های به کاررفته در انواع پرینت سه بعدی می‌شود. سازندگان از لمینیت ورق برای تولید نمونه‌های اولیه مقرون‌به‌صرفه و غیر‌کاربردی با سرعت نسبتاً بالا استفاده می‌کنند. همچنین می‌توان از این تکنولوژی برای تولید اقلام کامپوزیت استفاده کرد. چرا که مصالح مورد استفاده را می‌توان در طول فرآیند پرینت تعویض کرد.
انواع پرینت سه بعدی به روش لمینیت ورق: ساخت اشیای چند لایه (LOM)و تثبیت التراسونیک (UC).
مواد و مصالح به کاررفته در روش لمینیت ورق: کاغذ، پلیمر و فلز به شکل ورق.
دقت ابعادی: ± 0.1 میلی‌متر
کاربردهای رایج: نمونه‌های اولیه غیر کاربردی، قابلیت پرینت چند رنگ و تولید قالب‌های ریخته‌گری.
نقاط قوت: سرعت در تولید و امکان پرینت کامپوزیت.
نقاط ضعف: دقت پایین، ضایعات بیشتر و نیازمند عملیات پساپردازش برای برخی از قطعات.
مقالات پیشنهادی:
منبع: all3dp