تولید افزودنی و یا چاپ سه بعدی، از سال ۱۹۸۰ معرفی و خیلی زود به سریع ترین و ارزان ترین راه برای تولید اولیه محصولات صنعتی و دیگر صنایع تبدیل شد.
تکنولوژی FDM رایج ترین روش چاپ سه بعدی:
محبوبترین روشی که در سال ۱۹۹۲ توسط اسکات کرامپ اختراع شد و از آن زمان تاکنون برای تولید نمونه های اولیه با استفاده از چاپ سه بعدی یا روش تولید افزایشی استفاده می شود، تکنولوژی اف دی ام FDM است.
سیر و تحول این روش به گونه ای بود که خیلی سریع به مقرون به صرفه ترین و سریع ترین روش برای تولید کالاهای سفارشی تبدیل شد. پرینترهایی که با این فرایند کار می کنند از یک فیلامنت ترموپلاستیک مانند ABS یا PLA تغذیه می کنند که با ذوب کردن این فیلامنت و سپس اکسترود کردن آن، جسم سه بعدی را به صورت لایه به لایه تشکیل می دهد.
نحوه کار:
ابتدا فایل سه بعدی جسم مورد نظر خود را از طریق کامپیوتر و نرم افزارهای سه بعدی طراحی کرده و با فرمت قابل شناسایی برای پرینترهای سه بعدی ذخیره می کنیم (در حال حاضر مناسب ترین فرمت، STL می باشد). فایل ذخیره شده را بر روی SD کارت کپی کرده و به چاپگر متصل می کنیم. حال با روشن کردن دستگاه، محتوای حافظه جانبی برای پیدا کردن فایل print جستجو را آغاز کرده و به محض یافتن و خواندن آن، شروع به ساخت جسم سه بعدی به صورت لایه به لایه می کند. برای ساخت لایه ها، مواد پلاستیکی از طریق یک سیم پیچ و منبع تغذیه به نازل اکستروژن هدایت شده و این نازل با ذوب کردن مواد اولیه، آنها را بر روی پلت فرم ساخت، اکسترود می کند. نازل و پایه همزمان با هم در تماس اند به طوری که ابعاد شئ به مختصات x,y,z توسط پایه و نازل در هنگام چاپ کنترل می شود.
در این روش، نازل اکسترودر حرکتی افقی و عمودی را برای رسم مقطع نمونه مورد نظر بر روی پلت فرم طی می کند. این لایه نازک که از پلاستیکی سخت می باشد، بلافاصله به لایه زیرین چسبیده و هنگامی که لایه کامل می شود با دقتی معادل یک شانزدهم اینچ برای ساخت لایه بعدی حرکت می کند. زمان چاپ و تولید نمونه بستگی به ابعاد نمونه ای دارد که در حال تولید است. اشیاء کوچکتر (در حدود چند اینچ مکعب) و اجسام با طول بیشتر ولی ضخامت کم را به سرعت چاپ می کند. ولی اشیائی که دارای پیچیدگی های بالا و ابعادی بزرگتر هستند، سرعت دستگاه را نسبت به حجم کار، کاهش می دهند. اما در مقایسه با روش های SLA و SLS این روش نسبتاً کند می باشد.
کاربرد FDM:
۱- این روش برای مدل های مفهومی، تست نمونه و برقراری ارتباط بین طراحی و نمونه نهایی، بسیار مناسب است.
۲- نمونه هایی که تولید می شود می تواند نمونه های اولیه کاربردی باشد که در سنجش عملکرد نمونه نهایی به کار می رود.
۳- برای تولید قطعات پایانی بدون اینکه برای ساخت قالب آن زمان و هزینه زیادی را هدر دهد، به کار می رود.
۴- ساخت ابزارها را بسیار سریعتر از دستگاه های تولید، قالبسازی و تولید انجام می دهد و نیاز به تراشکاری دوباره ندارد.
صنایع FDM:
صنایعی که از این روش می توانند برای تولید نمونه های اولیه خود استفاده کنند به شرح زیر است:
۱- هوافضا
۲- خودروسازی
۳- تجاری
۴- مصرف کنندگان
۵- صنعتی
۶- پزشکی
مزایای استفاده از FDM:
آزادی در طراحی:
آزاد بودن در طراحی همیشه از آرزوهای طراحان بوده که هر چه می خواهند طراحی کنند را بدون کم و کاست بتوانند بسازند. با استفاده از FDM و چاپ سه بعدی، این آرزوی دست نیافتنی محقق شده است. از زمانی که این تکنولوژی ساخت روی کار آمده است، نمونه های پیچیده با جزئیات جانبی و نمونه هایی با ویژگی های درونی، برای ساخت و تولید قطعات و نمونه های اولیه، بسیار آسان شده و برای تولیدات طراحی شده سه بعدی، بسیار کارآمد است.
تولید قطعات:
FDM این امکان را به ما می دهد که با استفاده از مواد ترموپلاستیک قطعات و مدلهای مورد نظر خود را به راحتی و به سرعت تولید کنیم. مزیت این تکنولوژی در توانایی تولید قطعات سفارشی با عملکرد و مقاومت بالا و به سرعت است که این قطعات تولید شده با دوام و محکم بوده، در مقابل حرارت و مواد شیمیایی مقاوم هستند و در طیف گسترده از برنامه های کاربردی می توان از آنها استفاده کرد.
اختراع مجازی:
با FDM و یک دستگاه چاپگر سه بعدی؛ اختراعات مجازی شما دیگر خارج از تصور نبوده و می توانید تخیلات خود را به طور واقعی بسازید و لمس کنید. برای ساخت نمونه های خود نیاز تنها به طراحی سه بعدی دارید و پس از آن می توانید تغییراتی را در طراحی خود بدون نیاز به قالب سازی دوباره ایجاد کنید و دیگر زمانهای طولانی و هزینه های بالایی را برای تولید محصولات خود صرف نکنید.
مهندسی با پلاستیک:
از پلاستیک هایی که برای استفاده در این تکنولوژی به کار می روند می توانیم به ABS ، PLA ، پلی کربنات و … اشاره کنیم. نمونه هایی که با این مواد ساخته می شوند برای تولیدات با حجم کم و تست عملکرد آنها در محیط های سخت، بسیار مناسب بوده و لایه سازی آنها در تولید افزایشی، بسیار دقیق می باشد.
تکنولوژی SLA:
استریولیتوگرافی و به اختصار SLA یکی از انواع تکنولوژی هایی است که برای چاپ سه بعدی استفاده می شود و طی آن مواد اولیه از جنس پلاستیک مایع به نمونه های جامد تبدیل می شود. این فرایند را برای اولین بار در سال ۱۹۸۶ چارلز هال از بنیانگذاران شرکت ۳D system به عنوان روشی برای نمونه سازی سریع پیشنهاد داد و مدل سه بعدی طراحی شده توسط نرم افزار CAD را به نمونه ای واقعی تبدیل کرد.
تمامی تکنولوژی های چاپ سه بعدی برای تولید، نمونه نیازمند طراحی سه بعدی نمونه به وسیله نرم افزارهای سه بعدی سازی هستند. مهندسان، تولیدکنندگان و دیگر استفاده کنندگان پرینترهای سه بعدی با استفاده از فایل های خروجی نرم افزارهای مورد نظر می توانند طرح مجازی نمونه خود را پیش از تولید مشاهده کرده و از عملکرد نمونه واقعی خود با استفاده از نمونه سازی اولیه و چاپ سه بعدی اطمینان حاصل کنند. در چاپ سه بعدی یا تولید افزایشی، فرمت فایل های مورد استفاده باید به گونه ای باشد که دستگاه بتواند آن را شناسایی و اجرا کند که این فرمت استاندارد در بیشتر چاپگرهای سه بعدی ، STL می باشد.
این چاپگرها که با ساخت لایه ها بر روی هم عمل نمونه سازی را انجام می دهند نیازمند برش مقطعی از فایل سه بعدی هستند که فرمت STL این فایل های سه بعدی را با برش به صورت مقطعی برای دستگاه قابل شناسایی می کند.
طرز کار SLA:
در این تکنولوژی برخلاف تکنولوژی های دیگر، از یک مایع رزین و تابیدن اشعه بر روی این مایع و در نهایت جامد شدن آن و ساختن نمونه استفاده می شود.
SLA دارای چهار بخش اصلی می باشد: مخزنی که با پلاستیک مایع (پلیمر) پوشانده می شود، پلت فرم سوراخ داری که حجم مخزن را کاهش می دهد، اشعه ماوراء بنفش (UV) و فایل سه بعدی که پلت فرم و جهت تابش اشعه را کنترل می کند.
نمونه سازی در این تکنولوژی بدین شرح است که ابتدا لایه ای نازک (بین ۰٫۱۵-mm 0.05) بر روی پلت فرم های سوراخ دار گذاشته می شود و سپس با تاباندن اشعه به سطح پلت فرم، اولین لایه به وسیله فایل سه بعدی آن ساخته می شود و پس از آنکه مخزن پلت فرم کاهش یافته و لایه اول به صورت جامد و جسمی سخت تبدیل شد، سطح جدیدی از پلیمر را به پلت فرم اضافه کرده و دوباره با تاباندن اشعه لایه بعدی به لایه قبل چسبیده و شروع به سفت و سخت شدن می کند. این روند برای تمامی لایه های جسم مورد نظر تکرار می شود تا نمونه کامل شود. سپس نمونه را از پلت فرم جدا ساخته و برای از بین بردن رزین های اضافی، جسم را در کوره ای از اشعه پخت می دهیم تا به شکل واقعی نمونه نزدیک شود.
کاربرد SLA در صنایع مختلف:
استریولیتوگرافی یکی از بهترین راه های تولید نمونه های اولیه بسیار دقیق، با دوام و ارزان قیمت است. چاپگرهایی که با این روش نمونه سازی را انجام می دهند قادر هستند اشیاء با پیچیدگی های بسیار بالا را که به روش سنتی، بسیار وقت گیر است و از دقت پائینی برخوردار است را به راحتی و با دقت بسیار بالا بسازد. در بسیاری از صنایع مانند پزشکی، از این روش برای تولید نمونه های اولیه و در مواردی نمونه های پایانی خود استفاده می کنند. امروزه خودرو سازان برای تولید بسیاری از قطعات به عنوان مثال دستگیره های ماشین به جای استفاده از روش زمان بر ریخته گری از SLA استفاده کرده که این نمونه ها می توانند برای سنجش عملکرد و ظاهر نمونه های واقعی به کار برده شوند و حتی در مواردی به عنوان الگویی جامع برای سنجش خودروسازی باشند.
این روش که اولین فرآیند افزایشی برای نمونه سازی سریع است در میان قدیمی ترین روش های چاپ سه بعدی هنوز هم بسیار متداول بوده و شرکتهای بسیاری از این فرایند برای ساخت نمونه های اولیه ارزان قیمت، با کیفیت و سریع مشتریان خود استفاده می کنند. و امروزه نیز اکثر پرینترهای شخصی موجود در بازار برای تولید نمونه سازی سریع به روش تولید افزایشی از استریولیتوگرافی که بسیار آسان و ارزان قیمت است، استفاده می کنند.
پس از این تکنولوژی در سال ۱۹۹۲ شرکت stratasys ، از شرکتهای پیشرو در چاپ سه بعدی در جهان، روش FDM را برای نمونه سازی اولیه به ثبت رساند.
تکنولوژی SLS :
تکنولوژی SLS یکی از روش های تولید افزایشی است که با استفاده از لیزر به عنوان منبع تغذیه باعث باعث رسوب مواد اولیه (که معمولاً فلز است) می شود. در این روش لیزر به طور خودکار نقاط تعریف شده توسط مدل سه بعدی را هدف قرار داده و مواد اولیه را برای ایجاد یک ساختار جامد به هم متصل می کند.
این روش مشابه تکنولوژی DMLS است و هر دو مفهومی یکسان با جزئیات متفاوت دارد. SLS تکنولوژی جدیدی از تولید افزایشی است که تاکنون به طور جامع برای نمونه سازی سریع و تولید قطعات کم حجم استفاده می شده است و در حال گسترش در بازار نمونه سازی سریع و بهبود این فناوری است.
طرز کار SLS
نحوه کار این تکنولوژی تولید افزایشی به این صورت است که چاپگر از یک نوع منبع تغذیه بالا، مانند یک لیزر دی اکسید کربن، استفاده کرده و مخلوطی از ذرات ریز مواد اولیه مانند پلاستیک، فلز، سرامیک و یا پودر شیشه را به توده ای جامد سه بعدی تبدیل می کند. این لیزر به طور انتخابی، مواد پودر مانند را با استفاده از مدل سه بعدی نمونه (به عنوان مثال یک فایل سه بعدی طراحی شده به وسیله CAD و یا اسکن سه بعدی) بر روی سطح تولید می کند. و روش لایه سازی در این تکنولوژی به این صورت است که ابتدا لایه ای از مواد اولیه بر روی پلت فرم قرار داده و پس از جامد شدن و لایه سازی توسط لیزر، لایه بعدی مواد اولیه را بر روی لایه قبل قرار می دهد و این روند تا کامل شدن نمونه مورد نظر ادامه دارد.
جنس مواد اولیه و کاربرد آن در SLS
این روش در مقایسه با دیگر روشهای چاپ سه بعدی یا تولید افزایشی می تواند مواد اولیه مختلفی را برای کاربردهای گوناگون پشتیبانی کند. موادی از جنس پلیمرها مانند نایلون (خالص و شفاف)، پلی استر، فلزات (از جمله فولاد و تیتانیوم)، آلیاژهای مخلوط، کامپوزیت ها و شن می توانند به عنوان مواد اولیه چاپ به وسیله این تکنولوژی به کار روند که نمونه ساخته شده به وسیله این مواد از استحکام بالایی برخوردار بوده و در بعضی موارد می توان این قطعات را به عنوان قطعه نهایی به کار برد.
به طور کلی می توان گفت که تکنولوژی SLS با توجه به توانایی بالایی که در ساخت اجسام با هندسه های پیچیده دارد، به عنوان یکی از پر کاربردترین روشهای ساخت نمونه اولیه در صنایع مختلف و همچنین به منظور تولید برخی قطعات پایانی مورد استفاده قرار می گیرد. همچنین امروزه این تکنولوژی در بخش هنر و صنایع دستی به سرعت رو به رشد است.
تکنولوژی DLP :
روش DLP یا پردازش دیجیتال نور یکی از فناوری های چاپ سه بعدی مشابه روش SLA بوده که تنها تفاوت این روش ها با هم، منبع نوری است که در آنها به کار برده می شود. DLP با استفاده از منبع نور معمولی مانند لامپ های الکتریکی، پنل صفحه نمایش کریستال مایع و یا دستگاه های دگرگون سازی آینه (DMD) کار می کند و به تمام سطح مخزن پلیمر از رزین های پلیمری، در یک تک حرکت، اعمال می شود. به طور کلی ساخت آن نسبت به تکنولوژی های SL بسیار سریع تر و دقیق تر می باشد و قطعات تولیدی توسط آن از وضوح بالایی برخوردار هستند. شباهت این روش با SL ها، در ملزومات ساختارهای پشتیبانی پس از پخت است. یکی از مزایای روش DLP این است که عمق کمی از مخزن مواد رزین مورد نیاز است که این خود باعث تسهیل در روند تولید و به طور کلی پایین آوردن هزینه و کاهش ضایعات تولید است.
