بیشتر روش‌های ساخت افزایشی یا پرینت سه بعدی، بر اساس سه مولفه پیش رو دسته‌بندی می‌شوند؛
- نوع ساختار تقویتی در هنگام پرینت
- دقت و رزولوشن سازه با نظر به هندسه آن
- انتخاب پارامترهای متناسب با فرآیند
در کنار فناوری‌هایی همچون EBM، LMD (رسوب فلزی از طریق لیزر) و SLS (زینتر انتخابی از طریق لیزر)، تکنولوژی دیگری به نام SLM نیز به چشم می‌خورد.
پیدایش پرینت سه بعدی فلزی SLM به سال 1995 بازمی‌گردد، زمانی که به دست جامعه آلمانی فرانهوفر توسعه یافت و به دلیل قابلیت‌های توانمند خود، از همان موقع توانست توجه سردمداران این صنعت را جلب کند. در این روش، از فلزات درجه صنعتی، قطعاتی دقیق و حرفه‌ای تولید می‌شود؛ قطعاتی که شاید اشکال پیچیده‌ای داشته باشند، اما با هزینه خیلی کمتر ساخته می‌شوند و علاوه بر همه این‌ها، امکان انبوه سازی آن‌ها هم وجود دارد.
پرینت سه بعدی فلزی SLM که مخفف عبارت «ذوب انتخابی با لیزر» است، با نام‌های دیگری هم شناخته می‌شود: ذوب بستر پودری با استفاده از لیزر (LPBF) یا ذوب مستقیم فلز از طریق لیزر (LPBF). از نام‌های این روش هم پیدا است که در آن از یک لیزر قدرتمند برای ذوب یک پودر فلزی استفاده می‌شود.
روش کار پرینت سه بعدی SLM چگونه است؟
طرز کار پرینت سه بعدی فلزی SLM به این صورت است که نخست، لایه‌های نازکی از پودر فلزی بر روی بستر ساخت قرار می‌گیرند؛ سپس، با القای انرژی حرارتی از طرف لیزر (یا چندین لیزر)، لایه‌ها به طور کامل ذوب می‌شوند. قسمتی از قطعه سه بعدی که به اصطلاح سطح مقطع آن نامیده می‌شود، با ذوب و انجماد دوباره لایه‌های پودر فلز به صورت انتخابی ساخته می‌شود.
پس از پایان کار یک لایه، بستر ساخت اندکی به سمت پایین حرکت می‌کند تا لایه جدیدی روی آن قرار بگیرد. هربار، پیش از آنکه ذوب لایه جدید آغاز شود، وسیله‌ای به نام recoater از روی سطح پودر عبور می‌کند تا ضخامت لایه پودر را کنترل کند. در بستر پودر، ذرات پودر بر اساس فایل CAD به صورت انتخابی ذوب می‌شوند تا شی سه بعدی مورد نظر شکل بگیرد.
فرآیند پرینت سه بعدی فلزی SLM با انواع مختلفی از پودرهای فلزی کار می‌کند؛ از جمله آن‌ها می‌توان به آلومینیوم، تیتانیوم، مس، کروم، کبالت-کروم، فولاد ضد زنگ، فولاد ابزار و سوپرآلیاژها اشاره کرد.
پودر فلزی که در پرینت سه بعدی فلزی SLM به کار می‌رود، تا حد زیادی قابل بازیافت است؛ به طوری که ضایعات پودر اغلب حتی به کمتر از 5% می‌رسد. هربار که کار یک پرینت تمام می‌شود، پودر استفاده نشده جمع آوری می‌شود تا الک شده و با اضافه کردن مقداری پودر تازه به آن، برای بار بعدی آماده شود.
با این حال، همین مقدار کمی هم که از پودر هدر می‌رود، بیشتر به ساختارهای تقویتی مربوط می‌شود و برای آنکه پرینت به خوبی پیش برود، باید از ساختار تقویتی استفاده کرد. اما در نتیجه این کار، مقدار مواد مورد نیاز و به دنبال آن، هزینه‌های پرینت به شدت افزایش پیدا خواهد کرد.
مزایا و معایب پرینت سه بعدی فلزی SLM
شکی نیست که پرینت سه بعدی فلزی SLM یک ابزار قدرتمند است که نقاط قوت منحصر به فرد خودش را دارد. در حال حاضر محدودیت‌هایی در این روش ساخت وجود دارد که شاید همیشه بهترین راه برای تولید قطعات فلزی به شمار نیاید.
مزایای پرینت سه بعدی فلزی SLM:
- داشتن یک هندسه پیچیده بدون هزینه اضافی
- ساختارهای سبک و بهینه
- عملکرد بهتر قطعه
- ادغام قطعات مونتاژ به صورت یک قطعه
- زنجیره تامین ساده‌تر
- خواص فوق‌العاده مواد آن
معایب پرینت سه بعدی فلزی SLM:
- در مقایسه با روش‌های سنتی تولید به هزینه بیشتری نیاز دارد
- صرفه جویی ناشی از تولید انبوده هنوز در آن مقدور نیست
- قواعد طراحی خاص خود را دارد
- انجام عملیات پسا پردازش ضروری است.
کاربردهای پرینت سه بعدی فلزی SLM
کاربرد اصلی پرینت سه بعدی فلز در صنایع هوافضا، بهداشت و درمان، خودروسازی، ابزارآلات صنعتی و توسعه
• فضا
سبک بودن سازه‌ها در صنعت هوافضا، از هر چیز دیگری مهم‌تر است. هزینه ترابری هر یک کیلوگرم در فضا، اکنون حدود ۱۰,۰۰۰ تا ۲۰,۰۰۰ دلار است. از همین رو، اهمیت پرینت سه بعدی قطعات فلزی که از نظر توپولوژی بهینه سازی شده‌اند، در اینجا نمایان می‌شود.
یک نمونه از این امر، تولید محصولات مربوط به میکروآنتن‌ها است؛ در این زمینه، شرکت Optisys با استفاده از فناوری پرینت سه بعدی فلزی SLM، تعداد آرایه‌های مجزا را در آنتن‌های ردیابی خود از ۱۰۰ عدد به ۱ رساند. در نتیجه این ساده سازی، Optisys موفق شد که زمان تولید و عرضه این محصول را از یازده ماه به تنها دو ماه کاهش دهد و در عین حال نیز، ۹۵% وزن آن را کم کند (تصویر زیر).
• بهداشت و درمان و پزشکی
با پرینت سه بعدی فلز، امکان تولید ساختارهای آلی متناسب با آناتومی افراد فراهم می‌شود. در حال حاضر نیز یکی از موارد استفاده مهم SLM، تولید ایمپلنت‌های پزشکی با مواد زیست سازگار مانند تیتانیوم است.
دکتر گیدو گراپیولو نخستین جراحی بود که در سال ۲۰۰۷، یک ایمپلنت را برای بخشی از مفصل ران پرینت سه بعدی کرد. او با کمک شرکت‌های Lima و Arcam یک ایمپلنت تیتانیومی موسوم به کاپ Delta-TT طراحی کرد.
ایمپلنت Delta-TT دارای یک ساختار شبکه‌ای است که روند بهبود بیمار و رشد استخوان را سرعت می‌بخشد. تا یک دهه بعد، بیشتر از ۱۰۰,۰۰۰ عدد از این ایمپلنت برای بیماران استفاده شد و نتیجه موفقی به همراه داشت.
• خودروسازی
این روزها، بسیاری از روش‌های سنتی تولید در صنعت خودروسازی با پرینت سه بعدی فلز جایگزین می‌شوند و این امر با سرعت زیادی جریان دارد. با این حال، پرینت سه بعدی فلز بیش از هر چیزی اکنون برای ارتقای عملکرد و مسابقات رقابتی به کار می‌رود.
تیم دانشجویی TU Delft Formula با استفاده از فناوری SLM توانستند یک براکت بهینه‌سازی شده را برای خودروی فرمول یک خود بسازند. براکتی که آن‌ها ساختند در واقع یک نقطه اتصال اصلی میان چرخ و شاسی است و طراحی آن به گونه‌ای است که می‌تواند نیروهای بیشتر از ۴۰۰ کیلوگرم را تحمل کند.
استحکام این براکت تیتانیومی در مقایسه با قطعه فولادی مشابه خود که به روش ماشین‌کاری ساخته می‌شود، ۲ برابر بیشتر است در حالی که تنها نیمی از وزن نمونه فولادی را دارد (تصویر زیر).
قطعه ساخته شده با پرینت سه بعدی فلزی SLM
• ابزارآلات صنعتی
در جای دیگر، از پرینت سه بعدی فلز برای ساخت ابزارآلاتی استفاده می‌شود که عملکرد بالاتری دارند. ابزارهای پیشرفته نیز بازده فرآیندهای دیگری را افزایش می‌دهند. برای نمونه، برخی از قالب‌های فلزی که داخل آن‌ها کانال‌های یکدستی برای خنک سازی وجود دارد، با استفاده از پرینت سه بعدی SLM تولید می‌شوند. کانال‌های خنک سازی را می‌توان به هر شکلی پرینت و تا جای ممکن به قطعه نزدیک کرد.
هزینه پرینت یک قالب فلزی چیزی حدود ۱۰,۰۰۰ دلار است که خیلی بیشتر از قالب‌های ۴,۰۰۰ دلاری CNC است. اما این هزینه بیشتر، می‌تواند بهبود چشمگیری در عملکرد قالب به وجود آورد. به گفته کاربران، چرخه‌های تزریق با چنین قالبی بین ۶۰ تا ۷۰ درصد کوتاه‌تر شده و هیچ چیزی در قالب باقی نمی‌ماند (تصویر زیر).
• توسعه محصول
مهم‌ترین کاربرد اکستروژن فلز در دنیای امروز، تولید نمونه‌های اولیه فلزی است. در میان همه راه‌حل‌های داخلی، روش اکستروژن فلزی در زمان شما بسیار صرفه جویی می‌کند و به طور کلی، مدت زمان تولید تا عرضه محصولات مهندسی نوین را کاهش می‌دهد.
استارتاپ Lumenium در زمینه نوآوری و توسعه موتورهای احتراق داخلی فعالیت می‌کند. آن‌ها برای ساخت نمونه قطعات موتورهای خود به دنبال رویکردی بودند که مقرون به صرفه باشد و به کار آن‌ها سرعت ببخشد. به طور معمول، دوره‌های توسعه این شرکت چیزی حدود سه سال و نیم طول می‌کشید. بنابراین آن‌ها اکستروژن فلز را وارد روند کار خود کردند و پس از آن موفق شدند زمان توسعه را به اندازه ۲۵% یعنی ۲ سال و ۹ ماه کاهش دهند (تصویر زیر).
پرینت سه بعدی FDM چه ویژگی‌هایی دارد؟
اگرچه پرینترهای سه بعدی FDM از نظر سیستم اکستروژن و کیفیت قطعه باهم تفاوت دارند، اما در همه آن‌ها ویژگی‌های مشترکی وجود دارد که در هریک از فرآیندهای FDM دیده می‌شود.
تابیدگی یکی از عیوبی است که در روش FDM زیاد اتفاق می‌افتد. در حقیقت زمانی که ماده شروع به سرد شدن می‌کند، ابعاد آن کوچک می‌شوند؛ در این حین، هریک از بخش‌های مختلف قطعه پرینتی با نرخ متفاوتی سرد می‌شوند که به دنبال این امر، ابعاد بخش‌های مختلف نیز با سرعت متفاوتی تغییر پیدا می‌کنند. سرد شدن به صورت ناهمسان باعث تجمع تنش‌های داخلی شده و لایه زیرین را به طرف بالا می‌کشد، در نتیجه، تابیدگی اتفاق می‌افتد.
با روش‌های مختلفی می‌توان از وقوع تابیدگی جلوگیری کرد. یک راه این است که دمای سیستم پرینت سه بعدی FDM، به ویژه دمای بستر ساخت و محفظه را به دقت تحت نظر بگیرید. همچنین، با افزایش چسبندگی میان قطعه و بستر ساخت نیز می‌توانید از شدت تابیدگی بکاهید.
با رعایت یک سری نکات در هنگام طراحی می‌توانید احتمال تاب برداشتن قطعه خود را کاهش دهید. در زیر، به چند نمونه از آن‌ها اشاره می‌کنیم:
- نواحی پهن و هموار مانند وجوه یک جعبه مستطیلی، بیشتر مستعد تابیدگی می‌شوند. تا آن جا که ممکن است از این مسئله اجتناب کنید.
- دندانه‌های چنگال را تصور کنید، این چنین بخش‌های نازک و بیرون‌آمده نیز مستعد تاب خوردگی هستند. افزودن مقداری ماده به لبه بخش‌های نازک، سطح تماس آن‌ها را با بستر ساخت افزایش داده و به جلوگیری از وقوع تابیدگی کمک می‌کند.
- گوشه‌های تیز نیز بیشتر از نواحی گرد تاب برمی‌دارند، بنابراین پیشنهاد می‌کنیم به هنگام طراحی، گوشه‌ها را گرد کنید.
- استعداد تابیدگی مواد مختلف نیز باهم تفاوت دارد. برای نمونه، ABS بیشتر از PLA یا PETG دچار تابیدگی می‌شود.
لایه‌ها به محض لایه‌نشانی شدن دچار انقباض می‌شوند و لایه زیری را به سمت بالا می‌کشند که بدین ترتیب تابیدگی اتفاق می‌افتد.
چسبندگی میان لایه‌ها در فناوری پرینت سه بعدی FDM باید مطمئن باشد. دستگاه FDM با اکسترود ترموپلاستیک ذوب شده از طریق نازل، در واقع مواد را به لایه‌های قبلی می‌فشارد. به خاطر دمای بالا و فشار، لایه‌ی در حال پرینت دوباره ذوب می‌شود و می‌تواند با لایه قبلی پیوند برقرار کند. مواد ذوب شده به لایه قبلی فشار وارد می‌کنند که در نتیجه آن، لایه‌ها شکل بیضی‌گون به خود می‌گیرند. به همین خاطر، فارغ از ارتفاع لایه، سطح قطعات پرینت سه بعدی FDM همیشه موج دارد. بخش‌های کوچک نیز، مانند سوراخ‌ها و رشته‌های کوچک، ممکن است به عملیات پسا پردازش نیاز داشته باشند.
نمایی از اکستروژن مواد در FDM
پرینترهای سه بعدی FDM عملا نمی‌توانند خود قطعه اصلی را به طور مستقیم لایه‌نشانی کنند. قطعاتی که از هندسه‌های خاصی برخوردارند باید به همراه سازه‌های تقویتی پرینت شوند که معمولا هم از جنس خود قطعه هستند. جداسازی سازه تقویتی در اغلب اوقات دشوار خواهد بود، بنابراین بهتر است طراحی به گونه‌ای انجام شود که به کمترین سازه تقویتی نیاز باشد. همچنین، برخی از مواد تقویتی نیز در مایعات حل می‌شوند که معمولا هنگام کار با پرینترهای سه بعدی FDM رده بالا از آن‌ها استفاده می‌شود. اما به خاطر داشته باشید که استفاده از مواد تقویتی حل‌شدنی به مجموع هزینه‌های پرینت می‌افزاید.
گاهی اوقات برای کاهش زمان پرینت و صرفه‌جویی در مواد، تکنولوژی پرینترهای سه بعدی FDM همه جسم جامد را تولید نمی‌کنند. بلکه فقط پوسته بیرونی را پرینت کرده و سپس داخل آن را با مواد پرکننده پر می‌کنند. تراکم ساختار درونی چنین قطعه‌ای معمولا کم است. پرکننده و ضخامت پوسته، تاثیر چشمگیری بر استحکام قطعات پرینت سه بعدی FDM دارند. بیشتر پرینترهای سه بعدی رومیزی FDM به طور پیش‌فرض روی تراکم داخلی ۲۰% و پوسته‌ای به ضخامت ۱ میلی‌متری تنظیم شده‌اند که میان استحکام و سرعت پرینت رابطه مناسبی برقرار می‌کند.
هندسه داخلی قطعات FDM با تراکم داخلی متفاوت.
سوالات متداول
روش پرینت سه بعدی FDM از هر فناوری ساخت افزایشی دیگری مقرون به صرفه‌تر است و با طیف گسترده و متنوعی از ترموپلاستیک‌ها کار می‌کند. علاوه بر این‌ها، تولید با پرینت سه بعدی FDM یعنی زمان فرآوری کوتاه‌تر.
با وجود آنکه پرینت سه بعدی FDM بسیار مقرون به صرفه است، اما رزولوشن آن از فناوری‌های پرینت سه بعدی دیگر پایین‌تر است. از این رو، برای قطعات با جزئیات کوچک خیلی مناسب نخواهد بود.
در قطعاتی که به روش پرینت سه بعدی FDM تولید می‌شوند، خطوط لایه‌ها تا حدی قابل رویت است، بنابراین استفاده از عملیات پسا پردازش می‌تواند پرداخت قطعه را هموار سازد.
به طور کلی، دقت قطعه به کالیبراسیون پرینتر و پیچیدگی خود مدل بستگی دارد. پرینترهای سه بعدی صنعتی FDM قطعاتی با دقت بالاتر تولید می‌کنند، اما توسعه پرینترهای سه بعدی خانگی نیز ادامه داشته تا از نظر دقت نیز توان برابری پیدا کنند.
برای تولید قطعات سفارشی با ترموپلاستیک و ساخت نمونه‌های اولیه، در حال حاضر پرینت سه بعدی FDM مقرون به صرفه‌ترین روش بازار است. قطعا پرینترهای سه بعدی FDM رومیزی یک گزینه اقتصادی به حساب می‌آیند، اما از نظر کیفیت به نمونه‌های صنعتی نمی‌رسند.
روش پرینت سه بعدی FDM با طیف گسترده‌ای از مواد کار می‌کند که از میان آن‌ها می‌توان به PLA، ABS، TPU، PETG و PEI اشاره کرد.
تولید قطعات سفارشی با روش پرینت سه بعدی FDM تقریبا با سرعت بالا انجام می‌شود به گونه‌ای که زمان فرآوری آن کوتاه به حساب می‌آید (معمولا در حد چند روز).
فناوری پرینت سه بعدی FDM بیشتر مناسب نمونه‌سازی، ساخت مدل و تولید در حجم کم است. از پرینت سه بعدی FDM مقیاس صنعتی نیز می‌توان برای ساخت نمونه‌های حرفه‌ای و تولید قطعات مصرفی استفاده کرد.
پرینترهای سه بعدی FDM می‌توانند با استفاده از مواد بادوام، قطعات با کیفیتی تولید کنند که قادر به حفظ خواص مکانیکی خود باشند. هر دو نوع از دستگاه‌های پرینت سه بعدی FDM دقت ابعادی بالایی را ارائه می‌دهند و در سطح صنعتی نیز پرینت سه بعدی FDM مقرون به صرفه‌ترین فرآیند ساخت افزایشی واقع می‌شود.