تکنولوژی پرینت سه بعدی

پرینت سه‌بعدی

پرینت سه بعدی فرآیند شکل ­گیری قطعه­ از مدل دیجیتالی از طریق لایه­ نشانی، سینتر، ذوب و یا سخت شدن رزین پلیمری می ­باشد. از آنجایی که قطعه با استفاده از مدل دیجیتال و معمولاً به صورت لایه لایه ساخته می­ شود؛ این فرآیند با نام پرینت سه بعدی شناخته می ­شود. به منظور درک بهتر تکنولوژی­ های متنوعی که در بخش چاپ سه بعدی قرار دارند در ابتدا به تشریح کلی فرآیندهای تولید قطعه خواهیم پرداخت.

فرآیندهای مختلف تولید قطعات صنعتی

فرآیند ساخت قطعات مختلف را می­ توان بر اساس نوع انرژی مصرفی، ماده اولیه و نحوه ­ی شکل‌گیری قطعه تقسیم بندی نمود. از دیدگاه نحوه تشکیل قطعه می­ توان فرآیندهای ساخت قطعات را به سه دسته ساخت کاهشی، ساخت افزایشی و ساخت با شکل‌دهی تقسیم نمود. در ادامه به تشریح هر یک از این روش‌ها خواهیم پرداخت.

فرآیند ساخت کاهشی

 در فرآیندهای ساخت کاهشی (Subtractive manufacturing)، قطعه نهایی با حذف قسمت­ های اضافی از قطعه اولیه به دست می آید. فرآیندهای تراشکاری مختلف مثالی از این نوع روش ساخت هستند. به‌عبارت‌دیگر، در این روش ابتدا قطعه ­ی خام تهیه شده سپس با انجام فرآیندهای تراشکاری، فرزکاری و … هندسه نهایی قطعه به وجود می­ آید.

تکنولوژی پرینت سه بعدی
شکل تفاوت ساخت قطعات پرینت سه بعدی با تراشکاری
فرآیند ساخت با شکل‌دهی

در فرآیندهای تولید به روش شکل­ دهی (Formative Manufacturing)، ابعاد موردنظر قطعه از طریق اعمال نیروی خارجی و معمولاً بدون تغییر در حجم قطعه اولیه (به‌صورت پودر، مذاب یا بالک) به دست می­ آید. ازجمله فرآیندهای شکل­ دهی می­ توان به آهنگری، ریخته­ گری، نورد و تزریق در قالب اشاره کرد.

فرآیند فورجینگ
تولید قطعات از طریق شکل دهی

 

فرآیند ساخت افزایشی

برخلاف روش ­های گفته‌ شده، در فرآیندهای ساخت افزایشی (Additive Manufacturing) (چاپ سه بعدی) قطعه نهایی به‌صورت لایه‌لایه شکل می‌گیرد. هر قطعه­ ای را می­ توان متشکل از چندین لایه در نظر گرفت که روی هم قرارگرفته و هندسه نهایی قطعه را به وجود آورده­ اند. اصطلاح ساخت افزایشی (AM) یک عبارت عمومی برای بیان فرآیندهای ساخت قطعات از طریق اتصال لایه به لایه است. در این روش شکل هر لایه از قطعه به‌صورت جداگانه و با استفاده از اطلاعات فایل سه‌بعدی قطعه شکل می‌گیرد.

انواع فرآیند تولید قطعات
تفاوت تراشکاری و ساخت افزایشی

مطالعه در مورد فنّاوری‌های ساخت افزایشی از دهه­ ی ۱۹۷۰ میلادی آغاز شد. اولین تکنولوژی ساخت قطعات با استفاده از مدل دیجیتالی، فرآیند استریو لیتوگرافی در سال ۱۹۸۷ بود و پس‌ازآن سایر فرآیندهای مبتنی بر ذوب و نشاندن مواد ترموپلاستیک رواج پیدا کرد. اوایل قرن بیستم اصطلاح “پرینت سه بعدی” یا چاپ سه بعدی توسط رسانه­ ها رواج پیداکرده و امروزه برخی از فرآیندهای ساخت افزایشی تحت همین عنوان شناخته می ­شوند. ساخت افزایشی این امکان را به وجود آورده تا بتوان قطعات پیچیده را بدون افزایش چشمگیر در زمان ساخت تولید نمود؛ همین ویژگی باعث شده که در بسیاری از موارد روش ساخت افزایشی سرعت بسیار بیشتری نسبت به روش­ های ساخت مرسوم داشته باشد.

مراحل ساخت قطعه در فرآیند ساخت افزایشی

مراحل کلی ساخت قطعه با استفاده از تکنولوژی ساخت افزایشی را می‌توان به‌صورت زیر بیان کرد:

  • تهیه­ ی فایل سه بعدی
  • انتقال فایل به ماشین ساخت
  • آماده‌سازی محصول نهایی
تهیه­ ی فایل سه بعدی

اولین مرحله در AM ایجاد نقشه سه بعدی محصول نهایی است که در بخش روش ­های مدل­سازی قطعات راه ­های مختلف دست­یابی به فایل سه بعدی قطعات کاملاً توضیح داده شده است. ازآنجایی‌که دستگاه ­های AM از اطلاعات فایل سه بعدی قطعات برای ساخت آن­ها استفاده می­ کنند، می ­توان تکنولوژی AM را به‌عنوان رابط طراحی با کمک کامپیوتر (Computer Aided Design) و ساخت با کمک کامپیوتر (Computer Aided Manufacturing) یا به‌عبارت‌دیگر CAD/CAM در نظر گرفت.

فرمت فایل مورداستفاده از چاپ سه‌بعدی

فرمت‌های STL, OBJ, AMF, 3MF از رایج‌ترین فرمت فایل ورودی در دستگاه­ های AM می­ باشند که در بسیاری از نرم­ افزارهای طراحی سه بعدی می­ توان نقشه سه بعدی قطعه را با فرمت STL ذخیره نمود. برخی فرمت STL را خلاصه شده ­ی عبارت ساده­ سازی اشکال پیچیده در استریو لیتوگرافی (Stereolithography Tessellation Language) و برخی دیگر آن را خلاصه­ ی انگلیسی روش استریو لیتوگرافی می ­دانند. هنگام تبدیل فرمت فایل سه بعدی به STL، سطوح قطعه توسط مثلث­ های کوچکی پوشیده می­ شوند تا دستگاه AM قابلیت تشخیص اطلاعات هندسه قطعه را داشته باشد. تفاوت فایل CAD و فایل STL در شکل زیر مشخص شده است.

تبدیل فایل سه بعدی به STL
مشخصات فایل STL

فایل CAD دارای سطوح با انحنای پیوسته (قسمت نارنجی) است که پس از مش بندی و تبدیل به فایل STL به سطوح شکسته و مثلثی تبدیل شده است. بمنظور هم پوشانی بیشتر بین مدل سه بعدی اولیه و فایل STL می‌توان اندازه این قسمت­ های مثلثی را در نرم‌افزار CAD به‌گونه‌ای تنظیم نمود که کمترین فاصله بین سطح فایل CAD و فایل STL ایجاد شود. در هنگام تبدیل فایل CAD به STL تمام تاریخچه طراحی قطعه از بین رفته و قطعه تنها شامل مثلث­ های متصل به هم خواهد بود. سایر ویژگی ­های آن مانند رنگ، جنس و… نیز قابل مشاهده نیست. به‌منظور رفع این محدودیت در فرمت STL، فرمت جدیدی تحت عنوان AMF (Additive Manufacturing File Format) توسعه پیدا کرده است. در این فرمت علاوه بر اطلاعات موجود در فایل STL شامل اطاعاتی در مورد رنگ، ماده و مشخصات ظاهری دیگر قطعه نیز هست.

نحوه­ ی شکل‌گیری قطعه در چاپ سه‌بعدی

قطعات در تکنولوژی AM به‌صورت لایه‌لایه شکل می ­گیرند و خواص ظاهری این لایه­ ها به‌صورت مستقیم روی شکل نهایی قطعه تأثیر خواهد گذاشت. ماده اولیه­ ی  فرآیندهای چاپ سه بعدی می ­تواند به شکل فیلامنت، ورق، پودر و یا مایع می باشد. همچنین، نحوه­ ی شکل­ گیری لایه­ های مختلف قطعه می تواند بسته به نوع فرآیند مورداستفاده متفاوت باشد.

برای بهبود کیفیت سطحی محصولات تولیدی در چاپ سه‌بعدی می ­توان ضخامت لایه ­های قطعه موردنظر را پیش از شروع فرآیند چاپ تغییر داد. ضخامت لایه­ ها در تکنولوژی­ های مختلف AM بین ۰.۰۵ تا ۰.۳ میلی‌متر متغیر است و با توجه به میزان دقت لازم برای تولید قطعه­ ی موردنظر می توان فرآیند مناسب برای ساخت آن را انتخاب نمود. با افزایش میزان ضخامت لایه­ های تشکیل دهنده‌ی قطعه دقت ابعادی و کیفیت سطحی قطعه هر دو کاهش یافته و محصول نهایی فاصله­ ی بیشتری با فایل سه بعدی آن خواهد داشت. زمانی که دقت ابعادی و کیفیت سطحی قطعات اهمیت زیادی نداشته باشد می ­توان با افزایش ضخامت لایه­ ها زمان انجام چاپ سه بعدی را کاهش داد.

پرینت سه بعدی
نحوه شکل گیری قطعه در پرینت سه بعدی

 

مقایسه ­ی چاپ سه‌بعدی با فرآیندهای ماشین­ کاری

فرآیندهای چاپ سه بعدی را می‌توان از جهات مختلفی با فرآیند ماشین‌ کاری مقایسه نمود. در ادامه به بررسی مهم‌ترین جنبه‌های اختلاف این دو فرآیند پرداخته‌ شده است.

مواد اولیه

یکی از اساسی­ ترین وجه تمایزهای این دو تکنولوژی نوع ماده اولیه مورد استفاده است. در ماشین ­کاری از یک قطعه خام بزرگ‌تر از محصول نهایی استفاده می­ شود. در چاپ سه بعدی می ­توان از ورق، پودر، رزین و یا فیلامنت ماده­ ی موردنظر استفاده نمود. نگه داری صحیح ماده اولیه در AM یکی از مهم‌ترین بخش­ های مؤثر در موفقیت دست­یابی به محصول بی‌ عیب و نقص است که در فرآیندهای ماشین­ کاری این چالش وجود ندارد. در صورت استفاده از پودرهای پلیمری یا فلزی در AM باید از کنترل آلودگی، رطوبت جذب‌ شده و یکنواختی شیمیایی و فیزیکی ماده اولیه اطمینان حاصل کرد. در غیر این صورت علاوه بر کاهش خواص محصول نهایی ممکن است فرآیند ساخت و چاپ قطعه نیز با مشکل مواجه شود.

سرعت تولید

سرعت ساخت در ماشین‌ کاری به‌ واسطه‌ ی باربرداری یک‌ باره بالاتر از AM است. از طرف دیگر، AM برای تولید یک قطعه در یک مرحله و به‌ صورت کامل تعریف می‌گردد. این در حالی است که در ماشین‌ کاری باید در هر مرحله تنظیمات فرآیند را تغییر داد. مقایسه­ ی سرعت این دو تکنولوژی باید با توجه به زمان صرف شده برای تعویض ابزار، تنظیم دستگاه، میزان پیچیدگی هندسی قطعه و تعداد قطعات تولید شده انجام شود.

توانایی در تولید قطعات پیچیده

با افزایش پیچیدگی­ های هندسی قطعات، مزیت­ های AM نسبت به سایر فرآیندهای تولید افزایش می­ یابد. در صورتیکه قطعه دارای پیچیدگی­ های زیادی باشد فرآیندهای ماشین ­کاری قابلیت ایجاد این ویژگی­ های ظاهری را نخواهد داشت. در این صورت ممکن است محصول نهایی از لحاظ هندسی با محصول طراحی شده مطابقت نداشته باشد. در صورت استفاده از ماشین­ کاری برای تولید قطعات پیچیده یا قطعات دارای حفره داخلی، تنها راه تقسیم قطعه به چند بخش، تولید و مونتاژ است. این در حالی است که این‌گونه قطعات را می ­توان با استفاده از AM و به‌صورت یکپارچه تولید کرد.

پینت سه بعدی
ساخت طرح های خلاقانه با پرینت سه بعدی
یکنواختی خواص در قطعه

قطعات در AM به‌صورت لایه‌لایه شکل گرفته و خواص آن ها در جهت پرینت متفاوتخواهد بود. این پدیده با نام آنیزوتروپی (Anisotropy) نیز شناخته می­ شود. آنیزوتروپی جهت­ مندی خواص قطعه را در صورت استفاده از زوایای مختلف را نشان می­ دهد. قطعات در AM معمولاً در جهت عمود بر لایه‌ها ضعیف­ تر بوده و این مشکل با تنظیم زاویه­ ی پرینت کنترل می­ شود.

دقت ابعادی

به علت اساس کاری فرآیندهای AM، قدرت تفکیک می­ تواند حدود چند ده میکرومتر یا بیشتر باشد. در حالت کلی جهت عمود بر ضخامت لایه‌ها نسبت به دو جهت دیگر دارای قدرت تفکیک کمتری است. دقت نهایی قطعات در فرآیندهای پرینت سه بعدی به نحوه‌ ی تثبیت اجزای سازنده تعیین می‌شود. در فرآیند لایه نشانی ذوبی قطر دهانه‌ ی نازل حداقل ضخامت دیواره‌ ها و نحوه‌ ی حرکت نازل کیفت ظاهری قطعه را تعیین می‌کند.

Photo7

چاپ سه بعدی محصولات سفارشی

توانایی‌های تکنولوژی چاپ سه بعدی باعث شده تا از آن برای تولید قطعات منحصر به‌ فرد خود استفاده نمایند. معمولاً طراحی یک قطعه با استفاده از نرم‌افزارهای ویژه و یا یکپارچه‌ سازی اطلاعات روبش سطحی آن انجام می­ شود. این اقدامات می‌تواند در جهت تولید قطعه جدید و یا بازتولید محصولات قدیمی (مهندسی معکوس) انجام شود. کاربرد پرینت سه بعدی در مهندسی معکوس را می‌توانید در بخش مهندسی معکوس مطالعه نمایید. درصورتی‌ که قطعه موردنظر از پیچیدگی بسیار بالایی برخوردار باشد، استفاده از چاپ سه بعدی گزینه مناسبی خواهد بود. به‌طورکلی با افزایش پیچیدگی قطعات، استفاده از روش پرینت سه بعدی نسبت به سایر فرآیندها کم‌هزینه‌ تر خواهد بود.

پرینت سه بعدی
ساخت قطعات پیچیده با پرینت سه بعدی
چاپ سه بعدی قطعات فلزی و پلیمری

فرآیندهای چاپ افزایشی را می‌توان بر اساس جنس ماده­ ی اولیه و محصول نهایی تقسیم‌بندی نمود.  چاپ قطعات فلزی و قطعات پلیمری را می‌توان در دو بخش جداگانه موردبررسی قرار داد.  پرینت سه بعدی قطعات فلزی و پرینت سه بعدی قطعات پلیمری در بخش­ های مربوطه مورد بررسی قرار گرفتند.

 

برای سفارش دهی پرینت سه بعدی به بخش سفارشات گروه متیس مراجعه فرمایید.

Leave a comment

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *