راهنمای انتخاب مواد چاپ سه بعدی (با رویکرد کاربرد قطعه)
مقدمه مترجم:
انتخاب فرآیند چاپ سه بعدی مناسب، تنها یک روی سکه برای دستیابی به یک قطعه چاپ سه بعدی مناسب است. برای دستیابی به نتایج مطلوب در استفاده از تکنولوژی چاپ سه بعدی، انتخاب‌های صحیح در تمام بخش‌های تکنولوژی ساخت، مواد، و فرآیندهای پرداخت قطعات، اهمیت دارند. در سه گام ساده می‌توان فرآیند انتخاب ماده مناسب برای چاپ را از میان گزینه‌های ممکن انتخاب نمود:
1- الزامات عملکردی را تعریف کنید؛ 2- الزامات عملکردی را با خواص مواد معادل کنید؛ و 3- نهایتاً ماده مناسب را از میان لیست تهیه شده گزینش کنید.
کلمات کلیدی:
انتخاب مواد، طراحی محصول ، خواص مواد، خواص پلاستیک، خواص فلزات، ماده مناسب
آخرین تاریخ ویرایش:
دی ماه 1400
پرینت سه بعدی به شما این امکان را می‌دهد که قطعات نمونه‌های اولیه را برای طیف وسیعی از کاربردها با سرعت بالا و مقرون به صرفه بسازید. اما انتخاب فرآیند چاپ سه بعدی مناسب تنها یک روی سکه است. تا حد زیادی به انتخاب مواد نیز بستگی دارد که بتوانید قطعاتی با خواص مکانیکی، ویژگی‌های عملکردی یا ظاهر دلخواه را بسازید.
این راهنمای انتخاب مواد پرینت سه بعدی، محبوب‌ترین مواد پرینت سه بعدی پلاستیکی و فلزی موجود را به نمایش می‌گذارد؛ خواص و کاربردهای آن‌ها را با هم مقایسه می‌کند و چارچوبی را توصیف می‌کند که می‌توانید از آن برای گزینش یک انتخاب مناسب برای پروژه خود استفاده کنید.
مواد و فرآیندهای چاپ سه بعدی پلاستیک‌ها
ده‌ها ماده پلاستیکی برای پرینت سه بعدی وجود دارد که هر کدام دارای ویژگی‌های منحصربه فردی هستند که آن را برای موارد استفاده خاص مناسب‌تر می‌سازد. برای ساده کردن فرآیند یافتن مواد مناسب برای یک قطعه یا محصول خاص، اجازه دهید ابتدا به انواع اصلی پلاستیک و فرآیندهای مختلف چاپ سه بعدی نگاهی بیندازیم.
انواع مواد پلاستیکی
دو نوع اصلی پلاستیک وجود دارد:
• ترموپلاستیک‌ها پرمصرف‌ترین نوع پلاستیک هستند. ویژگی اصلی که آن‌ها را از ترموست‌ها متمایز می‌کند، توانایی آن‌ها در فرآوری مجدد طی چرخه‌های ذوب و انجماد متعدد است. ترموپلاستیک‌ها را می‌توان گرم کرد و به شکل دلخواه درآورد. این فرآیند برگشت پذیر است، زیرا هیچ پیوند شیمیایی صورت نمی‌گیرد. این امر بازیافت یا ذوب و استفاده مجدد از ترموپلاستیک‌ها را امکان‌پذیر می‌کند. یک قیاس رایج برای ترموپلاستیک‌ها کره است که می‌تواند ذوب شود، دوباره جامد شود و دوباره ذوب شود. البته با هر چرخه ذوب، خواص ماده کمی تغییر می‌کند.
• پلاستیک‌های ترموست پس از پخت در حالت جامد دائمی باقی می‌مانند. پلیمرهای موجود در مواد ترموست در اثر فرآیند پخت توسط گرما، نور یا تشعشع به هم متصل می‌شوند. پلاستیک‌های ترموست هنگام گرم شدن به جای ذوب شدن تجزیه می‌شوند و با سرد شدن اصلاح نمی‌شوند. بازیافت ترموست یا بازگرداندن مواد به مواد اولیه آن امکان‌پذیر نیست. یک ماده ترموست مانند خمیر کیک است، پس از پخته شدن کیک، دیگر نمی‌توان آن را دوباره به خمیر ذوب کرد.
فرآیندهای چاپ سه بعدی پلاستیک‌ها
امروزه سه فرآیند رایج برای چاپ سه بعدی پلاستیک‌ها به شرح زیر است:
• چاپگرهای سه بعدی با روش مدل‌سازی با رسوب‌گذاری مذاب (FDM) رشته‌های ترموپلاستیک را ذوب و اکسترود می‌کنند تا نازل چاپگر لایه به لایه در محفظه ساخت قطعه را شکل دهد.
• چاپگرهای سه بعدی استریولیتوگرافی (SLA) از لیزر برای تبدیل رزین‌های مایع ترموست به پلاستیک سخت شده در فرآیندی به نام فوتوپلیمریزاسیون استفاده می‌کنند.
• چاپگرهای سه بعدی پخت انتخابی با لیزر (SLS) از یک لیزر پرقدرت برای همجوشی ذرات کوچک پودر ترموپلاستیک استفاده می‌کنند.
پرینت سه بعدی FDM
مدل‌سازی با رسوب‌گذاری مذاب (FDM)، که همچنین با عنوان ساخت رشته‌های مذاب (FFF) شناخته می‌شود، پرکاربردترین شکل پرینت سه بعدی در سطح مصرف‌کننده است که به عنوان چاپگرهای سه بعدی سرگرم کننده نیز رواج یافته است.
این تکنیک برای مدل‌های اولیه اثبات مفهوم، و همچنین نمونه‌سازی سریع و کم هزینه قطعات ساده، مانند قطعاتی که معمولاً ماشینکاری می‌شوند، مناسب است.
FDM کمترین وضوح و دقت را در مقایسه با سایر فرآیندهای چاپ سه بعدی پلاستیک دارد و گزینه مناسبی برای چاپ طرح‌ها و قطعات با اجزای پیچیده نیست. ممکن است از طریق فرآیندهای پرداخت شیمیایی و مکانیکی، سطوح نهایی با کیفیت بالاتری بدست آید. چاپگرهای سه بعدی FDM صنعتی از پایه‌های محلول برای کاهش برخی از این مشکلات استفاده می کنند و طیف وسیع‌تری از ترموپلاستیک‌های مهندسی یا حتی کامپوزیت‌ها را ارائه می‌دهند، اما قیمت بالاتری نیز دارند.
از آنجایی که فیلامنت ذوب شده هر لایه را تشکیل می‌دهد، گاهی اوقات وقتی که لایه‌ها به طور کامل به یکدیگر نچسبند، فضای خالی بین لایه‌ها باقی می‌ماند. این امر منجر به قطعات ناهمسانگرد می‌شود و زمانی که تحمل بار یا مقاومت در برابر کشش مد نظر باشد، اهمیت می‌یابد.
مواد پرینت سه بعدی FDM در انواع رنگ ها موجود است. مخلوط‌های فیلامنت پلاستیکی آزمایشی مختلف نیز برای ایجاد قطعاتی با سطوح چوبی یا فلزی وجود دارد.
مواد رایج در چاپ سه بعدی به روش FDM
رایج‌ترین مواد پرینت سه بعدی به روش FDM مواد ABS و PLA و ترکیبات مختلف آن‌ها هستند. چاپگرهای پیشرفته‌تر FDM همچنین می‌توانند با مواد تخصصی دیگری چاپ کنند که ویژگی‌هایی مانند مقاومت در برابر حرارت، مقاومت در برابر ضربه، مقاومت شیمیایی و استحکام بالاتری دارند.
چاپ سه بعدی SLA
استریولیتوگرافی اولین فناوری چاپ سه بعدی در جهان بود که در دهه 1980 اختراع شد و هنوز هم یکی از محبوب‌ترین فناوری‌ها برای حرفه‌ای‌ها محسوب می‌شود.
قطعات SLA بالاترین وضوح و دقت، شفاف‌ترین جزئیات و صاف‌ترین سطح را در میان تمام فناوری‌های چاپ سه بعدی پلاستیک دارند. پرینت سه بعدی رزین یک گزینه عالی برای نمونه‌های اولیه بسیار دقیق است که به تحمل شرایط مکانیکی سخت و سطوح صاف مانند قالب‌ها، الگوها و قطعات کاربردی نیاز دارند. قطعات SLA همچنین می‌توانند پس از چاپ به خوبی صیقل داده شده و یا رنگ آمیزی شوند.
قطعات چاپ شده با استفاده از چاپ سه بعدی SLA عموماً همسانگرد هستند و استحکام آن‌ها بدون توجه به جهت‌گیری کم و بیش ثابت است. این استحکام به دلیل پیوندهای شیمیایی بین هر لایه ایجاد می‌شود و منجر به قطعاتی با عملکرد مکانیکی قابل پیش‌بینی می‌شود که برای کاربردهایی مانند جیگ‌ها و فیکسچرها، قطعات مصرفی نهایی و نمونه‌سازی قطعات دارای عملکرد مکانیکی حیاتی هستند.
مواد رایج در پرینت سه بعدی به روش SLA
چاپ سه بعدی SLA فرآیندی بسیار انعطاف‌پذیر است و فرمولاسیون‌های مختلف رزینی را با طیف وسیعی از خواص نوری، مکانیکی و حرارتی ارائه می‌دهد و با ترموپلاستیک‌های استاندارد، مهندسی و صنعتی سازگاری دارد.
چاپ سه بعدی SLS
پرینت سه بعدی به روش پخت انتخابی با لیزر (SLS) به دلیل توانایی آن در تولید قطعات مستحکم و کاربردی مورد اعتماد مهندسان و تولیدکنندگان در صنایع مختلف است. هزینه پایین هر قطعه، بهره‌وری بالا و مواد استاندارد شده، این فناوری را برای طیف وسیعی از کاربردها از نمونه‌سازی سریع گرفته تا تولید دسته‌ای کوچک یا سفارشی از محصولات ایده‌آل می‌سازد.
از آنجایی که پودر ذوب نشده از قطعه در حین چاپ پشتیبانی می‌کند، نیازی به ساختارهای پشتیبان اختصاصی (supports) نیست. این امر باعث می‌شود، SLS برای هندسه‌های پیچیده، از جمله اجزای داخلی، برش‌های زیرین، دیواره‌های نازک و زوایای منفی قطعات ایده‌آل باشد.
دقیقاً مانند SLA، قطعات SLS نیز عموماً همسانگردتر از قطعات FDM هستند. قطعات SLS به دلیل استفاده از ذرات پودر، کمی سطح ناهمواری دارند، اما تقریباً هیچ خطوط و لایه‌های قابل مشاهده‌ای ندارند.
مواد رایج در پرینت سه بعدی به روش SLS
انتخاب مواد برای SLS در مقایسه با FDM و SLA محدود است، اما مواد موجود ویژگی‌های مکانیکی عالی دارند، که استحکامی شبیه به قطعات قالب‌گیری تزریقی ارائه می‌دهند. متداول‌ترین ماده برای تف جوشی لیزری نایلون است، یک ترموپلاستیک مهندسی محبوب با خواص مکانیکی عالی. نایلون سبک، قوی و انعطاف‌پذیر است و همچنین در برابر ضربه، مواد شیمیایی، گرما، اشعه ماوراء بنفش، آب و خاک پایدار است.
مقایسه مواد و فرآیندهای چاپ سه بعدی پلاستیک‌ها
مواد و فرآیندهای مختلف پرینت سه بعدی، نقاط قوت و ضعف خاص خود را دارند، که مناسب بودن آن‌ها را برای کاربردهای مختلف مشخص می‌کند. جدول زیر خلاصه ای از برخی ویژگی ها و ملاحظات کلیدی را ارائه می‌دهد.
چاپ سه بعدی فلزات
فراتر از پلاستیک‌ها، چندین فرآیند چاپ سه بعدی برای چاپ فلزات وجود دارد.
• FDM فلزی: چاپگرهای FDM فلزی مشابه چاپگرهای FDM سنتی کار می‌کنند، اما از میله‌های فلزی اکسترود شده استفاده می‌کنند که توسط چسب‌های پلیمری به هم متصل می‌شوند. سپس قطعات خام تمام شده در یک کوره پخته می‌شوند تا چسب جدا شود.
• ذوب انتخابی با لیزر (SLM) و پخت مستقیم فلزات با لیزر (DMLS): پرینترهای SLM و DMLS مشابه پرینترهای SLS عمل می‌کنند، اما به جای ذوب پودرهای پلیمری، ذرات پودر فلز را لایه به لایه با استفاده از لیزر به هم جوش می‌دهند. چاپگرهای سه بعدی SLM و DMLS می‌توانند محصولات فلزی قوی، دقیق و پیچیده ایجاد کنند که این فرآیند را برای کاربردهای هوافضا، خودرو و پزشکی ایده‌آل می‌کند.
مواد رایج در چاپ سه بعدی فلزات
• تیتانیوم سبک است و ویژگی‌های مکانیکی عالی دارد. قوی، سخت و در برابر حرارت، اکسیداسیون و اسید بسیار مقاوم است.
• فولاد ضد زنگ دارای استحکام بالا، شکل پذیری بالا و مقاوم در برابر خوردگی است.
• آلومینیوم سبک وزن، بادوام، مستحکم و دارای خواص حرارتی خوبی است.
• فولاد ابزار یک ماده سخت و مقاوم در برابر خش است که می‌توانید از آن برای چاپ ابزارهای مصرفی نهایی و سایر قطعات با استحکام بالا استفاده کنید.
• آلیاژهای نیکل استحکام کششی، خزشی و گسیختگی بالایی دارند و در برابر حرارت و خوردگی مقاوم هستند.
جایگزین‌های چاپ سه بعدی فلزات
در مقایسه با فناوری‌های پرینت سه بعدی پلاستیک‌ها، چاپ سه بعدی فلزات به طور قابل ملاحظه‌ای پرهزینه‌تر و پیچیده‌تر است و دسترسی به آن را برای اکثر مشاغل محدود می‌کند.
در یک روش جایگزین، می‌توان از روش چاپ سه بعدی SLA برای ساخت مدل‌های ریخته‌گری فلزات استفاده کرد که با هزینه محدودتر، آزادی طراحی بیشتر و در زمان کمتری نسبت به روش‌های سنتی تولید، ساخت قطعات فلزی را بهتر توجیح می‌کند.
جایگزین دیگر، آبکاری قطعات SLA است که شامل پوشش دادن یک ماده پلاستیکی با یک لایه فلز از طریق الکترولیز است. این ترکیب برخی از بهترین کیفیت‌های استحکام، رسانایی الکتریکی، و مقاومت در برابر خوردگی و سایش را با خواص ویژه مواد اولیه (معمولاً پلاستیکی) ترکیب می‌کند.
الگوی انتخاب مناسب مواد چاپ سه بعدی
با وجود این همه مواد و گزینه‌های چاپ سه بعدی، چگونه می‌توانید انتخاب درستی داشته باشید؟
در اینجا الگویی سه مرحله‌ای برای انتخاب مواد پرینت سه بعدی مناسب برای کاربرد موردنظر شما ارائه شده است.
مرحله 1: الزامات عملکردی را تعریف کنید.
پلاستیک‌های مورد استفاده برای پرینت سه بعدی ویژگی‌های شیمیایی، نوری، مکانیکی و حرارتی متفاوتی دارند که نحوه عملکرد قطعات پرینت سه بعدی را تعیین می‌کند. هرچه محل کاربرد در نظر گرفته شده برای قطعات به استفاده در دنیای واقعی نزدیکتر می‌شود، الزامات عملکردی نیز متناسب با آن افزایش می‌یابد.
مرحله 2: الزامات عملکردی را با خواص مواد تعریف کنید.
هنگامی که الزامات عملکردی محصول خود را شناسایی کردید، گام بعدی تبدیل آن‌ها به نیازهای مواد است که خواص یک ماده که این نیازهای عملکردی را برآورده می‌کند، مشخص می‌کند. شما معمولاً این معیارها را در برگه اطلاعات مواد پیدا خواهید کرد.
مرحله 3: انتخاب کنید.
هنگامی که الزامات عملکردی را با خواص مواد تعریف می‌کنید، به احتمال زیاد به یک ماده واحد یا گروه کوچک‌تری از مواد خواهید رسید که می‌تواند برای کاربرد شما مناسب باشد.
اگر چندین ماده وجود دارد که نیازهای اساسی شما را برآورده می‌کند، می‌توانید به طیف وسیع‌تری از ویژگی‌های مورد نظر نگاه کنید تا مزایا و معایب مواد و فرآیندهای داده شده را برای انتخاب نهایی در نظر بگیرید.
