چاپ سه بعدی با روش پخت انتخابی با لیزر (SLS)

پخت (زینتر) فرآیند اعمال گرما و یا فشار برای همجوشی تکه‌های فلز، سرامیک و سایر مواد در یک توده جامد است. این امر پدیده جدیدی نیست؛ طبیعت برای سالهای متمادی در حال ترکیب مواد معدنی رسوبی در صفحات و کوارتزیت بوده است و انسان‌ها از هزاران سال پیش شروع به استفاده از روش‌های مشابه برای ساخت آجر و ظروف چینی کرده‌اند. امروزه از پخت (زینتر) برای تولید انواع قطعات استفاده می شود، از چرخ دنده‌ها و میله‌های اتصال گرفته تا زنجیر چرخ و یاطاقانها. از این پدیده همچنین برای چاپ قطعات سه بعدی استفاده می‌شود.
پخت انتخابی با لیزر (SLS) یک پسر عموی نزدیک برای پخت فلز با لیزر (DMLS) است، اما برای ساخت قطعات پلاستیکی و نه فلزی بکار گرفته می‌شود. SLS از لیزر CO2 تحت کنترل رایانه بهره می‌برد؛ در حالی که در DMLS از لیزر فیبر ND: YAG استفاده می‌شود. هر دو تکنولوژی، لایه‌های مدل CAD را در بستر مواد در اندازه میکرون به صورت لایه به لایه تا تکمیل فرآیند شکل گیری قطعه می‌سازند.
SLS به هیچ یک از ساختارهای پشتیبانی (support) معمول در DMLS احتیاج ندارد و برخلاف استریولیتوگرافی (SLA) با استفاده از مواد نایلونی، قطعات با درجه مهندسی بالا و کاملاً کاربردی ایجاد می کند. این روش تنها فناوری تولید با روش افزودن مواد (AM) است که قادر به ایجاد لولاهای زنده و مجموعه‌های مناسب برای مونتاژ می‌باشد. این ویژگی‌ها این فناوری را برای تولید نمونه‌های اولیه از محصولات پلاستیک تزریقی، بسیار عالی می‌کند و حتی در بعضی موارد، که تعداد محصول محدود است، می‌تواند به عنوان جایگزینی برای روش ساخت با قالب استفاده شود.

مواد مورد استفاده در SLS

مانند هر فرآیند افزودنی دیگر، درک ملاحظات طراحی برای ساخت قطعات به روش SLS بسیار مهم است. یکی از این ملاحظات، مواد قابل استفاده در این فرآیند است. علی رغم کاربردهای گسترده، تمام قطعات SLS در حال حاضر به مواد نایلونی محدود شده‌اند (همان ترموپلاستیک‌های محبوب مورد استفاده در اتصالات، ماهیتابه‌ها و هزاران مورد روزمره دیگر.) چهار نوع از این پلیمرهای همه کاره در اکثر شرکت‌های بزرگ تولیدات پرینت سه بعدی در جهان، قابل ارائه است:
• PA 850 Black: این بیوپلاستیک سخت، مشابه نایلون 11 پر نشده، یک گزینه عالی برای قطعاتی است که به لولای زنده احتیاج دارند. به عنوان مثالی از این کاربرد، می‌توان به درب ظروف قرص اشاره کرد. همچنین یکی از بالاترین آستانه‌های شکست کشیدگی در خانواده نایلونها را ارائه می‌دهد. رنگ این ماده سیاه است، سطح صاف و جزئیات خوبی از قطعه را می‌سازد و به دلیل مقاومت عالی شیمیایی و جذب آب کم، برای محصولاتی مانند خطوط سوخت، کفش تنیس و اتصالات الکتریکی ایده‌آل است.
• PA 650 White: این پلیمر، مشابه نایلون 12 پر نشده، سفت و سخت است و در ساخت مجاری هوا، وسایل ورزشی و محصولات مشابه بسیار پر کاربرد است. این ماده یک سطح نهایی تمیز و سفید را ارائه می‌دهد، اما نسبت به نایلون‌های دیگر سطحی خشن‌تر دارد. مقاومت آن در برابر ضربه و دما زیاد است و تحت طیف وسیعی از شرایط محیطی پایدار می‌ماند. نایلون 12 همچنین ضریب اصطکاک کمی دارد که آن را برای انواع چرخ دنده‌ها و یاتاقان‌ها مناسب می‌کند.
• PA 620-MF: نوعی نایلون 12 بوده که حاوی 25 درصد فیبر معدنی است و برای قطعاتی که به مقاومت ساختاری بالا و ویژگی‌های تحمل بار نیاز دارند، استفاده می‌شود. مانند اکثر نایلون‌ها، سختی بسیار خوبی در دمای بالا ارائه می‌دهد، این یکی از دلایل محبوبیت نایلون پر شده در میان صنایع هوافضا و اتومبیلرانی و هر نوع کاربرد دیگر است که نیاز به ماده مستحکم و بادوام دارد. این ماده همچنین دارای خواص مکانیکی جهت‌دار بوده (الیاف در جهت X تراز می‌شوند) که آن را در طول یک صفحه مستحکم تر می‌کند.
• PA 615-GS: نایلون 12 پر شده با الیاف شیشه با نسبت 50 درصد، به عنوان ماده‌ای با ثبات ابعادی و مقاومت در برابر دمای بالا شناخته می‌شود. این ماده به ویژه برای قطعات دقیق با جزئیات زیاد و دارای هندسه‌های پیچیده بسیار مناسب است و در کاربردهای سخت بجای نایلون پر نشده استفاده می‌شود. با این حال، پر کردن ماده با شیشه می‌تواند باعث سایش سطوح مجاور شود، چیزی که باید در هنگام طراحی قطعات با این ماده سخت مورد توجه قرار گیرد. هر دو نایلون 615-GS و 620-MF انعطاف پذیری بسیار کم‌تری دارند و 615-GS به دلیل محتوای شیشه، بسیار سنگین‌تر خواهد بود. همچنین لازم به ذکر است که 620-MF نسبت مقاومت به وزن بسیار بهتری نسبت به 615-GS دارد.

مدیریت ساخت

این چهار نوع مواد نایلونی کاربردهای مختلفی را پوشش می‌دهند. با وجود این، تقریباً در 95 درصد موارد برای ساخت قطعات با روش SLS، PA 850 (نایلون 11) یا PA 650 (نایلون 12) مورد استفاده قرار می‌گیرد، اگرچه انواع پر شده با مواد معدنی و الیاف شیشه، در حال گسترش‌اند. طراحی قطعه بسیار موثرتر از انتخاب مواد است، از این رو، کنترل اعوجاج‌ها در ساخت قطعات با روش افزودن مواد مهم‌ترین چالش در دستیابی به کیفیت مطلوب قطعه است.
بخش عمده‌ای از این کنترل‌ها به کمک مهندسین و مشاورین طراحی انجام می‌شود. برای صاف و درست نگه داشتن قطعات، تکنسین‌ها اغلب قطعات را کمی در محفظه ساخت تحت نیرو قرار می‌دهند. برای مثال اگر برای یک دسته بازی ویدیویی در حال طراحی کیس هستید، احتمالاً یک شیب ترکیبی 10 تا 15 درجه در محورهای X و Y در هنگام ساخت، تمام چیزی است که برای حفظ تطابق دیواره‌ها و درب کیس لازم است. ذکر این نکته مهم است که به دلیل پیچیدگی این روش، طراحی و ساخت قطعه به طور گام بگام دنبال می‌شود، و لازم است تا در هنگام ارائه طرح خود به مهندسین مشاور، در قالب توضیحات و تجزیه و تحلیل‌ها، کیفیت سطح پایانی قطعه و دیگر نکات مهم در طراحی آن را توصیف نمایید.

برای بهبود ویژگی‌های قالب پذیری قطعه، هرگز زود نیست!

بسیاری از قوانینی که در قالب‌گیری تزریقی اعمال می‌شود، در مورد SLS نیز اعمال می‌شود و آن را به گزینه‌ای مناسب برای قطعاتی که در نهایت قالب‌گیری می‌شوند، تبدیل می‌کند. استفاده از برجستگی در موقعیت سوراخ ها و تکیه‌گاه‌های پشتیبان و اجتناب در استفاده از مقاطع ضخیم، المان‌هایی هستند که در فرایند طراحی هر دو روش مورد توجه قرار می‌گیرند. دیگر ملاحظات طراحی نیز شامل موارد زیر است:
• افزودن شعاع‌های گوشه‌ای در محل اتصال دیواره‌ها برای کاهش تنش؛
• ضخامت یکنواخت دیواره ها (بین 1.5 تا 4 میلیمتر) برای کاهش اعوجاج و پتانسیل تاب خوردن قطعه توصیه می شود؛
• گاهی برای کاهش تاب خوردگی قطعه، استفاده از ریب‌ها نیز در نظر گرفته می‌شود.
در مواردی که قطعات قالب تزریق می‌توانند دارای بوشها یا رزوه‌های فلزی به صورت افزونه در فرآیند قالبگیری باشند، قطعات SLS از طریق درج‌های گرمایشی قابل مقایسه با این روش هستند. در مثال دسته بازی، افزونه‌های فلزی رزوه شده را می‌توان به عنوان یک فرآیند ثانویه در هر گوشه از محفظه به کمک گرما درج نمود تا عمل مونتاژ قطعات به خوبی صورت گیرد.

سطح نهایی قطعه در روش SLS

سطح نهایی تولید شده توسط SLS نسبت به سایر فناوری‌های چاپ سه بعدی کمی خشن‌تر است که به طور معمول از 100 تا 250 RMS متغیر است، اما هنوز هم برای اکثر نمونه‌های اولیه، عملکردی کاملاً مناسب ارائه می‌کند. استفاده از سندبلاست نرم بر روی قطعه در مراحل نهایی آماده سازی، پودر اضافی را پاک می‌کند و زبری سطح قطعه را از بین می‌برد تا یک سطح نهایی مات و صاف ایجاد شود. وضوح بسیار خوب متن‌ها یکی دیگر از مزایای این روش است، چرا که حداقل اندازه اجزای قابل نمایش روی سطح قطعه 700 میکرون است، اما فونت‌های بسیار کوچک، با پودر مسدود می‌شود، که باعث ناخوانایی حروف و اعداد می‌گردد. استفاده از متن به صورت افزونه بر روی قطعه نتایج بهتری را ارائه می‌دهد. نهایتاً می‌توان گفت، SLS از دقت كمتری نسبت به دیگر فرآیندهای پخت لیزری رقیب برخوردار است که برای نمونه می‌توان به تولرانس 80 میکرونی DMLS در ساخت جزئیات قطعه اشاره کرد.
نکته مثبت در اینجا این است که چاپگرهای SLS دارای یک محفظه ساخت 480 در 480 در 550 میلیمتری در شرکت‌های بزرگ ساخت قطعات پرینت سه بعدی هستند، که بسیار بزرگتر از نمونه فلزی آن‌ها است؛ و از آنجا که هیچ ساختار پشتیبانی (support) در آن وجود ندارد، می‌توان از کل بستر پودر برای ساخت قطعه استفاده کرد و ساخت چندین قطعه در یک مرحله ساخت امکان پذیر است. این امر SLS را به جایگزینی مناسب برای پلاستیک ماشینکاری شده، همترازی منطقی برای قطعات قالب‌گیری تزریقی و روشی عالی برای تولید قطعات نایلونی کاربردی در حجم بالاتر از آنچه که معمولاً با روش‌های تولید با شیوه افزودن مواد ممکن است، تبدیل می‌کند.

منابع:

www.protolabs.com/resources/design-tips/designing-for-selective-laser-sintering/

www.formlabs.com/asia/blog/what-is-selective-laser-sintering/