پرینتر سه بعدی SLS

پرینتر سه بعدی selective laser sintering یا به اختصار SLS یکی از انواع روش های پرینت سه بعدی است که به دلیل ساخت قطعات مستحکم و کاربردی مورد استفاده مهندسان و تولیدکنندگان قطعات صنعتی قرار می گیرد. پرینتر سه بعدی SLS بر پایه پودر است و این یعنی مواد اولیه این دستگاه به صورتی پودری است. در این مقاله ما به شرح چگونگی کارکرد این پرینتر خواهیم پرداخت.

روش کار پرینتر سه بعدی SLS سه مرحله دارد که شامل:

1. پروسه پرینت: ابتدا پودر به صورت یک لایه نازک بر روی یک پلتفرم درون محفظه چاپ، پراکنده می شود. پرینتر پودر را تا دمایی زیر دمای ذوب ماده گرم می کند بنابراین پرتوی لیزری راحتتر می تواند قسمت های خاصی از بستر پودر را برای ترسیم و ساخت قطعه، گرم کند. لیزر سطح مقطع مدل را اسکن می کند و پودر را تا نقطه ذوب یا کمی پایین تر از نقطه ذوب حرارت می دهد تا طبق الگوی از پیش تعیین شده، ذرات به صورت مکانیکی با یکدیگر ترکیب شوند تا یک جسم صلب شکل گیرد. پودر های ترکیب نشده به عنوان ساختار ساپورت در طول پرینت از جسم پشتیبانی می کنند و نیاز به ساختار ساپورت گذاری به صورت جداگانه را از بین می برند. سپس پلتفرم یک لایه درون محفظه ساخت پایین تر می رود ( معمولا بین 5 تا 200 میکرون ) و پروسه تکرار می شود. این پروسه برای هر لایه به صورت جداگانه تکرار می شود تا زمانی که قطعه کامل شود.

2. سرد کردن: بعد از پروسه پرینت، لازم است قطعه هم داخل محفظه ساخت و هم بیرون از پرینتر سرد شود تا از خواص مکانیکی مطلوب برخوردار شود و از تاب برداشتن قطعات جلوگیری شود.

3. پرداخت: لازم است که قطعه نهایی از محفظه ساخت بیرون آورده شود و از پودر های اضافی تمیز شود. این پودر ها را می توان بازهم استفاده کرد. قطعه پرینت شده را می توان با Media blasting یا Media tumbling پرداخت کرد.

همان طور که اشاره کردیم پودر های ترکیب نشده می توانند به عنوان ساختار ساپورت عمل کرده و نیاز به ایجاد ساختار ساپورت جدا گانه را از بین ببرند. این موضوع موجب شده است که پرینتر سه بعدی SLS برای پرینت سه بعدی هندسه های پیچیده که شامل: جزئیات داخلی، دیواره های نازک، برش های کوچک و... روشی ایده آل باشد. لازم به ذکر است که قطعات پرینت شده با پرینتر سه بعدی SLS به اندازه قطعات تزریقی مستحکم و بادوام هستند.

مواد مورد استفاده در پرینتر سه بعدی SLS

رایج ترین ماده برای پرینتر سه بعدی SLS نایلون است. یک ترمو پلاستیک مهندسی با توانایی بالا که هم برای نمونه سازی کاربردی و هم ساخت قطعه نهایی کاربرد دارد. نایلون برای اسمبلی های پیچیده و قطعات بادوام و با پایداری محیطی بالا مناسب است.

قطعات پرینت سه بعدی نایلون مستحکم، خشک، بادوام و ضد ضربه هستند و همچنین می توانند در برابر سایش ها و گسستن های مداوم، مقاوم باشند. نایلون در برابر اشعهUV، نور، گرما، رطوبت، حلال ها، دما و آب مقاوم است.علاوه بر این قطعات پرینت سه بعدی نایلون حساسیت زا نیستند به همین دلیل برای پوشیدن و بسیاری از موارد مناسب هستند. لازم به ذکر است که نایلون با محیط زیست سازگار نیست و تجزیه نمی شود.

کاربرد های پرینتر سه بعدی SLS

پرینتر سه بعدی SLS نوآوری را سرعت می بخشد و از کسب و کار ها در طیف گسترده ای از صنایع، از جمله مهندسی، ساخت و ساز و تجهیزات پزشکی پشتیبانی می کند.

مهندسی:

1. نمونه سازی سریع
2. مدل های از محصولات برای بازخورد مشتریان
3. تست عملکردی دقیق
4. نمونه سازی کاربردی

ساخت و ساز:

1. تولید محصولات نهایی
2. برای گروه ساخت و ساز های کوچک
3. تولید محصولات منحصر به فرد طبق سفارش هر مشتری
4. تولید قطعات جایگزین و کمیاب
5. خودرو های منحصر به فرد ، قطعات موتورسیکلت، تجهیزات نیروی دریایی و تجهیزات درخواستی ارتش

تجهیزات پزشکی:

1. نمونه سازی تجهیزات پزشکی
2. پروتز و ارتز  (Prosthetics and orthotics, به معنای بریس های جایگزین اندام)
3. ابزارهای مدل جراحی
4. قطعات مصرف نهایی

ساخت قطعه با استفاده از پودر بجای فیلامنت پرینتر سه بعدی sls

روش های پرینت سه بعدی

تکنولوژی پرینت سه بعدی یک روش ساخت افزایشی است که شامل چندین فناوری می شود که قطعات پلاستیکی و فلزی را به صورت لایه به لایه می سازند. انواع روش پرینت سه بعدی می تواند در انتخاب مواد، پرداخت سطح، دوام، سرعت ساخت و هزینه متفاوت باشند. پرینت سه بعدی آینده عصر ساخت و ساز است. زیرا که هر ماده ای را می توان با انواع فرآیندهای پرینت سه بعدی ساخت.

پرینتر سه بعدی به وسیله اکسترود مواد، اقدام به ساخت و ساز می کند. مواد از طریق یک نازل اکسترود می شوند اکثر مواقع این مواد، پلاستیکی هستند. این مواد در هات اند ذوب شده و از طریق نازل، بر روی یک پلتفرم و در امتداد مسیری از پیش تعیین شده قرار می گیرند. جایی که فیلامنت ذوب شده، سرد می شود و لایه به لایه جسم مورد نظر را تشکیل می دهد. پرینتر سه بعدی می تواند طیف وسیعی از مواد مانند: فلز، بتن، بایو ژل و... را اکسترود کند که البته پلاستیک رایج ترین آن ها است.

تعداد زیادی از انواع پرینتر های سه بعدی وجود دارد که در زیر به چند مورد از آن ها اشاره می کنیم:

 1. Fused Deposition Modeling ( FDM )

 2. Stereolithography ( SLA )

 3. Digital Light Processing ( DLP )

 4. Selective Laser Sintering ( SLS )

 5. Masked Stereolithography ( MSLA )

 6. Electron Beam Melting ( EBM )

 7. Multi Jet Fusion ( MJF )

 8. Material Jetting ( MJ )

 9. Drop on Demand ( DOD )

10. Directed Energy Deposition ( DED )

11. Electron Beam Additive Manufacturing ( EBAM )

12. Selective Heat Sintering rapid prototyping ( SHS )

13. Binder Jetting

14. Micro 3D Printing

15. Cold Spray

روشهای پرینت سه بعدی فیلامنت پرینتر سه بعدی

پرینتر سه بعدی یک روش ساخت افزایشی است که از طریق اکسترود لایه به لایه مواد روی یک صفحه چاپ، با روش های مختلفی قطعه مورد نظر را می سازد. . انواع روش پرینت سه بعدی می تواند در انتخاب مواد، پرداخت سطح، دوام، سرعت ساخت و هزینه متفاوت باشند. برای مثال پرینتر سه بعدی که مواد اولیه آن می تواند رزین باشد یا فیلامنت های با انواع مختلف.

فرآیند همجوشی بر بستر پودر ( Powder Bed Fusion ( PBF ) 3D printing )

فرآیند همجوشی بربستر پودر ( PBF )  شامل تکنیک های پرینت زیر است:

جوش لیزری مستقیم فلز( DMLS )، ذوب پرتو الکترونی( EBM ) ،پخت حرارتی انتخابی ( SHS )،ذوب لیزری انتخابی( SLM )، مولتی جت ( MJF ) و جوش لیزری انتخابی ( SLS ).

همجوشی بر بستر پودر ( PBF ) از لیزر یا پرتو الکترونی برای ذوب و ترکیب مواد پودری استفاده می کند. روش های ذوب پرتو الکترونی ( EMB )، نیازمند خلأ هستند اما می توانند با فلزات و آلیاژها در ایجاد قطعات کاربردی استفاده شوند. تمام فرآیندهای PBF شامل پخش مواد پودری روی لایه های قبلی است. در اینجا مکانیسم های مختلفی برای فعال کردن این کار وجود دارد، از جمله یک غلتک یا یک تیغه. یک قیف یا یک مخزن زیر بستر کناری، مواد تازه را تامین می کند. پخت مستقیم لیزر فلزات ( DMLS ) که مشابه SLS است، اما با این تفاوت که از فلزات استفاده می کند و نه پلاستیک. این فرآیند لایه به لایه پودر را جوش می دهد. جوش حرارتی انتخابی از طریق استفاده از سر پرینت حرارتی گرم شده برای ذوب مواد پودری با سایر فرآیندها متفاوت است. مانند قبل، پودر فلز برای هر لایه با یک غلتک در بین همجوشی لایه ها اضافه می شوند.

یک پلتفرم مدل را دقیقا بر این اساس پرینت می کند: ابتدا  یک لایه، معمولاً به ضخامت 0.1 میلی متر از مواد روی سکوی ساخت پخش می شود. لیزر اولین لایه یا اولین مقطع مدل را ذوب می کند.سپس لایه جدیدی از پودر با استفاده از یک غلتک روی لایه قبلی پخش می شود. لایه ها یا مقاطع بیشتر ذوب شده و اضافه می شوند. و در آخر قسمت های ذوب نشده لایه ها و شل شده در موقعیت خود باقی می مانند اما در طول پردازش بعدی حذف می شوند.

مواد مورد استفاده در پرینترهای سه بعدی

همراه با پیشرفت فناوری پرینت سه بعدی ، مواد مورد استفاده در این پرینتر ها نیز پیشرفت زیادی داشته است.

امروزه انواع مختلف مواد در شکل های گوناگون مانند پودر، فیلامنت ، گرانول، رزین و... در دسترس می باشد.

در اینجا به معرفی پرکاربردترین مواد مورد استفاده در پرینتر ها می پردازیم.

 پلاستیک ها

پلاستیک ها به دو دسته اصلی ترموپلاستیک ها و ترموست ها تقسیم می شود.

ترموپلاستیک ها

به دسته ای از پلاستیک ها گفته می شود که وقتی به آنها حرارت می دهیم در دمای مشخصی ذوب می شوند. این پلاستیک ها را می توان به دفعات زیاد ذوب نمود و جامد کرد بدون اینکه خواص آنها تغییر کند. تمامی پلاستیک های مورد استفاده در پرینترهای fdm ترموپلاستیک می باشند مانند ABS ،PLA ، Pc و....

 ترموست ها

معمولاً به صورت رزین مایع هستند که در اثر حرارت دیدن و یا وقتی در معرض اشعه ماورای بنفش قرار بگیرند و یا به آنها کاتالیزور اضافه شود بین مولکولهای آن اتصالات عرضی ایجاد شده و به صورت یک شبکه یکپارچه در می آیند. به این فرایند پخت می گویند. اگر ترموستی را که پخته شده است حرارت دهیم ذوب نمی شود بلکه تخریب می شود. پس پخت ترموست یک فرایند برگشت ناپذیر می باشد و ترموست ها بر خلاف ترموپلاستیک ها ذوب نمی شوند. رزین پلی استر، رزین وینیل استر و رزین اپوکسی نمونه هایی از ترموست ها می باشند.

 فیلامنت (رشته)

به مواد مورد استفاده در پرینترهای fdm فیلامنت گفته می شود. علت این نام گذاری این است که گرانول های مواد مصرفی با استفاده از فرایند اکستروژن به شکل رشته هایی طویل با قطر ۱.۷۵ یا ۳ میلیمتر درآورده می شوند. این رشته ها به دور قرقره هایی پیچیده شده و در وزن های مختلف به بازار عرضه می شوند.

 فلزات

فلزات و کامپوزیت های فلزی در پرینترهای سه بعدی صنعتی استفاده می شوند. دو مورد از رایج ترین آنها مشتقات آلومینیوم و کبالت می باشد.

فولاد ضد زنگ یک فلز محکم می باشد که به صورت پودر در پرینتر هایی با فرایند پخت یا ذوب مورد استفاده قرار می گیرد. این فلز در حالت طبیعی به رنگ نقره ای می باشد ولی می توان با آبکاری قطعات به آنها جلوه طلا و یا برنز داد.

در سال‌های اخیر طلا و نقره در صنعت جواهرسازی به صورت پودری پردازش می‌شوند و قطعه مدنظر ساخته می شود.

تیتانیوم نیز به صورت پودری در پرینترهای با فرایند پخت یا ذوب مورد استفاده قرار می گیرد.

 سرامیک

این مواد نسبتاً جدید هستند و می توانند برای تولید نمونه اولیه یا در پرینترهای سه بعدی صنعتی مورد استفاده قرار گیرند. نکته‌ای که در رابطه با این مواد حائز اهمیت است و باید بدان توجه نمود این است که قطعات چاپ شده با این مواد همانند قطعات تولید شده به روش سنتی باید مرحله پخت و لعاب را پشت سر بگذارند.

 مواد زیستی

تحقیقات گسترده ای در مورد پتانسیل چاپ مواد زیستی برای بسیاری از کاربردهای پزشکی و غیره انجام شده است.

به عنوان مثال این مواد برای چاپ اعضای بدن انسان برای پیوند و چاپ بافت های خارجی برای جایگزینی اعضای بدن مورد بررسی قرار گرفته اند.

 کاغذ

فرایند پرینت سه بعدی به وسیله کاغذ اولین دفعه توسط شرکت Mcor ارائه شد. مواد چاپ شده با استفاده از کاغذ ایمن، سازگار با محیط زیست و به راحتی قابل بازیافت می باشند.

 مواد غذایی

در سال های اخیر بررسی چاپ مواد غذایی افزایش یافته است. شکلات رایج ترین می باشد. بعضی از پرینترها با استفاده از شکر کار می کنند. در برخی دیگر آزمایشات به وسیله ماکارونی و یا گوشت انجام می شود.

هدف از تحقیقات در زمینه چاپ مواد غذایی این است که بتوان با استفاده از پرینت سه بعدی غذای کامل تولید کرد. مثلاً شرکت استراتاسیس (stratasys )  دارای مواد منحصر به فردی می باشد که می تواند در طی فرایند پرینت سه بعدی مواد را در غلظت های مختلف و مشخص ترکیب کرده و مواد جدیدی با ویژگی های مورد نیاز تولید کند. این شرکت با استفاده از مواد اولیه قادر به تولید ۱۴۰ ماده دیجیتالی مختلف می باشد .

موارد قابل استفاده از پرینتر سه بعدی 

چند برنامه برتر پرینت سه بعدی

پرینتر سه بعدی تکنولوژی ساخت افزایشی توانمند است، که به طراحان آزادی عمل بیشتری می دهد. مواردی که می توان از تکنولوژی پرینتر سه بعدی استفاده کرد بی حد و مرز است، اما در ادامه به چند مورد از کاربردها اشاره می کنیم.

1. ساخت نمونه اولیه: پرینتر سه بعدی بهترین گزینه برای ساخت نمونه های اولیه با هر هندسه پیچیده ای است.

2. پزشکی و دندان پزشکی: پرینتر سه بعدی در پزشکی کاربرد فراوانی دارد. از ساخت انواع ایمپلنت ها تا اعضای بدن مصنوعی و پرینت سه بعدی پوست انسان را می توانیم به وسیله پرینتر سه بعدی بسازیم.

3. میراث فرهنگی: برای نگهداری، ترمیم و کپی برداری از آثار باستانی کاربرد دارد. بسیاری از موزه ها به وسیله پرینتر سه بعدی بسیاری از آثار را بازسازی می کنند.

4. تحصیلات و آموزش: پرینتر سه بعدی بهترین منبع برای آموزش در کلاس درس است و دانش آموزان می توانند با سرعت بالا و هزینه کم در کلاس به نمونه سازی بپردازند.

5. خودرو سازی و صنعت: پرینتر سه بعدی می تواند با دقت بالایی انواع قطعات خودرو و قطعات صنعتی با انواع متریال مختلف تولید کند.

6. ساختمان سازی: با استفاده از تکنولوژی پرینتر سه بعدی ساختمان سازی با هزینه و زمان کمتر ممکن شده است.

7. جواهر سازی: یکی از کاربرد های پرینتر سه بعدی مدل سازی و قالب سازی برای فروشندگان طلا و جواهر است.

8. ساخت مجسمه و اسباب بازی: به وسیله پرینتر سه بعدی می توان انواع اسباب بازی و حتی سردیس و تندیس هر فرد را ساخت.

نمونه کار پرینتر سه بعدی    ساخت قطعه صنعتی پرینتر سه بعدی    ساخت ماکت دیفرانسیل با پرینتر سه بعدی

بدنه مدار الکترونیکی

مجسمه پروفسور گنجی ( پدر جغرافیای ایران )