9 دسامبر 2022 توسط جو بوش – نمونه ای از یک قطعه پرینت سه بعدی در Materialize
پرینت سه بعدی دنیای کاملا جدیدی را برای مهندسان طراحی ایجاد می کند و امکان ایجاد سریع نمونه های اولیه کاربردی و قطعات استفاده نهایی را فراهم می کند. با این حال، همانطور که تیم ما از ارائه‌دهنده خدمات چاپ سه‌بعدی Materialise در لوون بلژیک دریافتند، این فناوری به دور از فناوری یک‌اندازه است.
تولید افزودنی، برای دادن عنوان مناسب به چاپ سه بعدی، یک فناوری چند وجهی است که شامل فرآیندها، تکنیک‌ها و مواد بی‌شماری (از جمله فلز، پلاستیک و سرامیک) است که هر کدام برای عملکردها و کاربردهای نهایی مناسب هستند.
نه تنها این، بلکه کاربردهای نهایی این فناوری نیز متنوع تر می شوند. در گذشته، پرینت سه بعدی تنها حوزه نمونه سازی سریع بود. در حال حاضر، بیش از 50 درصد از قطعات چاپ شده توسط Materialize برای استفاده نهایی است. در اینجا، ما به برخی از فناوری‌های موجود برای تولیدکنندگانی که به فکر معرفی پرینت سه بعدی در فرآیندهای خود هستند نگاه می‌کنیم.
چاپ سه بعدی فلزی یا ذوب لیزری انتخابی (SLM)، انعطاف پذیری طراحی چاپ سه بعدی را با خواص مکانیکی آلیاژهای فلزی با کارایی بالا ترکیب می کند تا قطعات منحصر به فرد، قوی و سبک را ایجاد کند.
در این فرآیند، پرتوهای لیزر، بخش‌های انتخاب شده از لایه بالایی پودر فلز را با نواحی زیرینی که از قبل جامد هستند، گرم می‌کند. هنگامی که یک لایه کامل شد، بستر پودر فلز به اندازه یک لایه پایین می‌آید و یک لایه پودر جدید اعمال می‌شود – سپس لیزر نواحی انتخاب شده از پودر فلز را دوباره ذوب می‌کند. با تکرار مداوم این مراحل، مولفه با ساختارهای پشتیبان خود لایه به لایه ایجاد می شود.
تکیه گاه ها در SLM اهمیت زیادی دارند زیرا نه تنها قطعه را در موقعیت خود نگه می دارند، بلکه تنش های داخلی را جذب می کنند، گرما را از بین می برند و در نتیجه از تغییر شکل و سایر خطاهای ساختمانی جلوگیری می کنند.
نقاط قوت SLM در ترکیب آزادی طراحی چاپ سه بعدی با خواص مواد فلزات مختلف قابل استفاده نهفته است. این فناوری امکان پیاده سازی هندسه های بسیار پیچیده را در یک جزء فراهم می کند.
این روش امکان ایجاد ساختارهای سبک وزنی را فراهم می کند که نه تنها برای خودروسازی و هوافضا، بلکه برای سایر کاربردهایی که در آن قطعات به طور مکرر شتاب مصرف می یابند، مزایای عمده ای به همراه دارد. تولید SLM می تواند برای بسیاری از محصولات نهایی مفید باشد، به خصوص اگر آنها به صورت جداگانه یا در دسته های کوچک مورد نیاز باشند. اینها شامل ابزار تولید، قالب ها و همچنین قطعات یدکی می باشد.
چند جت فیوژن (MJF)
زمان ساخت سریع ارائه شده توسط MJF جایگزین جذابی برای قالب گیری تزریقی است. بدون نیاز به ساختارهای پشتیبانی و سطوحی که به حداقل پس پردازش نیاز دارند، این فناوری برای نمونه‌های اولیه کاربردی و سری‌های کوچک حتی قطعات استفاده نهایی پیچیده مناسب است.اگرچه بر پایه پودر به عنوان ماده چاپ است، اما از لیزر استفاده نمی کند. در عوض، از دو مایع و همچنین نور مادون قرمز استفاده می کند. بستر پودری در قسمت ساخت در ابتدا به طور یکنواخت گرم می شود و لایه های پودری جداگانه به صورت مرحله به مرحله اعمال می شوند.
با توجه به این فرآیند، MJF قابلیت پیش بینی زمان خوبی را ارائه می دهد. از آنجایی که فرآیند ذوب بر اساس حرکت لیزر نیست، که بسته به ناحیه ای که قرار است در معرض قرار گیرد متفاوت است، فرآیند چاپ دقیقاً برای هر لایه زمان می برد. این بدان معنی است که زمان چاپ را می توان دقیقاً پیش بینی کرد. بنابراین، کاربران می توانند از زمان های کوتاه تر و توانایی تولید قطعات بیشتر با کیفیت کافی در یک کار ساخت بهره مند شوند.
نقاط قوت اجزای تولید شده توسط MJF ناشی از ریزدانه بودن پودر مورد استفاده است. لایه‌های فوق‌العاده نازک 80 میکرومتری را قادر می‌سازد که قطعاتی با چگالی بالاتر و تخلخل کم هنگام چاپ تولید می‌کنند.
مدل سازی رسوب ذوب شده (FDM)
FDM، همچنین به عنوان ساخت رشته فیوز شده (FFF) شناخته می شود، یکی از محبوب ترین فرآیندهای چاپ سه بعدی برای تولید افزودنی قطعات پلاستیکی است FDM . بر اساس رشته مدل سازی گرمانرم است که پلاستیک قابل ذوب است که به شکل سیم روی رول ها ارائه می شود. فیلامنت از طریق یک نازل اکسترودر تغذیه می‌شود، جایی که مواد گرم می‌شوند و سپس به صورت لایه‌ها به مناطق مورد نیاز روی یک سکوی ساختمانی اعمال می‌شوند. هنگامی که تمام قسمت های یک لایه اعمال شد، نازل به سمت بالا حرکت می کند و لایه بعدی روی لایه زیر چاپ می شود.
FDM آزادی طراحی پرینت سه بعدی و زمان های سررسید سریع را با ترموپلاستیک های درجه تولید ترکیب می کند تا قطعات بادوام با خواص مکانیکی عالی ایجاد کند یک فرآیند چاپ سه بعدی است که می تواند برای ایجاد تقریباً هر هندسه با اعوجاج بسیار کم استفاده شود، زیرا هیچ تنش حرارتی به قطعه وارد نمی شود زیرا گرمایش فقط در نقاط خاصی انجام می شود. در اصل، ابعاد ساخت نامحدود است، زیرا اجزا می توانند از بخش های مختلفی تشکیل شده باشند که پس از چاپ به راحتی به یکدیگر متصل می شوند.
پرینت سه بعدی در Materialize
یکی از مزایای عمده این فرآیند این است که خواص مکانیکی موادی که می توان با FDM استفاده کرد در طول زمان ثابت می ماند. در نتیجه، قطعات نه تنها از کیفیت بالایی برخوردار هستند، بلکه مدت زمان استثنایی نیز دوام می آورند.
تف جوشی لیزری انتخابی
تف جوشی لیزری به دلیل دقت بالا، آزادی طراحی و طیف وسیعی از مواد درجه تولید، یک فناوری پرینت سه بعدی محبوب و همه کاره است. مناسب برای تمام مراحل چرخه عمر تولید، از نمونه سازی تا سری های کوچک یا ساخت سفارشی، قطعات زینتر شده با لیزر نیازی به ساختارهای پشتیبانی ندارند و حتی پیچیده ترین هندسه ها را نیز ممکن می سازد.
در تف جوشی لیزری، پودر پلاستیک با استفاده از یک غلتک یا اسکاج بر روی تمام سطح یک پلت فرم توزیع می شود و سپس به صورت انتخابی با ذوب شدن با پرتو لیزر پرقدرت به هم متصل می شود. هنگامی که لیزر لایه اول را به طور کامل پردازش کرد، پلت فرم پایین می آید و لایه جدیدی از پودر اعمال می شود. اکنون لیزر نواحی تعریف شده در این لایه را ذوب می کند. این روش به طور مداوم تکرار می شود و به تدریج جزء ایجاد می شود.
یکی از مزایای SLS این است که هیچ سازه ی پشتیبانی مورد نیاز نیست، زیرا سازه های آویزان در بستر پودری تثبیت می شوند. در نتیجه، هر هندسه سه بعدی را می توان ایجاد کرد. اینها می توانند دارای لایه هایی باشند که در تولیدات مکانیکی یا ریخته گری معمولی قابل تولید نیستند. این فرآیند همچنین می‌تواند برای ایجاد طرح‌های بسیار پیچیده مانند قطعات متحرک، لولاها و زنجیره‌ها در یک قطعه مورد استفاده قرار گیرد، که باعث صرفه‌جویی در مراحل مونتاژ بعدی می‌شود یا راه‌حل‌ها و برنامه‌های طراحی کاملاً جدید را فعال می‌کند.
یکی دیگر از نقاط قوت زینترینگ لیزری این است که می توان چندین جزء مستقل را به طور همزمان در فضای ساخت چاپ کرد. با چیدمان استراتژیک قطعات (تودرتو)، می توان از فضای ساخت موجود در هر ماشین به طور بهینه استفاده کرد که باعث می شود تولید سری های کوچک یا نمونه های اولیه مختلف، برای مثال، نسبتاً سریع و مقرون به صرفه باشد.
استریولیتوگرافی
استریولیتوگرافی یکی از پرکاربردترین فناوری های پرینت سه بعدی است. کیفیت سطح، توانایی تولید جزئیات دقیق و انتخاب گسترده مواد، آن را برای مدل‌ها و نمونه‌های اولیه بصری باکیفیت، قطعات زیبایی‌شناختی پیچیده، و تکنیک‌هایی مانند ریخته‌گری خلاء و ریخته‌گری موم گمشده مناسب می‌سازد.
نسخه اصلی این فناوری مبتنی بر رزین های مایع حساس به اشعه ماوراء بنفش است که روی یک پلت فرم اعمال می شود و سپس به طور انتخابی توسط پرتو لیزر پخت می شود، که انواع مختلفی از آن در طول زمان تکامل یافته است. در طول فرآیند تولید، پلت فرم به تدریج پایین می آید و جزء لایه به لایه رشد می کند. برای جلوگیری از حرکت جسم چاپ شده در حمام رزین، آن را با استفاده از سازه های نگهدارنده به سکوی ساخت ثابت می کنند.
نقاط قوت SLA در ترکیب دقت ابعادی بسیار بالا، کیفیت سطح بالا و زمان تولید نسبتا کوتاه نهفته است. علاوه بر این، به غیر از Polyjet، SLA تنها فناوری ساخت افزودنی است که می تواند برای ایجاد اشیاء شفاف نیز استفاده شود. همچنین می توان از استریولیتوگرافی برای تولید اجزای بزرگ در یک قطعه استفاده کرد.
پلی جت
علاوه بر جزئیات بالا و سطوح صاف، PolyJet توانایی منحصر به فردی را برای چاپ قطعات و مجموعه های دقیق با مواد متعدد، همه در یک ساخت، ارائه می دهد. یک قطعه واحد می‌تواند دارای رنگ‌ها، سطوح شفافیت و خواص فیزیکی و مکانیکی مختلف باشد که PolyJet را برای مدل‌های بصری پیچیده و نمونه‌های اولیه مناسب می‌سازد.
در این فرآیند، رزین‌های فوتوپلیمر در لایه‌های بسیار نازک از طریق هدهای چاپی – مشابه چاپگرهای جوهرافشان – روی یک پلت‌فرم ساختمانی اعمال می‌شوند و بلافاصله پس از استفاده با استفاده از نور UV پخت می‌شوند. برای هندسه‌ها و برآمدگی‌های پیچیده، یک ماده پشتیبانی ژل‌مانند و محلول در آب نیز از طریق سر چاپ اعمال می‌شود. پس از تکمیل یک لایه، پلت فرم با ضخامت یک لایه به سمت پایین حرکت می کند و لایه بعدی به دنبال آن می آید.
چاپگرهای پلی جت دارای چندین هد چاپ هستند که اجازه می دهد مواد مختلف و رنگ های مختلف در طول چاپ با هم ترکیب شوند. در نتیجه نه تنها می توان به رنگ ها و سختی خاصی دست یافت، بلکه می توان قطعه ای با چندین رنگ و خواص مکانیکی متفاوت را نیز در یک فرآیند چاپ تولید کرد.
یکی دیگر از ویژگی های خاص فرآیند پلی جت این است که انتقال نور مواد می تواند متفاوت باشد. حتی شفافیت کامل امکان پذیر است. علاوه بر این، این فناوری چاپ جزئیات بسیار ظریف را امکان پذیر می کند، زیرا لایه ها تنها 32 میکرومتر ضخامت دارند.
پرسش و پاسخ
یورگن لاودوس معاون بخش تولید و بارت ون در شورن CTO، Materialise، در مورد روندهای فعلی در فضای تولید افزودنی بحث می کنند.
یورگن لادوس، معاون رئیس بخش تولید، متریالیز
استفاده از پرینت سه بعدی چگونه تغییر می کند؟
BvS: همانطور که می دانیم اولین موارد استفاده برای پرینت سه بعدی در زمینه نمونه سازی بود. مهمترین تحولی که ما شاهد آن بوده ایم این است که مشتریان اکنون به دنبال استفاده از این فناوری برای ساخت قطعات مورد استفاده نهایی هستند.
اگر به تولید ایمپلنت به عنوان یک نمونه معمولی از یک قطعه مصرف نهایی نگاه کنید، زیرا تولید مواد افزودنی به ابزار خاصی نیاز ندارد، ما می‌توانیم پیشرفت‌های بزرگی در شخصی‌سازی انبوه داشته باشیم. به علاوه، روند رو به رشدی به سمت اندازه های سری کوچکتر نیز وجود دارد که به تولید افزودنی نیز کمک می کند.
JL: بیش از 50٪ از قطعاتی که چاپ می کنیم برای برنامه های کاربردی نهایی هستند. بنابراین، ما تلاش زیادی برای کنترل فرآیند چاپ سه بعدی می کنیم. ما داده‌های زیادی را از چاپگرها و به عنوان مثال از پس پردازش جمع‌آوری می‌کنیم، و گردآوری همه این داده‌ها با هم به صنعت کمک کرده است تا درک بهتری از آنچه در دستگاه اتفاق می‌افتد داشته باشد و ما را قادر می‌سازد تا برنامه‌های کاربردی برای بخش استفاده نهایی را توسعه دهیم .
یک تفاوت کلیدی با نمونه سازی این است که ایمنی باید برای قطعات استفاده نهایی تضمین شود، به ویژه در بخش های بسیار تنظیم شده مانند هوافضا و پزشکی . به علاوه شما باید اطمینان حاصل کنید که ویژگی های مواد و قطعه مطابق هستند. یکسان، روز به روز و سال به سال. شما به تولید قابل تکرار نیاز دارید و داده ها کلید تکامل فناوری فراتر از نمونه سازی صرف بوده است.
BvS: پرینت سه بعدی ذاتاً همیشه یک فناوری دیجیتال بوده است، اما برای سال‌ها جدا شده است. این چیزی است که به سرعت در حال تغییر است. این مرحله پس از پردازش در حال تبدیل شدن به یک تحول دیجیتال است و با روندهای کلی صنعت 4.0 که در آن فناوری‌های تولید مرسوم دیجیتالی‌تر می‌شوند، مطابقت دارد. آنچه که امروزه بدان معناست این است که تولید مواد افزودنی دیگر یک فناوری سیلد نیست، بلکه یکی از مراحل یک زنجیره تولید بزرگتر است. و این چیزی است که توسط فناوری های دیجیتال فعال می شود.
پرینت سه بعدی چه مزایایی می تواند برای کمک به سازندگان در جهت یابی چالش های اخیر داشته باشد؟
BvS: در چند سال گذشته چالش‌هایی وجود داشته است که تولیدکنندگان را وادار کرده است که چگونه تولید را انعطاف‌پذیرتر کنند، و قطعاً تولید مواد افزودنی نقش مهمی دارد. این چیزی است که تولیدکنندگان از بحران کووید یاد گرفته‌اند، به عنوان مثال، جایی که زنجیره‌های تامین ناگهان شکسته شد.
در اینجا، ساخت افزودنی نشان داد که قطعات و اجزاء را می‌توان بر حسب تقاضا، در جایی که مورد نیاز است، ساخت. این نوع تغییر در بازار، که در طول COVID آغاز شد، توسط تولید کنندگان برای کاهش بیشتر در برابر عدم قطعیت زنجیره تامین انتخاب شده است. حرکت به سمت تولید افزودنی می‌تواند انعطاف‌پذیری را افزایش دهد، زیرا به شرکت‌ها کمک می‌کند تا سطحی از ظرفیت تولید نزدیک به جایی که به قطعات نیاز دارند داشته باشند.
این تولید محلی اجازه می دهد تا به توسعه محصول به گونه ای کاملا متفاوت نگاه شود. قطعات را می‌توان فوراً تولید و بهینه کرد و تولیدکنندگان حتی می‌توانند به توسعه چابک بروند و مشتریان را درگیر توسعه محصولاتی کنند که مطابق با نیاز عمل می‌کنند. این بدان معناست که تولیدکنندگان می‌توانند سریع‌تر و با هزینه کمتر وارد بازار شوند، در حالی که در صورت بروز اختلالات بیشتر در زنجیره تامین، دارایی دیجیتالی محصول را نیز در اختیار دارند.
این تولید محلی اجازه می دهد تا به توسعه محصول به گونه ای کاملا متفاوت نگاه شود. قطعات را می‌توان فوراً تولید و بهینه کرد و تولیدکنندگان حتی می‌توانند به توسعه چابک بروند و مشتریان را درگیر توسعه محصولاتی کنند که مطابق با نیاز عمل می‌کنند. این بدان معناست که تولیدکنندگان می‌توانند سریع‌تر و با هزینه کمتر وارد بازار شوند، در حالی که در صورت بروز اختلالات بیشتر در زنجیره تامین، دارایی دیجیتالی محصول را نیز در اختیار دارند.
JL: در چند سال گذشته شاهد افزایش چشمگیر تولیدکنندگانی بوده‌ایم که می‌خواهند با ما صحبت کنند، به دلیل مشکلاتی که در زنجیره تامین خود تجربه می‌کنند. بسیاری از آنها موجودی عظیمی از سهام دارند فقط در صورت بروز اختلال بیشتر. ما می توانیم به لطف موجودی دیجیتالی تعداد اقلام موجودی را تا حد زیادی کاهش دهیم که در آن، اگر سازنده به قطعه ای نیاز داشته باشد، می تواند به سادگی یکی را چاپ کند.
تولیدکنندگان متوجه شده اند که زنجیره تامین نباید بدیهی تلقی شود. همه قطعاتی که در آن سوی دنیا تولید می‌شوند، نمی‌توانند ظرف چند روز یا چند هفته در اینجا باشند. این موضوع علاقه زیادی به چاپ سه بعدی ایجاد کرده است و تعداد فزاینده ای از تولید کنندگان اکنون می خواهند ببینند این فناوری چه چیزی را ارائه می دهد.
بارت ون در شورن، CTO، Materialize
پرینت سه بعدی چه مزایایی برای تولید دارد؟
JL: اولاً، شما نیازی به ساخت قالب ندارید، که هزینه های راه اندازی که معمولاً با روش های تولید سنتی مرتبط است را حذف می کند. ثانیا، آزادی بیشتری وجود دارد، که طراحی قطعات را قادر می سازد تا بدون هزینه اضافی بسیار پیچیده تر شود. و ثالثاً، قطعات را می توان بیشتر به صورت محلی تولید کرد و اختلال زنجیره تامین را به حداقل رساند.
تولیدکنندگان بیشتر و بیشتری از این مزایا آگاه می شوند. با این حال، در حالی که برخی از تولیدکنندگان ایده‌ای دارند که می‌دانند به کجا برسند، برخی دیگر با دانستن اینکه از کجا شروع کنند مشکل دارند.
همانطور که بحث شد، چشم انداز وسیعی از فناوری و مواد در دسترس است، بنابراین تولیدکنندگان باید در ابتدا به چه چیزی نگاه کنند؟ و چگونه اطمینان حاصل می کنند که پرینت سه بعدی همان نتیجه (یا بهتر) را برای آنها فراهم می کند که از روش های تولید سنتی دریافت کردند؟
به همین دلیل است که ما معتقدیم ارائه Mindware ما بسیار مهم است. به سازندگان نشان می دهد که چگونه از فناوری به بهترین شکل استفاده کنند. برنامه ها و قطعات مناسب برای شروع کدامند که کمترین ریسک را در بر می گیرند. ما به مشتریان خود در سفر کمک می کنیم.
BvS: تکامل فناوری استفاده از پرینترهای سه بعدی را بسیار آسان‌تر کرده است، و مواد بیشتری در دسترس هستند تا تولیدکنندگان انتخاب بیشتری داشته باشند. علاوه بر این، فرآیند دیجیتال در حال توسعه است و این مهم است زیرا تولید افزودنی هنوز یک فناوری است که در مراحل ابتدایی است.
هنوز ناشناخته‌های زیادی وجود دارد، اما با دیجیتالی کردن کل فرآیند، جمع‌آوری داده‌ها روی دستگاه و در دسترس قرار دادن آن، به کاربران نهایی کمک می‌کند تا بهتر درک کنند که فرآیند چگونه کار می‌کند و چه کاری باید انجام دهید تا فرآیند تولید خود را پایدار نگه دارید. این گام مهمی به سوی تولید با حجم متوسط برای تولید افزودنی است.
مزایای زیست محیطی نیز وجود دارد. تولید افزودنی به خودی خود لزوماً سازگار با محیط زیست نیست، زیرا برای ساخت مواد اولیه و ساخت قطعات واقعی به انرژی زیادی نیاز است.
با این حال، همانطور که بحث شد، تولید قطعات در جایی که به آنها نیاز دارید یکی از ویژگی های تولید افزودنی است، اما این یک مزیت زیست محیطی نیز دارد. اکثر مردم نمی دانند که چه تعداد قطعات یدکی تولید می شود. اینها انبارها را پر می کنند و اغلب هرگز استفاده نمی شوند. چاپ سه بعدی می تواند به معنای تولید بر اساس تقاضا باشد. تولیدکنندگان مجبور نیستند وارد تولید بیش از حد و تولید قطعات یدکی شوند و بنابراین ریسک موجودی کاهش می یابد.
علاوه بر این، تولید مواد افزودنی می تواند باعث کاهش وزن شود. این برای هر چیزی که دارای قطعات متحرک است مهم است، زیرا حرکت به انرژی نیاز دارد. بنابراین، هرچه قطعات سبک تر باشند، انرژی کمتری مورد نیاز است و آن محصول برای محیط زیست بهتر است.
نقش پرینت سه بعدی در آینده تولید چیست؟
BvS: من متقاعد شده ام که تولید مواد افزودنی به بخشی جدایی ناپذیر از زنجیره تولید تبدیل خواهد شد. آزادی تولید مجاز توسط تولید افزودنی، ترکیب عملکردهای بیشتری را در یک جزء واحد امکان پذیر می کند. این بدان معناست که می‌توانید در هزینه‌های مونتاژ صرفه‌جویی کنید و قطعات پیچیده‌ای ایجاد کنید که با فناوری‌های معمولی تولید نمی‌شوند. تولید افزودنی واقعاً در حال رشد به یک فن‌آوری تولید است.
