وضعیت فعلی و دورنمای فناوری های چاپ سه بعدی (3D) پودر پلیمر
فناوری چاپ سه بعدی که ساخت قطعات پیچیده را با فرایند دو بعدی لایه به لایه تسهیل می کند، در سال های اخیر رشد قابل ملاحظه ای داشته است. چاپ سه بعدی پودر پلیمری بعنوان یکی از پیشرفته ترین فناوری ها از مزایای بسیاری مانند مصرف زیاد مواد، نداشتن ساختار ساپورت، طراحی آزاد و دسترسی به مواد برخوردار هستند که کاربردهای آن در صنایع مختلف را تضمین می کند. با راه اندازی سیستم چند جت فیوژن (MjF) از HP، چاپ سه بعدی پودر پلیمری در بسیاری از صنایع و حوزه های تحقیقاتی مورد توجه قرار گرفته است. این مقاله به بررسی جامع از روش های چاپ سه بعدی بر پایه پودر پلیمر من جمله بایندر جت، زینترینگ لیزری انتخابی و زینترینگ سرعت بالا پرداخته است. همچنین مکانیسم شکل گیری، مزایا و معایب، مواد و پیشرفت ها نیز مورد بررسی قرار گرفته اند. علاوه براین، پیشنهادی در مورد انتخاب فرایند با مقایسۀ پارامترهای تجهیزات معمولی و خواص هر فناوری ارائه می دهد.
چاپ سه بعدی که بعنوان "تولید مواد افزودنی" (AM) نیز شناخته می شود، یک فناوری نوظهور است که در سال های اخیر بسیار مورد توجه دانشگاهیان و صنایع قرار گرفته است. یک فرایند تولید جدید است که با اتصال لایه به لایۀ مواد برای تولید مستقیم قطعات سه بعدی بعد از فایل های دیجیتال انجام می شود. AM بعنوان یکی از فناوری های کلیدی در تبدیل روش ساخت سنتی به هوشمند است که هدف آن بهره گیری از اطلاعات پیشرفته و فناوری های ساخت در تولید محصولات است. همچنین قادر به تولید قطعات از مقیاس میکرو تا ماکرو است و دقت و صحت این قطعات هم به تکنیک های خاص و پارامترهای چاپ بستگی دارد. از مزایای اصلی این تکنیک چاپ می توان به طراحی آزاد، صرفه جویی در مصرف مواد و قابلیت ساخت هندسه پیچیده با دقت بالا اشاره کرد. بنابراین، AM دورنمای کاربردی امیدوارکننده ای در حوزه های پروتایپینگ، هوافضا، ساخت ماشین آلات و تولیدات هنری دارد. انجام تحقیقات گسترده زمینه را برای گسترش تکنیک چاپ سه بعدی فراهم کرده است. برای مثال در صنعت ساخت و ساز، گروهی از خانه ها در چین با موفقیت در یک روز به چاپ انبوه رسیدند. این فناوری با تولید انواع ایمپلنت ها و داربست های پزشکی، یک راه حل مناسب در رفع نواقص بافتی در زمینه زیست پزشکی محسوب می شود. مطابق با استاندارد ASTM، فرایندهای AM به هفت دسته طبقه بندی می شود: اکستروژن مواد، زینترینگ بستر پودر، پلیمریزاسیون عکس VAT، بایندر جت، لامیناسیون ورق، رسوب انرژی مستقیم و جت مواد. با توجه به اشکال مختلف مواد اولیه، فناوری چاپ سه بعدی را می توان به جامد، مایع و پودر تقسیم کرد. در اشکال جامد، مواد کابل پلاستیکی یا لایه های کاغذی با پوشش چسب و ورق های پلاستیکی یا فلزی را می توان به ترتیب برای ساخت قطعات سه بعدی FDM و LOM پردازش کرد. رزین حساس به نور یک مادۀ خام رایج در فناوری مبتنی بر مایعات است. با توجه به شکل زیر، مواد پودری (با پایه پودر) به سه نوع تقسیم می شوند: پودر فلز، سرامیک و پلیمر.
شکل 1:
مواد پودری از مزایای زیادی من جمله کاربرد وسیع، مواد اولیه مختلف و فرایند ساخت آسان برخوردار هستند. با این حال، پودر اضافی در انتهای چرخۀ تولید حذف شده و می تواند در فرایند چاپ بعدی مجددآ استفاده شود. در مواد پودر پلیمری نیز پودرها می توانند بعنوان پشتیبانی برای قطعات عمل کرده و دست تولیدکننده را در طراحی آزاد بگذارد که چالش بزرگی در سایر فناوری های چاپ سه بعدی محسوب می شود. پلیمرها رایج ترین مواد در فناوری چاپ سه بعدی هستند و کاربردهای مختلفی در حوزه های مختلف دارند. چاپ سه بعدی پلیمری نقش مهمی در سیستم های چندمنظوره و چند ماده ای همچون سیستم های بیولوژیکی زنده و همچنین سیستم های مصنوعی، به ویژه برخی از پلیمرهای زیست تخریب پذیر مانند پلی لاکتید (PLA) و پلی گلوتامیک (PGA) برعهده دارد. بسیاری از پلیمرها من جمله رزین مایع، پودر پلیمر، الیاف پلیمری و فیلامنت های پلیمری در AM کاربرد دارند. در شکل زیر رابطه بین پلیمرها و فناوری ها ارائه شده است.
شکل 2:
از دهه 1980، فناوری چاپ سه بعدی بر پایه پودر پلیمر به دلیل مزایای دوگانۀ خواص پودر و کاربرد پلیمر، رونق یافته است. با این حال، محدودیت های زیادی هم در استفاده از این فناوری وجود دارد.
مواد چاپی و صحافی هنوز هم یک حوزه تحقیقاتی گسترده محسوب می شوند. هد پرینت بعنوان مرکز سخت افزاری در ساختارهای مکانیکی بایستی به منظور تأمین نیاز بایندرهای مختلف بیشتر توسعه یابد. زینترینگ لیزری انتخابی که قابل اطمینان ترین فناوری چاپ سه بعدی است، به دلیل عملکرد مکانیکی بالا و زنجیرۀ پردازش بالغ کاربرد گسترده ای در صنایع تولیدی دارد. با این حال، پلیمرهای موجود محدود هستند و خواص حاصل شده نیز بر همین اساس محدود می شوند. افزودنی ها و تقویت کننده های مختلف به مواد پایه اضافه می شوند تا خواص قطعات زینتر شده با لیزر را افزایش دهند. روش چاپ بعنوان بخش اصلی SLS در حوزه های تجاری و تحقیقاتی مورد توجه قرار گرفته است؛ به طوری که بررسی رابطه بین پارامترهای چاپ و کیفیت محصول نهایی نیز در نظر گرفته می شود. این نوع کاربرد در زمینه الکترونیک و بیولوژیک اخیرآ بسیار رشد کرده است. زینترینگ با سرعت بالا بعنوان یک قناوری چاپ سه بعدی مدرن، پتانسیل بالایی در صنایع AM دارد و پژوهش های بیشتری در رابطه با مکانیسم کل دهی، شبیه سازی چاپ و توسعه مواد می طلبد. همچنین زمینه را برای تولید مواد افزودنی امیدوارکننده در علوم مهندسی و کاربرد مواد فراهم می کند. فناوری های چاپ سه بعدی مبتنی بر پودر پلیمر از زمان آغاز به کار به سرعت در حال توسعه بوده است. اگرچه بزرگترین مزیت این پودر بازیافت پذیری آن است، ممکن است کیفیت و خواص آنها در فرایند بازیافت از بین برود. برای مقابله با این چالش، بایستی انتظارات و رویکردهایی را در نظر بگیریم. اول، پلیمرها و کامپوزیت های جدید به توسعه بیشتری نیاز دارند؛ به ویژه پلیمرهای صنعتی در حوزه های تولیدی و پلیمرهای زیست تخریب پذیر در حوزه پزشکی. با این حال، بایستی توسعه استانداردهای تعریف شدۀ جهانی مواد را در اولویت قرار داد. دوم، ظهور AM بر پایه پودر پلیمری نحوه ساخت و کیفیت پودرهای پلیمری خام را تحت تأثیرقرار داده و روش های راحت تر و اقتصادی تری را ارائه می دهد. سوم، روش های پس از پردازش را می توان به منظور بهبود رقابت و کاهش هزینه ها، حذف کرده یا کاهش داد؛ به ویژه برخی عملیات دستی فشرده که در AM خطرناک است.
