پرینتر سه‌بعدی SLS | آشنایی با پرینت سه‌بعدی با تکنولوژی Selective Laser Sintering

پرینتر سه‌بعدی SLS – پلیمری

پرینتر سه‌بعدی SLS یکی از زیرتکنولوژی‌های پرینت سه‌بعدی است که توانایی استفاده از بازه‌ی وسیعی از مواد را به‌عنوان ماده‌ی اولیه دارد. از انواع پلیمرها تا فلز و سرامیک می‌توانند در پرینتر سه‌بعدی SLS پرینت سه‌بعدی شوند. هرچند که مکانیزم کلی پرینتر سه‌بعدی SLS پلیمری و فلزی مشابه است، ولی برای دقیق‌تر بودن بحث، در این نوشته تنها به پرینتر سه‌بعدی SLS پلیمری پرداخته می‌شود و به پرینتر سه‌بعدی SLS فلز در نوشته‌ای دیگر خواهیم پرداخت.

مواد مورد استفاده در پرینتر سه‌بعدی SLS، ترموپلاستیک‌ها هستند که به فرم گرانول(پودری-شکل) مورد استفاده قرار می‌گیرند.

از قطعات ساخته‌شده به کمک پرینتر سه‌بعدی SLS هم می‌توان برای پروتوتایپینگ و هم قطعات مورد نظر برای کاربرد مستقیم استفاده کرد. در مقایسه با پرینتر سه‌بعدی FDM و پرینتر سه‌بعدی SLA، پرینتر سه‌بعدی SLS می‌تواند قطعاتی با هندسه‌های بسیار پیچیده، دقت و خواص مکانیکی بالا را تولید کند.

در ویدئوی زیر می‌توانید پروسه‌ی پرینت سه‌بعدی را در یک پرینتر سه‌بعدی SLS مشاهده کنید. مشاهده این ویديو به شما کمک می‌کند تا یک دید اولیه از سازو‌کار پرینتر سه‌بعدی SLS پیدا کنید.

مکانیزم پرینتر سه‌بعدی SLS به گونه‌ای است که در فرآیند پرینت سه‌بعدی نیاز به استفاده از ساپورت ندارد. همین ویژگی باعث می‌شود که اینگونه از پرینترهای سه‌بعدی در تولید هندسه‌های بسیار پیچیده(هم در هندسه‌ی درونی قطعه و هم هندسه‌ی بیرونی آن) توانمند باشند. شما با مطالعه‌ی این نوشته با مکانیزم کلی پرینتر سه‌بعدی SLS، مواد پایه-پلیمری مورد استفاده در آن، قوت‌ها و محدودیت‌های این تکنولوژی آشنا خواهید شد.

پارامترهای پرینتر سه‌بعدی SLS

پیش از این که به ادامه‌ی بحث در مورد پارامترهای موثر در پرینتر سه‌بعدی SLS بپردازیم، ویدئویی از شماتیک کار این زیرتکنولوژی پرینترهای سه‌بعدی می‌بینیم تا به یک جمع‌بندی اولیه دست پیدا کنیم.

در پرینتر سه‌بعدی SLS تقریباً همه‌ی پارامترهای ساخت به صورت پیش فرض توسط سازنده‌ی دستگاه تنظیم شده است. به‌طور معمول ارتفاع لایه‌های SLS، 100 تا 120 میکرومتر تنظیم می‌شود.

ویژگی کلیدی پرینتر سه‌بعدی SLS این است که در فرآیند ساخت نیاز به استفاده از ساختار ساپورت ندارد. ذراتی از پودر ماده که در ساختار قطعه‌ی مطلوب به‌طور مستقیم شرکت ندارند، در فرآیند ساخت، نقش ساپورت را ایفا می‌کنند. به همین دلیل پرینتر SLS توانایی ساخت هندسه‌هایی را دارد که حتی دیگر روش‌های پرینت سه‌بعدی هم توانایی ساخت آن حد از پیچیدگی را ندارند.

یکی از نکات مهم در استفاده از پرینتر SLS این است که از همه‌ی فضای ساخت استفاده شود. رعایت این نکته در حالتی که بخواهیم تعداد کمی از قطعات را تولید کنیم مهم‌تر است. اجازه دهید این نکته را به صورت دیگری بیان کنیم. تصور کنید که قرار باشد در حالت “آ” هیچ یک از ذره‌های پودر با استفاده از لیزر گداخته نشوند و تنها پره‌ی لایه‌گذار، لایه‌های پودر را به‌طور مرتب بر روی فضای ساخت قرار دهد تا ارتفاع لایه‌ها به h برسد. در حالتی دیگر(حالت “ب”) قرار است چند قطعه را در همین فضای ساخت، پرینت سه‌بعدی کنیم و لیزر هم ذرات مورد نظر را بگدازد. تصور کنید ارتفاع بزرگترین قطعه h است. نتیجه این است که زمان مورد نیاز برای اتمام فرآیند پرینت سه‌بعدی در حالت “آ” و “ب” تقریباً برابر خواهد بود.

علت این است که در مقایسه با فرآیند لایه‌گذاری توسط پره‌ی لایه‌گذار، فرآیند گداخت توسط لیزر زمان اندکی را صرف می‌کند و در نهایت اغلب زمان مورد نیاز برای پرینت سه‌بعدی صرف لایه‌گذاری پودر می‌شود.

زمان ساخت در پرینتر سه‌بعدی SLS به تعداد قطعات وابسته نیست و تنها تابع تعداد لایه‌های پودر تغذیه شده در فضای ساخت است.

چسبندگی لایه‌ها

در یک کلام، در پرینتر سه‌بعدی SLS چسبندگی لایه‌ها عالی است. به این معناست که قطعات ساخته‌شده در پرینتر سه‌بعدی SLS تقریباً ایزوتروپیک هستند.

ویژگی‌های مکانیکی قطعات ساخته‌شده در پرینتر سه‌بعدی SLS(جنس پودر پلی‌آمید استاندارد یاPA 12 و یا Nylon 12) در جدول زیر آمده است(پودر پلی‌آمید استاندارد متداول‌ترین ماده‌ی اولیه‌ی مورداستفاده در پرینتر سه‌بعدی SLS است). همچنین خواص مکانیکی PA 12 با Bulk Nylon مقایسه شده است:

قطعات ساخته‌شده با پرینتر سه‌بعدی SLS تحمل بار کششی را تا حد خوبی دارند. ولی در زمان کشش فقط به میزان اندکی کش می‌آیند و رفتار ترد دارند. این تردی به ساختار متخلخل قطعات ساخته‌شده با پرینتر سه‌بعدی SLS وابسته است.

قطعات ساخته‌شده با پرینتر SLS حدود 30 درصد دارای تخلخل هستند.

همین تخلخل موجب می‌شود تا قطعات ساخته‌ شده با پرینتر سه‌بعدی SLS سطحی دانه‌دانه داشته باشند. از طرفی همین ویژگی موجب می‌شود تا این قطعات توانایی جذب آب را هم داشته باشند. این قطعات می‌توانند با استفاده از “حمام داغ انواع رنگ‌ها” به‌خوبی رنگ‌آمیزی شوند. همچنین باید در نظر داشت که اگر قصد دارید از قطعات ساخته‌شده با پرینتر SLS در محیط‌های مرطوب استفاده کنید، باید یک فرآیند پرداخت خاص پس از پایان پرینت سه‌بعدی بر روی آن‌ها صورت بدهید.

انقباض و تاب‌خوردگی

قطعات ساخته‌ شده با پرینتر سه‌بعدی SLS مستعد انقباض و تاب‌خوردگی هستند. زمانی که لایه‌های جدید گداخته شده سرد می‌شوند، ابعاد آن‌ها کاهش می‌یابد و در اثر این رویداد تنش درونی در قطعه ایجاد می‌شود. این تنش درونی، لایه‌های زیرین را به سمت بالا می‌کشد و تاب‌خوردگی شکل می‌گیرد.

به‌طور معمول در فرآیند ساخت با پرینتر اس‌ال‌اس ۳ تا ۳.۵ درصد انقباض صورت می‌گیرد که اپراتور دستگاه در مرحله پیش از پرینت سه‌بعدی این درصد را مد نظر قرار می‌دهد و برای جبران این انقباض اندازه‎ی طرح را کمی بزرگتر لحاظ می‌کند.

سطوح بزرگ صاف تمایل زیادی برای تاب‌برداشتن دارند. این مشکل می‌تواند با عمود قرار دادن قطعه بر روی صفحه‌ی ساخت جبران شود. ولی بهترین تدبیر برای حل این مشکل کاهش قطر و در نتیجه حجم قسمت‌های صاف است. این کار را می‌توان با ایجاد شکاف‌هایی در فرایند طراحی نیز انجام داد. این تدبیر باعث کاهش حجم قطعه، مواد مصرفی و هزینه‌ی انجام شده برای پرینت سه‌بعدی با SLS نیز می‌شود.

پدیده‌ی Oversintering در پرینتر سه‌بعدی SLS

این پدیده زمانی اتفاق می‌افتد که انتقال گرمای تابشی موجب ذوب شدن ذرات گداخته نشده(که قرار نیست جزئی از قطعه‌ی نهایی باشند) می‌شود. این پدیده دقت ساخت را خصوصاً در قسمت‌های ظریف قطعه، همچون حفره‌ها، کاهش می‌دهد.

پدیده ی Oversintering در پرینتر سه‌بعدی SLS به دو پارامتر وابسته است: اندازه‌ی قسمتی از قطعه که دچار این پدیده می‌شود و ضخامت دیواره‌ی آن ناحیه از قطعه. به‌عنوان نمونه، یک شکاف با پهنای 0.5 میلی‌متر و یا یک حفره با قطر 1 میلی‌متر اگر با ضخامت 2 میلی‌متر پرینت SLS شوند، با کیفیت خوبی ساخته می‌شوند. ولی اگر همین دو با قطر 4 میلی‌متر و یا بیشتر پرینت شوند به کلی ناپدید خواهند شد. به‌عنوان یک قاعده‌ی کلی، شکاف‌هایی با پهنای بیشتر از 0.8 میلی‌متر و حفره‌هایی با قطر بیش از 2 میلی‌متر می‌توانند بدون نگرانی از ایجاد پدیده‌ی Oversintering ساخته شوند.

پاک‌سازی قطعه نهایی از ذرات اضافه‌ی پودر

ازآنجایی ‌که فرآیند ساخت در پرینتر سه‌بعدی SLS نیاز به استفاده از ساپورت ندارد، حفره‌ها می‌توانند به‌خوبی و با دقت بالا پرینت سه‌بعدی شوند.

حفره‌ها می‌توانند وزن و قیمت تمام‌شده‌ی قطعه‌ی پرینت سه‌بعدی شده را کاهش دهند. ولی اگر حفره‌های درونی قطعات به‌طور کامل ایزوله و راهی به بیرون نداشته باشند، پودرهایی که به‌طور مستقیم در ساخت قطعه شرکت نمی‌کنند و باید بعد از اتمام پرینت از قطعه جدا شوند، درون قطعه باقی می‌مانند.

به همین دلیل در فرآیند طراحی برای پرینتر سه‌بعدی SLS باید اجزایی را تحت عنوان حفره‌های فرار در نظر داشت. این حفره‌ها به پودرهای اضافه‌ای که پس از اتمام فرآیند پرینت سه‌بعدی در قطعه باقی می‌مانند اجازه می‌دهند تا از قطعه خارج شوند.

جالب است بدانید یکی از ساختارهای درونی که در طراحی برای ساخت با پرینتر سه‌بعدی SLS می‌تواند استفاده شود، ساختار لانه‌زنبوری است. این ساختار علاوه بر اینکه می‌تواند در بسیاری از موارد پاسخگوی ارضای خواص مکانیکی قطعه باشد، کمک می‌کند تا وزن، ماده‌ی مصرفی و هزینه‌ی ساخت قطعه کاهش یابد. همچنین استفاده از این ساختار به کاهش تاب‌خوردگی قطعه هم کمک می‌کند.

پاکسازی پرینتر سه‌بعدی SLS از پودر اضافه

مواد مورداستفاده در پرینتر سه‌بعدی SLS پلیمری

معمول‌ترین ماده‌ی مورداستفاده در پرینتر SLS پلی‌آمید 12(PA 12) است که با نام “نایلون 12” هم شناخته می‌شود. قیمت هر کیلوگرم از این ماده در حدود 50-60 دلار است. ترموپلاستیک‌های دیگری همچون PA 11 و PEEK نیز به‌عنوان مواد اولیه در پرینتر سه‌بعدی SLS استفاده می‌شوند، ولی استفاده از آن‌ها همانند PA 12 متداول نیست.

پودر پلی‌آمید می‌تواند با موادی بسیاری(مانند فیبر کربن، فیبر شیشه و یا آلومینیم) ترکیب شود و خواص مکانیکی و حرارتی قطعه‌ی نهایی ساخته‌شده با پرینتر سه‌بعدی SLS را افزایش دهد. ناگفته نماند که در صورت ترکیب پلی‌آمید با مواد دیگر، قطعات حاصل از این ترکیب‌ها همیشه تردتر از قطعه‌ی ساخته‌شده با پلی‌آمید خالص هستند و رفتاری کاملاً غیرایزوتروپیک دارند.

پرداخت پس از پایان فرآیند پرینت سه‌بعدی SLS

قطعات ساخته‌شده در پرینتر سه‌بعدی SLS دارای سطوحی دانه‌دانه هستند که به‌خوبی قابلیت رنگ‌آمیزی را دارند. همچنین قطعات ساخته‌شده با پرینتر SLS توانایی پولیش‌کاری و پرداخت با بسیاری از روش‌های استاندارد را دارند. همچنین می‌توان کارایی این قطعات را با پوشاندن با لایه‌ای از مواد ضد آب و یا آب‌کاری افزایش داد.

قوت‌ها و محدودیت‌های پرینتر سه‌بعدی SLS

قوت‌ها و محدودیت‌های کلیدی پرینتر سه‌بعدی SLS در زیر به‌طور خلاصه آمده است:

+ قطعات ساخته‌شده با پرینتر SLS دارای خواص خوب مکانیکی هستند. همچنین این قطعات تا حد زیادی ایزوتروپیک هستند.

+ در ساخت با استفاده از پرینتر SLS نیازی به استفاده از ساپورت نیست. به همین دلیل هندسه‌های پیچیده به‌راحتی می‌توانند پرینت سه‌بعدی SLS شوند.

+ ظرفیت‌های پرینتر SLS در تولید، آن را برای تولیدات کم و متوسط مناسب می‌کند.

_ قطعات ساخته‌شده در پرینتر SLS دارای سطوحی دانه‌دانه و ساختار درونی متخلخل هستند. به همین دلیل برای رسیدن به کیفیت سطح خوب و همچنین عدم جذب آب نیاز به استفاده از پردازش‌هایی پس از اتمام پرینت سه‌بعدی است.

_ سطوح صاف بزرگ و حفره‌های کوچک در پرینتر SLS نمی‌توانند با دقت ساخته شوند. به این دلیل که این ساختارها در طی فرآیند پرینت سه‌بعدی SLS به ترتیب دچار تاب‌خوردگی و Oversintering می‌شوند.

خصیصه‌های اصلی پرینتر سه‌بعدی SLS در جدول زیر به‌طور خلاصه آمده است:

آیا نیاز به خرید پرینتر سه‌بعدی SLS دارم؟

پرینتر سه‌بعدی SLS که معروف‌ترین عضو پرینترهای سه‌بعدی بستر-پودری است، از پودر موادی چون پلاستیک، فلز و سرامیک به عنوان ماده‌ی اولیه‌ی فرآیند ساخت استفاده می‌کند. در پرینتر سه‌بعدی SLS اشعه‌ی لیزر به طور انتخابی به دانه‌های مواد می‌تابد. این دانه‌ها به حالت نیمه‌مذاب در می‌آیند و به دانه‌های پیرامون خود جوش می‌خورند.

یکی از بازرترین ویژگی‌های پرینتر سه‌بعدی SLS، عدم استفاده از ساپورت است. پس با خرید پرینتر سه‌بعدی SLS می‌توان حتی به ساختارهای پیچیده‌تری نسبت‌های پرینترهای FDM و SLA دست یافت.