مروری جامع بر انواع پرینترهای سه بعدی | بررسی نقاط ضعف و قوت آن‌ها

اگر تازه‌وارد دنیای پرینت و پرینترهای سه بعدی هستید، به احتمال زیاد با چالش‌های زیادی رو به رو خواهید شد. یکی از این چالش‌ها، تمایز بین فرآیندها و مواد مختلف مورد استفاده در این فناوری است. به عنوان مثال تفاوت بین انواع روش‌های چاپ سه بعدی مانند FDM و SLS چیست؟ یا SLS و Binder jetting؟ یا EBM و DMLS؟ انواع پرینترهای سه بعدی به لحاظ تکنولوژی مورد استفاده در هفت دسته طبقه‌بندی شده‌اند. که هر کدام انواع مختلفی از فناوری‌های چاپ سه بعدی را شامل می‌شوند.

»»» راهنمای قیمت و خرید انواع پرینترهای سه بعدی

انواع روش‌های پرینت سه بعدی | معرفی فناوری‌ها و زیرتکنولوژی‌ها

روش‌های مختلفی برای ساخت سازه و اشیا بر مبنای پرینت سه بعدی وجود دارد. تعدادی از این روش‌ها امروزه همچنان رواج دارند، اما تعداد کمی از نظر دورافتاده‌اند. این راهنما بر روی فناوری‌های موجود چاپ سه بعدی یا به عبارت ساده‌تر، انواع چاپگرهای سه بعدی تمرکز دارد. انتخاب چاپگر سه بعدی مناسب شما، مستلزم درک نقاط قوت و ضعف هر کدام می‌باشد. بیایید برخی از رایج‌ترین فناوری‌ها را بررسی کنیم تا با کنار هم قرار دادن و مقایسه‌ی انواع پرینترهای سه بعدی، به اینکه چه زمانی هر کدام بیشترین ارزش را برای توسعه‌دهندگان، مهندسان و طراحان دارند، پی ببریم.

در اینفوگرافیک زیر می‌توان با انواع پرینترهای سه بعدی آشنا شد.

مقایسه‌ی انواع پرینترهای سه بعدی | بررسی نقاط ضعف و قوت 

اکستروژن ماده | Material Extrusion

دسته اول از انواع چاپگرهای سه بعدی را می‌توان اکستروژن ماده نامید. اکستروژن مواد، یکی از انواع روش‌های پرینت سه بعدی است که در آن مواد از طریق یک نازل اکسترود می‌شوند.

معروف‌ترین پرینترهای سه بعدی اکستروژن ماده: مربوط به زیرتکنولوژی‌های FDM و FFF می‌باشد.

مواد مورد استفاده در این چاپگر: PLA, ABS, PET, PETG, TPU, Nylon, ASA, PC, HIPS, Carbon Fiber و مواد دیگر

نقاط قوت این فناوری: کم‌هزینه‌ترین روش پرینت سه بعدی، کاربرد طیف گسترده‌ای از مواد

نقاط ضعف این فناوری: چاپ سطوح نسبتا ناهموار و عدم استحکام قطعات تولیدی 

FDM در حال حاضر محبوب‌ترین فناوری پرینت سه بعدی است که در پرینترهای سه بعدی مقرون به‌صرفه استفاده می‌شود. FDM نه‌تنها در ساخت نمونه‌های اولیه بلکه برای تولید محصولات نهایی مانند لگو، چرخ‌دنده‌های پلاستیکی و … مناسب است. چیزی که در مورد این فناوری عالی به نظر می‌رسد، این است که تمام اجزای چاپ شده با FDM کارایی بالا و خاصیت ترموپلاستیکی در حد مهندسی دارند که از این نظر برای مهندسان مکانیک و تولید‌کنندگان بسیار مفید است. اقلام چاپ شده تحت این فناوری دارای ویژگی‌های مکانیکی، حرارتی و شیمیایی عالی هستند. یک پرینتر سه بعدی FDM برای ساخت لایه به لایه یک قطعه، از ترموپلاستیک‌ها به‌عنوان مواد اولیه استفاده می‌کند. این ترموپلاستیک‌ها به‌صورت رشته‌هایی هستند که فیلامنت نام دارند و به‌طور معمول در قطرهای 1.5 میلی‌متر و 3 میلی‌متر در بازار موجود هستند. پرینتر سه بعدی FDM در حقیقت یک اکسترودر هوشمند پلاستیک است که دستور ساخت را از مدل کامپیوتری واردشده به آن می‌گیرد. FDM یک روش سریع برای تولید مدل‌های فیزیکی و آزمایش عملکردی محصول است.

سایر شرکت‌های چاپ سه بعدی فناوری مشابه اما با نام‌‌های متفاوت ابداع کرده‌اند. FFF (ساخت فیلامنت فیوژن) فناوری تقریبا یکسانی (با FDM) دارد که توسط یک سازنده معروف بنام MakerBot بنا نهاده شده است.

شماتیکی از پرینترهای سه بعدی با زیرتکنولوژی اکستروژن ماده

فوتوپلیمریزاسیون مخزنی | Vat Photopolymerization

دسته دوم، چاپگرهای سه بعدی پلیمریزاسیون مخزنی هستند و معروف‌ترین پرینترهای این دسته، پرینتر سه بعدی SLA و پرینتر سه بعدی DLP است. ماده اولیه این پرینترهای سه بعدی، رزین فتوپلیمر است.

معروف‌ترین پرینترهای سه بعدی فوتوپلیمرزاسیون مخزنی: استریولیتوگرافی (SLA)، پردازش نور دیجیتال (DLP) و استریولیتوگرافی پوشش‌دار (MSLA) 

مواد مورد استفاده در این چاپگر: رزین‌های فوتوپلیمر (ریخته‌گری، شفاف، صنعتی، زیست‌سازگار و …)

نقاط قوت این فناوری: چاپ با سطوح صاف به همراه جزئیات ظریف

فوتوپلیمریزاسیون مخزنی یکی دیگر از انواع روش‌های پرینت سه بعدی است که در آن یک منبع نور به طور انتخابی به یک رزین فتوپلیمر تابیده می‌شود تا از حالت مایع به حالت جامد درآید و سفت و سخت گردد. این فرآیند لایه به لایه تکرار می‌شود تا در نهایت شی نهایی ایجاد شود.

تفاوت اساسی بین انواع مختلف این تکنولوژی، منبع نوری است که برای پخت رزین استفاده می‌کنند.

در پرینترهای سه بعدی SLA از آینه‌هایی به نام گالوانومتر استفاده می‌شود که یک پرتو نور لیزر را به طور انتخابی هدف قرار می‌دهند و از آن برای سخت کردن رزین استفاده می‌کنند.

پرینترهای سه بعدی DLP از پردازش نور دیجیتال به عنوان منبع نوری استفاده می‌کنند.

چاپگرهای MSLA از یک آرایه‌ی LED به عنوان منبع نور خود استفاده می‌کنند.

سایر فناوری‌های پلیمریزاسیون VAT عبارت است از: P3، HARP، LMM، LEAP، PµSL و DCM

شماتیکی از پرینترهای سه بعدی با زیرتکنولوژی فوتوپلیمریزاسیون مخزنی

گداخت بستر پودر | Powder Bed Fusion

دسته سوم، چاپگرهای سه بعدی گداخت بستر پودری هستند. چهار دسته‌ی مهم این پرینترهای سه بعدی، SLS، EBM، SLM و DMLS هستند. در یک پرینتر سه بعدی گداخت بستر پودری، مخزنی از پودر ماده اولیه وجود دارد که با تابش انتخابی منبع انرژی متمرکز به دانه‌های پودر ماده اولیه، به هم جوش می‌خورند. 

معروف‌ترین پرینترهای سه بعدی گداخت بستر پودری: تف جوشی لیزری انتخابی (SLS)، ذوب لیزری انتخابی (SLM)، ذوب پرتو الکترونی (EBM)، تف جوشی لیزری مستقیم فلزات (DMLS)، چند جت فیوژن (MJF)

مواد مورد استفاده در این چاپگر: پودرهای ترموپلاستیک (نایلون 6، نایلون 11، نایلون 12 و غیره)، پودرهای فلزی (فولاد، تیتانیوم، آلومینیوم، کبالت و غیره)، پودرهای سرامیک

نقاط قوت این فناوری: پتانسیل تولید قطعات کاربردی و دارای هندسه‌ی پیچیده، خواص مکانیکی عالی قطعات چاپ شده

یکی از ویژگی‌های شاخص این دسته از پرینترهای سه بعدی این است که در فرآیند ساخت نیازی به استفاده از ساپورت ندارند. یعنی در یک پرینتر سه بعدی گداخت بستر پودر، پودرهای گداخته نشده‌ی موجود در لایه‌های قطعه که همچنان جزئی از قطعه نشدند، نقش ساپورت را در فرآیند ساخت ایفا می‌کنند.

در پرینترهای سه بعدی SLS، پودر پلیمر تا دمایی زیر نقطه ذوب پلیمر گرم می‌شود. در ادامه یک لایه‌ی بسیار نازکی از مواد روی سطح ساخت قرار می‌گیرد. سپس با لیزر CO2 اسکن از سطح انجام می‌شود، پودر ذوب شده و سطح مقطع، جامد می‌شود.

در پرینترهای سه بعدی (DMLS) / (SLM)، اجسام به روشی مشابه SLS تولید می‌شوند. تفاوت اصلی این است که این نوع فناوری چاپ سه بعدی در تولید قطعات فلزی به کار می‌رود. DMLS پودر را ذوب نمی‌کند بلکه آن را تا حدی گرم می‌کند تا بتواند در سطح مولکولی ذوب شود. SLM از لیزر برای رسیدن به ذوب کامل پودر فلز استفاده می‌کند که در نهایت یک قسمت همگن را تشکیل می‌دهد.

چاپگرهای سه بعدی EBM متمایز از سایر تکنیک‌های همجوشی بستر پودر، از یک پرتو انرژی بالا یا الکترون‌ها برای القای همجوشی بین ذرات پودر فلز استفاده می‌کند.

پرینترهای MJF، لایه‌ای از پودر مواد را روی تخت چاپ می‌گذارد. به دنبال آن، یک سر جوهر افشان از روی پودر عبور می‌کند و ضمن ذوب آن یک عامل دیگر را روی آن رسوب می‌دهد.

شماتیکی از پرینترهای سه بعدی با زیرتکنولوژی گداخت بستر پودر

پاشش ماده | Material Jetting

پرینترهای سه بعدی پاشش ماده (Material Jetting) که در آن‌ها مواد، اغلب فتوپلیمر‌ها، بر روی سطح ساخت پاشیده می‌شوند و با استفاده از نورهای خاص جامد می‌شوند و قطعه موردنظر را لایه به لایه می‌سازند.

معروف‌ترین پرینترهای سه بعدی پاشش ماده: MJ و DOD از انواع پرینترهای سه بعدی این دسته محسوب می‌شوند.

مواد مورد استفاده در این چاپگر: رزین فوتوپلیمر (استاندارد، ریخته گری، شفاف، درجه حرارت بالا)

نقاط قوت این فناوری: بهترین پرداخت سطح، تمام رنگی و قابلیت استفاده از چند متریال

نقاط ضعف این فناوری: شکننده، برای چاپ قطعات مکانیکی مناسب نیست.

چاپگرهای سه بعدی MJ به روشی مشابه چاپگر جوهرافشان استاندارد عمل می‌کند. تفاوت اصلی این است که به جای چاپ یک لایه جوهر، چندین لایه بر روی یکدیگر ساخته می‌شوند تا یک قسمت جامد ایجاد کنند. اشیاء ساخته شده با MJ نیاز به پشتیبانی دارند، که به طور همزمان در طول ساخت از یک ماده قابل حل که در مرحله پس از پردازش حذف می‌شود چاپ می‌شود.

چاپگر DOD نوعی فناوری چاپ سه بعدی است که از یک جفت جوهر افشان استفاده می‌کند. یکی برای مواد اصلی چاپ، که معمولاً یک ماده موم مانند است و دومی که برای مواد پشتیبانی قابل حل استفاده می‌شود.

سایر فناوری‌های پاشش ماده عبارت است از: NPJ و CJP

شماتیکی از پرینترهای سه بعدی با زیرتکنولوژی پاشش ماده

پاشش چسب | Binder Jetting

دسته دیگر، پرینترهای پاشش چسب (Binder Jetting) هستند. یک پرینتر پاشش چسب با اسپری کردن چسب بر روی بستر پودری از مواد آن‌ها را به هم می‌چسباند و قطعه‌ یکپارچه می‌سازد. این پاشش به‌صورت انتخابی صورت می‌گیرد.

معروف‌ترین پرینترهای سه بعدی پاشش چسب:  Sand Binder Jetting، Metal Binder Jetting، Plastic Binder Jetting

مواد مورد استفاده در این چاپگر: شن، پلیمر، یا پودر فلز (ضدزنگ/برنز)، ماسه تمام رنگ، سیلیس (ریخته گری شن و ماسه)، کامپوزیت‌های سرامیکی و فلزی

نقاط قوت این فناوری: کم هزینه، حجم ساخت بزرگ، قطعات فلزی کاربردی، سرعت چاپ سریع، انعطاف پذیری طراحی و بدون پشتیبانی

نقاط ضعف این فناوری: خواص مکانیکی به خوبی همجوشی بستر پودر فلز نیست.

چاپگرهای Sand Binder Jetting برای تولید قطعات از ماسه و سنگ و گچ استفاده می‌کنند و معمولا برای چاپ سه بعدی قالب بکار می‌روند. پس از اتمام فرآیند چاپ، شن‌‌ها و ماسه‌های اضافی از بین می‌روند و قالب برای ریخته‌گری مورد استفاده قرار می‌گیرد.

پرینترهای سه بعدی Metal Binder Jetting از پودر فلز برای ساخت اجسام فلزی استفاده می‌کند. تولید اجسام فلزی با استفاده از این فناوری، امکان تولید هندسه‌های بسیار پیچیده را فراهم می‌سازد.

چاپگرهای سه بعدی Plastic Binder Jetting به لحاظ  فرآیند و فناوری مورد استفاده بسیار مشابه Metal Binder Jetting می‌باشد. پس از چاپ، قطعات پلاستیکی از بستر پودری خود خارج می‌شوند و اغلب بدون نیاز به هیچ گونه پردازش بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرند، اما می‌توان آن را با مواد دیگری پر کرد، پخت، صیقل داد یا رنگ کرد.

شماتیکی از پرینترهای سه بعدی با زیرتکنولوژی گداخت پاشش چسب

انرژی نشانی مستقیم | Direct Energy Deposition

یکی از انواع روش‌های پرینت سه بعدی است که در آن مواد با انرژی حرارتی قدرتمند به طور همزمان ذوب می‌شوند تا زمانی که رسوب کنند. منبع انرژی مورد بحث معمولاً یکی از سه منبع انرژی است – پرتو الکترونی، لیزر یا پلاسما. DED اغلب برای تعمیر استفاده می‌شود تا برای ایجاد اقلام چاپی کاملاً جدید.

ٰشاخص‌ترین زیرتکنولوژی این دسته LENS است.

معروف‌ترین پرینترهای سه بعدی انرژی نشانی مستقیم:  LENS، EBAM و Cold Spray

مواد مورد استفاده در این چاپگر: فلزات به صورت مفتول و پودر

نقاط قوت این فناوری: عدم نیاز به سازه‌های پشتیبانی، مخلوط کردن فلزات

نقاط ضعف این فناوری: پرداخت ضعیف سطح و نیاز به پردازش پس از آن، نسبتا پرهزینه

چاپگرهای سه بعدی EBAM، از یک پرتو الکترونی به عنوان منبع انرژی استفاده می‌کند. EBAM اغلب در خلاء انجام می‌شود بنابراین احتمال آلوده شدن محصول نهایی توسط آلاینده‌ها را تا حد زیادی کاهش می‌دهد. فلزات متداول مورد استفاده در این روش شامل آلیاژهای مس، تیتانیوم، کبالت و نیکل است.

پرینترهای LENS، فرآیند پرینت را در داخل یک محفظه مهر و موم شده انجام می‌دهند، زیرا نازل و لیزر به صورت سه بعدی به اطراف حرکت می‌کنند. پودر فلز از طریق یک یا چند نازل اکسترود می‌شود و به طور خاص از طریق یک لیزر قدرتمند ذوب می‌گردد. به این ترتیب یک جسم لایه به لایه ساخته می‌شود.

پرینترهای سه بعدی از نوع Cold Spray به گونه‌ای اند که می‌توان ادعا کرد زیر پرچم DED نیست. اسپری سرد یک فناوری تولیدی است که پودرهای فلزی را با سرعت مافوق صوت اسپری می‌کند تا آنها را بدون ذوب شدن به هم بچسباند که تقریباً هیچ تنش حرارتی ایجاد نمی‌کند.

شماتیکی از پرینترهای سه بعدی با زیرتکنولوژی انرژی نشانی مستقیم

لایه‌گذاری ورقه‌ای | Sheet Lamination

در آخر هم باید به پرینترهای سه بعدی لایه گذاری ورقه‌ای(Sheet Lamination) اشاره کرد. نوعی پرینت سه بعدی است که با روی هم چیدن و لمینت کردن ورق‌های مواد بسیار نازک به منظور تولید یک شی سه بعدی عمل می‌کند. لایه‌های مواد را می‌توان با استفاده از روش‌های مختلف با هم ذوب کرد و معمولاً از گرما و صدا برای این کار استفاده می‌کند.

شاخص‌ترین زیرتکنولوژی این دسته، LOM است.

معروف‌ترین پرینترهای سه بعدی لایه‌گذاری ورقه‌ای:  LOM و UC

مواد مورد استفاده در این چاپگر: کاغذ، پلیمر و فلز به شکل ورق

نقاط قوت این فناوری: کم هزینه؛ امکان تولید سریع؛ چاپ‌های کامپوزیت

نقاط ضعف این فناوری: دقت پایین و تولید مواد زائد

چاپگرهای سه بعدی LOM، از رایج‌ترین انواع پرینترهای سه بعدی با فناوری لایه‌گذاری ورقه‌ای است. در این روش، ورق‌های مواد روی هم قرار می‌گیرند و با استفاده از چسب به هم می‌چسبند. مانند بسیاری از روش‌های پرینت سه بعدی، لایه‌ها یکی یکی ساخته می‌شوند با این تفاوت که یک ورق به تنهایی نمی‌تواند شکل پیچیده‌ای ایجاد کند.

تثبیت اولتراسونیک (UC) راهی برای چاپ سه بعدی اشیاء فلزی است که در زیر مجموعه‌ی پرینترهای سه بعدی با تکنولوژی لایه‌گذاری ورقه‌ای قرار می‌گیرند. این روش پرینت سه بعدی از ارتعاشات اولتراسونیک و فشار استفاده می‌کند تا ورق‌های نازک فلز را در دمای پایین به هم جوش دهد.

شماتیکی از پرینترهای سه بعدی با زیرتکنولوژی لایه‌گذاری ورقه‌ای

✅ پرسش‌های متداول پیرامون انواع روش‌های پرینت سه بعدی ✅

✅ روش‌های مختلف پرینت سه بعدی را نام ببرید؟

✔ اکستروژن ماده، فوتوپلیمریزاسیون مخزنی، گداخت بستر پودر، پاشش ماده، پاشش چسب، انرژی نشانی مستقیم، لایه‌گذاری ورقه‌ای

✅ چگونه بهترین پرینتر سه بعدی را انتخاب کنیم؟

✔ دانستن زیرتکنولوژی پرینت سه بعدی، مواد مصرفی پرینتر، دقت و سرعت آن، گارانتی، قیمت و درک نقاط قوت و ضعف کمک می‌کند تا بهترین پرینتر سه بعدی را انتخاب کنیم.

✅ محبوب‌ترین فناوری پرینت سه بعدی چیست؟

✔ FDM در حال حاضر محبوب‌ترین فناوری پرینت سه بعدی است که در پرینترهای سه بعدی مقرون به‌صرفه استفاده می‌شود.

✅ مواد مورد استفاده در چاپگرهای اکستروژن ماده چیست؟

✔ PLA, ABS, PET, PETG, TPU, Nylon, ASA, PC, HIPS, Carbon Fiber از مواد مورد استفاده در چاپگرهای اکستروژن ماده است.

✅ مهم‌ترین پرینترهای گداخت بستر پودری کدامند؟

✔ SLS، EBM، SLM و DMLS چهار دسته‌ی مهم پرینترهای گداخت بستر پودری هستند.

✅ کدام یک از تکنولوژی‌های پرینت سه بعدی برای ترمیم قطعات گزینه‌ی مناسبی است؟

✔ انرژی نشانی مستقیم یکی از زیرتکنولوژی‌های مرسوم در پرینتر سه بعدی است که غالبا در ترمیم اجسام کاربرد دارد تا پرینت سه بعدی قطعه‌ی جدید.

✅ کم‌هزینه‌ترین روش چاپ سه بعدی چیست؟

✔ چاپگرهای سه بعدی بر مبنای اکستروژن ماده، مقرون‌به صرفه‌ترین روش چاپ سه بعدی است.