فهرست مطالب:
بروز‌رسانی‌شده در فروردین 6, 1401
مقدمه
استریولیتوگرافی ( Stereolithography ) یا SLA یکی از روشهای تولید افزایشی می باشد – به پرینت سه بعدی نیز از آن نام برده می شود- که به طور خلاصه از طریق جامد کردن(curing) مواد حساس به نور مایع به صورت لایه به لایه و انتخابی طی عملیاتی به نام فوتوپلیمریزاسیون عمل می کند.
استریولیتوگرافی به طور گسترده ای برای تولید مدل ها، نمونه سازی، الگوها و محصولات تولیدی محدوده ی وسیعی از صنایع، از مهندسی و طراحی محصول گرفته تا صنعت، جواهر سازی، دندان پزشکی، ساخت نمونه و اموزش مورد استفاده قرار گرفته است.
تاریخچه
فرایند SLA برای اولین بار در اوایل سال 1970 توسط یک محقق ژاپنی به نام هیدو کوداما (Dr. Hideo Kodama) که توانست با استفاده از نور فرابنفش پلیمرهای حساس به نور را جامد کند و روش مدرن لایه به لایه استریولیتوگرافی ابداع کند ظاهر شد.
خود واژه استریلیتوگرافی توسط چارلز(Charles (Chuck) W. Hull) مالک شرکت 3D Systems که توانسته بود این تکنولوژی را در سال 1986تجاری سازی کند و به ثبت برساند استفاده شد.
تکنولوژی فرایند و مقایسه سیستم های SLA
تکنولوژی SLA
استریولیتوگرافی SLA یکی از روشهای تولید افزایشی ست که به تانک پلیمریزاسیون (vat photopolymerization) نیز شناخته می شود.
این ماشین ها تقریبا با مکانیزم مشابهی تکامل یافته اند. از یک منبع نوری (لیزر ماورابنفش یا یک پروژکتور)، برای جامد کردن رزین مایع و تبدیل آن به پلاستیک سود می برند. عمده تفاوت فیزیکی این ماشین ها، در وضعیت قرارگیری اجزای اصلی مثل، منبع نوری، سکوی ساخت و تانک رزین است.
مکانیزم راست_بالا(Right-side up)
ماشین های با مکانیزم راست_بالا معمولا در اطراف تانک های بزرگ فوتوپلیمر (رزین) مایع و سکوی ساخت ساخته می شوند.
لیزر (UV) بر روی صفحه حاوی رزین مایع متمرکز می شود و بر اساس مدل سه بعدی یک لایه از سطح مقطع را جامد می کند.
سپس پلترم ساخت به اندازه ضخامت یک لایه (لایه جامد شده) پایین می آید پس از آن یک تیغه، مواد تازه را از تانک بر روی لایه قبلی می ریزد. این فرایند به طور متوالی برای هر لایه تا ابتدای قطعه اجرا می شود تا فرایند تکمیل گردد.
سیستم استریو لیتوگرافی راست_بالا (Right_Side up SLA)
کاربرد، مزایا و معایب روش مکانیزم راست_بالا(Right-side up)
این روش غالبا در سیستمهای بزرگ صنعتی استفاده می شود، همچنین تا قبل از پیدایش سیستم دسکتاپ این روش استاندارد استریولیتوگرافی محسوب می شد.
از مزایای این روش می توان به تولید قطعات بزرگ، اعمال نیروی پایین در طول فرایند ساخت و دقت بالا با جزئیات بیشتر اشاره کرد.
برای تولید قطعات بزرگ، دستگاهای بزرگ هزینه های نگهداری و هزینه های مواد اولیه (right-side up SLA) بالایی دارند.
تمام ناحیه ساخت باید با رزین پر شود که به راحتی می تواند 10-100+ لیتر در مواد خام باشد، و این یک کار وقت گیر برای نگهداری، فیلتر کردن و مبادله مواد برای اجرای فرایند می باشد.
این ماشین ها به شدت به میزان پایداری سطح حساس هستند. هر گونه عدم تراز بودن می تواند منجر به پر کردن دوباره ناحیه ساخت و نهایتا سرازیر شدن مایع رزین شود که باعث معیوب شدن کل قطعه می شود.
استریولیتوگرافی برعکس یا متناوب (Upside-Down (Inverted) SLA)
همانطور که از نامش بر می آید، در استریولیتوگرافی معکوس، این فرایند از سر قطعه شروع می شود.
این روش از یک مخزن با سطح شفاف و نچسب استفاده می کند، که به عنوان یک بستر جهت رزین مایع برای جامد کردن به کار می رود. به این ترتیب امکان جداسازی لایه های تازه شکل گرفته را فراهم می آورد.
پلت فرم ساخت به اندازه ای برابر با ارتفاع لایه ی بین پلت فرم ساخت، یا آخرین لایه تکمیل شده و سطح پایین تانک به داخل مخزن رزین پایین می آید.
سیستم استریو لیتوگرافی برعکس یا متناوب (UpSide_Down SLA)
لیزر UV به دو اینه گالوانومتر تابانده می شود که نور را درست به مختصات یک سری از آینه ها که نور را از بالا از طریق کف تشت و لایه ی رزین فوتوپلیمر جامد شده به زیر تانک رزین برای ایجاد لایه جدید متمرکز می کنند .
ترکیبی از حرکت عمودی پلتفرم ساخت و افقی تانک رزین، لایه جامد شده را از کف تانک جدا می کند. سپس پلت فرم ساخت حرکت می کند تا جریان تازه رزین زیر آن حرکت کند. این فرایند تکرار می شود تا پرینت قطعه تکمیل شود.
در سیستم های پیشرفته تر، مخزن برای فراهم کردن یک محیط کنترل شده گرم می شود و یک پاک کن از بین مخازن در بین لایه ها برای گردش رزین و حذف خوشه های رزین نیمه جامد عبور می کند.
کاربرد، مزایا و معایب روش مکانیزم راست_بالا(Right-side up)
مزیت این رویکرد (upside-down ) استریولیتوگرافی این است که حجم ساخت ممکن است به طور قابل توجهی از حجم مخزن فراتر رود.
زیرا فقط نیاز است تا کف تشتک ساخت به طور مداوم با مایع پوشیده شود. این باعث می شود تا به طور کلی نگهداری، تمیزکردن، مبادله مواد ساده تر شود.
همچنین این اجازه را می دهد تا بتوان از دستگاه کوچکتری نسبت به روش (Right-side up) استفاده شود.
استریولیتوگرافی معکوس نیز محدودیت هایی دارد. با توجه به نیروهای سطحی وقتی که از سطح مخزن جدا می شوند بر روی پرینت تاثیر می گذارند که در نتیجه آن حجم ساخت محدود می شود و ساپورتهای بزرگتری برای حفظ قسمت متصل به پلت فرم ساخت نیاز می باشد.
نیروها همچنین استفاده از مواد انعطاف پذیر تر را محدود می کنند. به همین دلیل و انعطاف پذیر تر شدن ساپورت ها، تولید قطعات با سختی شور(Shore hardness) زیر 70A، امکان پذیر نمی باشد.
مفهوم ساپورت
هر دو روش استریولیتوگرافی SLA بسته به طراحی، برای اکثر قطعات نیاز به استفاده از ساپورت می باشد.
در سیستم های راست_بالا (Right-side up)، ساپورت ها قطعات را در یک مکان دقیق نگه می دارد تا اطمینان حاصل شود که همه جزئیات، چیزی برای اتصال به آن وجود دارد و همچنین در برابر فشار جانبی ناشی از تیغه پر شده از رزین مقاومت می کند.
در استریولیتوگرافی (SLA) معکوس (upside-down ) از ساپورت برای اتصال قطعات آویزان به پلت فرم ساخت، جلوگیری از انحراف به دلیل گرانش، و حفظ بخش های جدید ایجاد شده در روند جدایش استفاده می شود.
ساپورت ها در استریولیتوگرافی SLA
اکثر ابزارهای نرم افزاری به طور خودکار در هنگام تهیه مدل های سه بعدی ساپورت ها را نیز ایجاد می کنند. اما همچنین می توانند به صورت دستی نیز تنظیم می شوند. البته پس از تکمیل فرایند چاپ، این ساپورت ها باید به طور دستی از محصول جدا شوند.
مقایسه دو سیستم رایج در استریولیتوگرافی SLA
مواد
چاپگرهای سه بعدی استریولیتوگرافی SLA ابزارهای مربوط به فرایند را فراهم می کنند.
اما این مواد هستند که توانایی استریولیتوگرافی SLA را برای ایجاد طیف وسیعی از قطعات کاربردی برای صنایع مختلف فراهم می کند.
در ادامه به فرایند فتوپلیمریزاسیون و مواد خام مربوط به آن، رزین، ویژگی های منحصر به فرد آن و ترکیبات مختلف برای کاربردهای خاص، نگاه خواهیم کرد.( البته مواد ذکر شده نام تجاری مواد مربوط به شرکت materialize می باشد)
Poly1500
Poly1500 یک ماده شفاف با خواص قابل مقایسه با پلی پروپیلن (PP) و پلاستیک مهندسی است.
این ماده بسیار پایدار و مقاوم در برابر ضربه می باشد، همچنین برای کاربردهایی که نیار به نمونه سخت و صلب است کاربرد دارد.
این مواد برای طیف وسیعی از صنایع مانند اجزای خودرو، قاب های الکترونیکی، محصولات پزشکی و قطعاتی که در معرض ضربه های محکم و ناگهانی هستند مناسب است.
TuskXC2700T
TuskXC2700T یک ماده شفاف مایل به رنگ آبی است.
این ماده مناسب برای ساخت نمونه هایی با استحکام بالا و مقاوم در برابر آب می باشد (برای مثال قطعاتی که از آنها برای تجزیه و تحلیل جریان مایع و یا تستهای تونل باد استفاده می شود مناسب است). مشخصات آنها تقریبا شبیه به ABS و PBT می باشد.
NeXt
NeXt یک رزین بسیار بادوام است که مناسب قطعات بسیار دقیق با جزئیات بالا و قطعات سخت و پیچیده با مقاومت در برابر رطوبت و خواص حرارتی است.
NeXt برای استفاده نهایی (end-use) مانند طراحی های مقاوم در برابر ضربه های محکم و ناگهانی، پروانه ها، داکت ها، اتصالات، هوزینگ خودرو و داشبورد ایده آل است.
ProtoGen White
ProtoGen White برای کاربردهای عمومی با مشخصات ABS مناسب است. ProtoGen White یک ماده انعطاف پذیر با کیفیت خوب و ویژگی های حرارتی مناسب برای مکان هایی است که نیاز به مدلی دقیق در دمای اتاق ( RTV) دارند می باشد .
از کاربردهای این ماده می توان به ساخت پروانه ها، دودکش ها و اتصالات، هوزینگ خودرو، مجموعه داشبورد و مدل های نهایی اشاره کرد.
Tusk SolidGrey3000
Tusk SolidGrey3000 اولین ماده استریولیتوگرافی در جهان است که ترکیبی از درجه سختی بالا با مقاومت بالا است.
قطعات ساخته شده با این مواد نه تنها قوی، بلکه بسیار کاربردی هستند، به طوری که اجازه می دهد آنها را در طیف وسیعی از عملیات های کاربردی استفاده شود.
محصولات ایده آل این ماده عبارتند از قطعات بدنه خودرو، پوشش ماشین، نمونه اولیه عملکردی، مدل های مفهومی با دوام و مستحکم.
Xtreme
Xtreme یک رزین با خواص جامع خوب است از جمله مقاومت به ضربه بالا، طول عمر بالا در شکستن و کیفیت سطح عالی.
Xtreme ایده آل برای محفظه های سخت، قطعات یدکی CNC ها و در نهایت مجموعه هایی که نیاز به تحمل ضربه های محکم و ناگهانی دارند می باشد.
با توجه به کیفیت سطح آن، این مواد برای مدل های تمام شده با جزئیات زیاد نیز مناسب می باشد.
PerFORM
قطعات محکم و با استحکام PerFORM که مقاومت حرارتی بالایی دارند، برای تونل باد، هوافضا و خودرو بسیار مناسب می باشند.
مقایسه مواد مورد استفاده در استریولیتوگرافی
فرایند پلیمریزاسیون
پلاستیک ها از زنجیر کربن بلند تشکیل شده است. زنجیر کوتاهتر، پلاستیکی کمتر، جامد یا ویسکوز است. رزین یک پلاستیک است که از زنجیر کربن کوتاه (از یک کربن تا چند هزار کربن) تشکیل شده است.
به طور کامل تمام اجزای یک پلاستیک نهایی را دارد اما هنوز کاملا پلیمری نشده اند.
هنگامی که رزین در معرض نور UV قرار می گیرد، زنجیرها به هم پیوند می خورند تا زنجیره های بسیار طولانی تر و سفت تر ایجاد کنند. زمانی که زنجیره به اندازه کافی واکنش نشان داد، نتیجه آن یک بخش جامد است.
فرایند پلیمریزاسیون در استریولیتوگرافی
زنجیرهای مونومر و الیگومر در رزین، دارای گروه فعال در انتهای خود هستند. هنگامی که رزین در معرض نور UV است، مولکول photoinitiator به دو بخش تقسیم می شود و پیوند آن با هم به دو رادیکال بسیار واکنشی تبدیل می شود.
این مولکول ها رادیکال های واکنشی را به گروه های فعال بر روی مونومرها و زنجیره های الیگومر انتقال می دهند که به نوبه خود با دیگر گروه های فعال واکنش نشان می دهند و زنجیره های طولانی را تشکیل می دهند.
همانطور که زنجیر بلندتر می شود و لینک های متقاطع ایجاد می شود، رزین شروع به سخت شدن می کند. کل فرآیند، از حالت مایع تا کاملا جامد پلیمریزه شده، طی یک میلی ثانیه انجام می شود.
خصوصیات رزین ها و پلاستیک
رزین ها دارای استحکامی مختلف، گروه های جانبی، ترکیب های مختلف مونومرهای بلند و کوتاه، الیگومرها، مولکول های photoinitiators و افزودنی ها هستند.
این آزادی منحصر به فرد ایجاد فرمولاسیون های مختلف با طیف گسترده ای از خواص نوری، مکانیکی و حرارتی، از شفاف تا مات یا رنگی، انعطاف پذیر تا سفت یا سخت و مقاوم در برابر گرما را فراهم می کند.
ترکیب رزین فتوپلیمر
همسانگردی و ناهمسانگردی ( Isotropy vs. Anisotropy)
با توجه به ماهیت لایه به لایه تکنولوژی چاپ سه بعدی، در بسیاری از موارد خصوصیات مواد به نوعی با توجه به جهتی که ماده در آن اندازه گیری می شوند، متفاوت است، شرایطی که به عنوان ناهمسانگردی نامیده می شود. برای مثال، یک شی چاپ سه بعدی شده ممکن است در نقطه شکست یا سفتی در راستای محورهای X، Y، Z ازدیاد طول متفاوتی داشته باشند.
در حین فرایند چاپ سه بعدی استریولیتوگرافی SLA، اجزای رزین پیوند کووالانسی تشکیل می دهد که درجه بالایی از استحکام جانبی را فراهم می کند. اما واکنش پلیمریزاسیون هنوز به پایان نرسیده است. در عوض، فرایند چاپ به گونه ای است که لایه را در وضعیت نیمه واکنشی که “حالت سبز” (green state) نامیده می شود، قرار می دهد.
این حالت سبز متفاوت از حالت کاملا جامد شده می باشد. همچنان گروه هایی با قابلیت پلیمریزه شدن روی سطح وجود دارند که لایه های بعدی می توانند با آنها پیوند کوالانسی برقرار کنند.
همچنانکه لایه بعدی جامد می شود واکنش پلیمریزاسیون گروه هایی از لایه قبلی را شامل می شود و نه تنها از اطراف، بلکه با لایه قبلی نیز تشکیل پیوند کوالانسی می دهند.
در محدوده مولکولی، از لحاظ پیوندهای شیمیایی بین محور Z و سطح XY هیچ تفاوتی وجود ندارد. هر قطعه ای که بدون وقفه با ماشین SLA پرینت شود ایزوتروپیک (همسانگرد) می باشد.
رفتار مختلف لایه ها در پرینت استریولیتوگرافی
قطعات همسانگرد مزایای مکانیکی و اپتیکی دارد. قطعات همسانگرد بسیار ایده آل برای نمونه سازی اولیه هستند. زیرا آنها منعکس کننده طیف وسیعی از خواص مرتبط با ترموپلاستیک های تزریقی معمول هستند و دچار لایه لایه شدن (delamination) یا تخلخل نیستند.
این نوع فرآیند پیوند شیمیایی و عدم وجود خطوط لایه قابل مشاهده (لایه لایه شدن) در داخل قطعات این اجازه را می دهد تا بتوان قطعاتی صاف اپتیکالی پرینت کرد.
پس پخت (Post-Curing)
هنگامی که چاپ تکمیل شد، قطعات در پلت فرم ساخت در حالت سبز ذکر شده باقی می ماند. در حالی که شکل و فرم نهایی شکل گرفته ولی واکنش پلیمریزاسیون هنوز به پایان نرسیده است، بنابراین خواص مکانیکی و حرارتی به طور کامل ایجاد نشده است.
فرایند پس پخت در استریولیتوگرافی
اضافه کردن یک اتاق پس پخت به فرایند استریولیتوگرافی، فرایند پلیمریزاسیون را کامل می کند و خواص مکانیکی را تثبیت می کند. این باعث می شود قطعات به بالاترین استحکام ممکن برسند و پایدارتر شوند. مخصوصا برای رزین های کاربردی مهندسی، دندانپزشکی و جواهرات از اهمیت بیشتری برخوردار است. قطعات انعطاف پذیر دو برابر استخکام خود را پس از پس پخت به دست می آورند.
قطعات پس از پرینت سه بعدی باید در الکل ایزوپروپیل (IPA) برای حذف رزین پخت نشده شستشو داده شوند.
مزایا و معایب در مقایسه با SLS , FDM
امروزه سه تکنولوژی ( FDM، SLA، SLS) رایج برای چاپ سه بعدی پلاستیک ها وجود دارد. هر تکنولوژی مجموعه ای از مزایا و معایب خود را دارد بنابراین هر یک کاربردهای خاص مربوط به خود رادارد.
مقایسه استریولیتوگرافی با FDM و SLS
دقت و تکرارپذیری
چاپگرهای استریولیتوگرافی SLA می توانند قطعات دقیق با ابعاد قابل تکرار ایجاد کنند. این برای برنامه های کاربردی، مانند ماشین ها که قطعات باید به طور دقیق نسبت به یکدیگر کار کنند، تولید مستر قالب یا قالب ریخته گری طلا و یا محصولات سفارشی دندانپزشکی که از اسکن عضو بیمار بدست می آیند بسیار ضروری و مهم است.
ترکیبی از مخزن گرم رزین و محیط ساخت کاملا بسته، شرایط تقریبا یکسانی برای هر چاپ فراهم می کند. همچنین دقت بیشتر در گرو کاهش درجه حرارت است که در مقایسه با دیگر تکنولوژی ها که با ذوب مواد سرو کار دارند و دقت ثابتی نیز دارند یک مزیت محسوب می شود.
از آنجائیکه در فرایند SLA به جای حرارت از نور استفاده می شود، فرایند چاپ در دمای نزدیک اتاق انجام می شود و قطعات چاپ شده از مشکلات حرارتی مثل ناحیه متاثر از حرارت (HAZ) و یا انقباضات ناشی از آن مصون می مانند.
دقت کلی استریولیتوگرافی SLA بسته به اندازه قطعه، رزین مصرفی ، هندسه مدل و ساپورت ها از 50 تا 200 میکرون متغییر است.
وضوح و کیفیت سطح
قطعات استریولیتوگرافی SLA پس از پرینت بدون فرایند اضافی ( پوشش) دارای سطحی صاف هستند . این برای کاربردهایی ایده آل است که نیاز به سطح نهایی بی عیب و نقص دارند و همچنین به کاهش زمان اتمام نیز کمک می کند، زیرا قطعات به راحتی و بدون عملیات اضافه می توانند سندبلاست، پولیش و یا روکش شوند.
ارتفاع لایه محور Z معمولا برای تعیین وضوح یک چاپگر 3D استفاده می شود و می تواند بین 25 تا 100 میکرون با توجه به سرعت و کیفیت مورد نظر تنظیم شود. این درحالیست که در چاپگرهای FDM و SLS معمولا لایه Z از 100 تا 300 میکرون می باشد.
با این وجود قطعه ای که با Z=100micron در استریولیتوگرافی SLA چاپ می شود متفاوت از قطعه ای ست که با همین رزلوشن در FDM یا SLS چاپ شده است. این تفاوت ریشه در مکانیزم فرایند و مواد اولیه استفاده شده دارد.
بافت سطح در فرایندهای مختلف پرینت سه بعدی
به دلیل رزولوشن بالای استریولیتوگرافی SLA که قطر نقطه لیزر 140 میکرون است، در مقایسه با SLS با قطر پودر 350میکرون و FDM با قطر نازل 250 تا 800 میکرون، می توان قطعات با جزییات بیشتری تولید کرد.
منبع : مهندس حرفه ای
