راهنمای کامل چاپ سه‌بعدی برنز + معرفی روش‌ها، مواد و خدمات چاپ

چاپ سه‌بعدی با برنز چیست؟

در چاپ سه‌بعدی با برنز، هدف تولید قطعه‌ایست که یا کاملاً از فلز برنز ساخته شده باشد، یا ظاهری شبیه برنز داشته باشد. این کار با سه رویکرد انجام می‌شود:

1. چاپ مستقیم فلزی با پودر برنز

2. ریخته‌گری برنز از مدل چاپ‌شده

3. چاپ بامتریال های پلیمری–فلزی حاوی پودر برنز

در محصولات کوچک مثل زیورآلات، در ۹۵٪ مواقع منظور از چاپ سه‌بعدی برنز، چاپ مدل اولیه برای ریخته‌گری است.
اما فناوری‌های جدید امکان چاپ مستقیم برنز واقعی را نیز فراهم کرده‌اند.

نمونه‌های برجسته از چاپ سه‌بعدی برنز

بیش از 5000 سال پیش، زمانی که انسان‌ها شروع به ترکیب مس نرم با قلع کردند تا آلیاژی به نام برنز برای ساخت ابزار، سلاح، آثار هنری و سکه تولید کنند، یکی از مهم‌ترین تحولات فرهنگی تاریخ بشر رقم خورد.
ما قصد نداریم چاپ سه‌بعدی را با عصر برنز مقایسه کنیم، اما این فناوری بدون شک نقش بزرگی در دسترس‌پذیرتر کردن برنز برای کاربردهای گوناگون ایفا کرده است.

یکی از شناخته‌شده‌ترین کاربردهای برنز، ساخت تندیس‌های برنزی است. معمولاً تندیس‌های برنزی مانند اثر معروف «متفکر» اثر رودن ابتدا با خاک رس پیکرتراشی می‌شدند، سپس با گچ پوشانده می‌شدند تا قالبی برای ریختن برنز مذاب ساخته شود. تندیس‌های بزرگ اغلب در چند بخش جداگانه ریخته‌گری و در نهایت مونتاژ می‌شدند.

امروزه، کارگاه‌های ریخته‌گری هنری سنتی، مانند Walla Walla Foundry  در ایالات متحده، معمولاً از مدل‌های چاپ‌شده‌ی برای ساخت تندیس‌ها استفاده می‌کنند. به این ترتیب، هنرمندان دیگر نیازی ندارند که مدل‌های تمام‌قد را با دست پیکرتراشی کنند تا از روی آن‌ها قالب ساخته شود؛ بلکه فرآیند مستقیماً از برنامه‌ی طراحی رایانه‌ای (CAD) به مدل چاپ سه‌بعدی منتقل می‌شود.

این همان فرآیندی است که Walla Walla Foundry  برای ساخت تندیس طراحی‌شده توسط هنرمند توماس Hank Willis Thomas با عنوان «در آغوش»  دنبال کرد. این تندیس برنزی 20 فوتی که به یاد مارتین لوتر کینگ جونیور و کورتا اسکات کینگ ساخته شده است، در ژانویه 2023 در شهر بوستون رونمایی شد.

از طرح اولیه‌ی دیجیتال توماس، کارگاه Walla Walla Foundry  مدل را تا اندازه‌ی دلخواه بزرگ‌نمایی کرد و آن را به بیش از 600 قطعه تقسیم نمود. سپس هر قطعه به‌صورت جداگانه با دستگاه سه‌بعدی Voxeljet 1000 چاپ شد و در سرامیک غوطه‌ور گردید تا قالب ساخته شود. در مرحله‌ی بعد، مجموعه‌ی مدل و قالب حرارت داده شد تا مواد مدل کاملاً بسوزد و از بین برود، به‌گونه‌ای که تنها حفره‌ی قالب باقی بماند جایی که برنز مذاب در آن ریخته می‌شود.

برنز و آلیاژهای برنز، موادی بسیار ارزشمند برای طیف گسترده‌ای از کاربردهای صنعتی هستند. شرکت سازنده‌ی دستگاهای فلزی Spee3D  نشان داده است که نیروهای نظامی می‌توانند با استفاده از فناوری چاپ سه‌بعدی به روش اسپری سرد (Cold Spray 3D Printing)  در میدان عمل، به‌صورت مستقل نیازهای خود را تأمین کنند.

در میان چندین نمونه‌ی کاربردی، تیمی از نیروهای نظامی استرالیا توانست با استفاده از این فناوری، یک ضامن برنزی آلومینیومی (Aluminum Bronze Ratchet) مخصوص توپچی را در مدت 60 دقیقه و با وزن 2 کیلوگرم چاپ کند. این ابزار برای کار با مسلسل خودروی زرهی سبک استرالیا (Australian Light Armoured Vehicle Machine Gun) مورد نیاز است، و استفاده از برنز در آن به‌دلیل خاصیت ضدجرقه‌بودن این فلز اهمیت دارد. با استفاده از دستگاه شرکت Spee3D، هزینه‌ی ساخت این قطعه تنها حدود 100 دلار بود. سربازان همچنین توانستند یک لولای برنز آلومینیومی دیگر را که برای عملکرد ایمن پمپ‌کردن دستی سوخت ضروری است، تنها در 10 دقیقه و با هزینه‌ای در حدود 35 دلار چاپ کنند.

چاپ سه‌بعدی نسخه‌های برنزی

برنز فلزی ارزشمند است، و همین موضوع باعث می‌شود تندیس‌ها و آثار هنری ساخته یا ریخته‌گری‌شده از آن، در معرض سرقت قرار گیرند. به‌عنوان نمونه، پس از آن‌که حلقه‌های برنزی نصب‌شده بر دروازه‌های یک مدرسه در شهر آوکلند، نیوزیلند که به یاد آموزگاران جان‌باخته در جنگ جهانی اول ساخته شده بودند در سال 2021 به سرقت رفتند، مسئولان محلی تصمیم گرفتند دیگر از برنز واقعی استفاده نکنند.

در عوض، آن‌ها با آزمایشگاه طراحی خلاق و ساخت افزودنی (Creative Design and Additive Manufacturing Lab) در دانشگاه آوکلند تماس گرفتند. تیم حاضر در این آزمایشگاه، با اسکن سه‌بعدی حلقه‌های مشابه و سپس طراحی دیجیتالی فایل‌ها و انجام اصلاحات لازم در نرم‌افزارهایی مانند SolidWorks  و Meshmixer ، نسخه‌ی جدیدی از آن‌ها را آماده کرد.

پس از تکمیل طراحی دیجیتال، حلقه‌ها به‌صورت قطعه‌قطعه با استفاده از دستگاه EOS Formiga P110 Velocis  با فناوری SLS (چاپ لیزری انتخابی پودر) چاپ شدند و سپس با چسب اپوکسی به هم متصل گردیدند. درزها با بتونه‌ی خودرویی پر، سپس سمباده و آستر زده شدند. در پایان، آن‌ها با رنگ برنزی رنگ‌آمیزی شدند و فرآیند اکسیداسیون بر رویشان انجام گرفت. پس از آن، لایه‌ی اکسید پاک شد تا جلوه‌ای شبیه پتینه‌ی طبیعی برنز همانند زمانی که فلز تمیز و صیقل داده می‌شود به خود بگیرد.

ریخته‌گری برنز از قالب چاپ سه‌بعدی

همان‌طور که پیش‌تر اشاره کردیم، چاپ سه‌بعدی مدل با موم یا مواد مشابه، یکی از رایج‌ترین روش‌ها برای ساخت اشیای برنزی از طریق چاپ سه‌بعدی است. این روش که ریخته‌گری موم گمشده (Lost-Wax Casting) نام دارد، قدمتی چند هزارساله دارد و در گذشته نیازمند آن بود که صنعتگر، ابتدا مدل را با موم یا خاک رس بسازد. در این فرآیند، جسم ساخته‌شده در ماده‌ای شبیه گچ غوطه‌ور یا پوشانده می‌شود تا قالبی در اطراف آن شکل بگیرد. سپس قالب حرارت داده می‌شود تا موم ذوب و خارج شود و حفره‌ای به شکل همان جسم باقی بماند. در نهایت، برنز مذاب درون این حفره ریخته می‌شود و نتیجه، یک تندیس، سکه یا ابزار برنزی است.

امروزه می‌توانید با استفاده از مواد مومی‌مانند برای چاپ سه‌بعدی، همین کار را به‌شکل دیجیتال انجام دهید. کافی است طرح خود را در نرم‌افزار طراحی به کمک رایانه (CAD) ایجاد کرده و آن را چاپ کنید یا به یکی از سرویس‌های چاپ سه‌بعدی بر اساس سفارش ارسال نمایید. رایج‌ترین نوع دستگاه برای ساخت مدل‌های مومی با جزئیات بالا، چاپگرهای با فناوری پلیمریزاسیون وان (Vat Polymerization) هستند؛ با این حال، مواد موم‌ مانند فیلامنت PLA نیز برای پرینترهای FDM در دسترس است.

چاپ سه‌بعدی با رشته ترموپلاستیک برنزی

چاپ سه‌بعدی با رشته ترموپلاستیک برنزی، مسیری جذاب برای تولید قطعاتی است که ظاهر فلزی، وزن قابل‌احساس و حس لوکس سطح برنز را ارائه می‌دهند، بدون اینکه نیاز به فرآیندهای پیچیده ذوب فلز یا تجهیزات صنعتی سنگین داشته باشند. این نوع ماده ورودی، ترکیبی از ترموپلاستیک پایه به‌همراه پودر برنز است و پس از لایه‌سازی، قطعه نهایی از نظر بصری و حسی، تا حد زیادی شبیه اجسام فلزی واقعی محسوب می‌شود.

مزیت اصلی این روش، امکان دستیابی به جلوه‌ای واقعی و طبیعی بدون دمای بالا و بدون هزینه‌های سرسام‌آور ساخت فلز است. نتیجه کار، قطعاتی با رنگ گرم، بافت سنگین و حس دست‌گرفتنی مشابه فلزات کلاسیک خواهد بود؛ چیزی که برای طراحان محصول، هنرمندان، سازندگان تزئینی و مجموعه‌داران بسیار جذاب است.

قبل و بعد از پرداخت یک حلقه چاپ‌شده با رشته ترموپلاستیک ColorFabb bronzeFill

اگر شما یک علاقه‌مند یا سازنده‌ی خانگی باشید، ساخت قالب، آماده‌سازی و ریختن برنز مذاب احتمالاً کاری بسیار دشوار و غیرعملی است. با این حال، روش‌های جایگزینی برای چاپ سه‌بعدی با برنز وجود دارد که می‌توان آن‌ها را با پرینترهای رومیزی انجام داد. در بازار، رشته ترموپلاستیک هایی وجود دارند که می‌توانند قطعاتی تولید کنند که تقریباً کاملاً از برنز ساخته شده‌اند، و همچنین نوعی دیگر که فقط درخشش ظاهری برنزی دارند اما هیچ فلزی در ترکیب آن‌ها وجود ندارد. انتخاب مواد مصرفی بستگی به نوع کاربرد دارد، زیرا هرچه میزان برنز در ترکیب مواد مصرفی بیشتر باشد، قیمت آن نیز بالاتر خواهد بود. در ادامه، برخی از بهترین گزینه‌ها برای متریالهای برنزی و جایگزین‌های موجود در بازار معرفی شده‌اند.

The Virtual Foundry توسعه‌دهنده نسل جدید مواد فلزی قابل‌چاپ

این شرکت متریال برنزی مخصوص دستگاهای رومیزی سه بعدی تولید می‌کند که قادر است قطعاتی تقریباً تمام‌برنزی بسازد. این متریال شامل 88 تا 90 درصد پودر برنز است که در یک بایندر پلیمری (Polymer Binder) ترکیب شده است. پس از چاپ با این مواد ، جسم چاپ‌شده باید در کوره (Kiln) حرارت داده شود تا پلیمر از بین برود و ذرات برنز به هم جوش بخورند (Sintering) . برای چاپ این نوع متریال ، لازم است دستگاه دارای نازل فولادی و هد تمام‌فلزی (All-Metal Hotend)  باشد؛ زیرا متریالهای فلزی باعث سایش سریع قطعات چاپگر می‌شوند و در غیر این صورت کیفیت چاپ به‌شدت پایین می‌آید.

متریال های مصرفی شرکت The Virtual Foundry  تنها راه برای دستیابی به شیء تقریباً خالص برنزی با استفاده از چاپگر  هستند. با این حال، این روش برای بسیاری از کاربران چندان مقرون‌به‌صرفه نیست، زیرا فقط نیم کیلوگرم از این متریال مصرفی حدود 170 دلار قیمت دارد و علاوه بر آن، به کوره‌ی مخصوص تف‌جوشی نیز نیاز است.

ColorFabb تولیدکننده شناخته‌شده مواد فلزی برای صنایع خلاق و مهندسی

برای کسانی که به کوره دسترسی ندارند یا بودجه‌ی خرید مواد مصرفی 200 دلاری در هر کیلوگرم را ندارند، استفاده از متریال ‌های پلاستیکی–فلزی ترکیبی می‌تواند گزینه‌ی مناسبی باشد. فیلامنت bronzeFill  شرکت ColorFabb حدود 50٪ از ماده‌ی PLA (پلی‌لاکتیک اسید) تشکیل شده است، که باعث می‌شود چاپ و پرداخت آن ساده‌تر باشد.

پس از چاپ با این نوع متریالها، برای دستیابی به درخشش طبیعی برنز باید پرداخت نهایی (Post-Processing) انجام شود. ColorFabb پیشنهاد می‌کند که ابتدا قطعه را با سمباده زبرتر شروع به پرداخت کنید و سپس به‌تدریج از سمباده‌های نرم‌تر استفاده نمایید. پس از پایان سمباده‌کاری، باید قطعه را با پولیش مس (Copper Polish) براق کنید تا بهترین نتیجه حاصل شود. شایان ذکر است که برندهای دیگری نیز فیلامنت‌هایی مشابه تولید می‌کنند، از جمله Protopasta  و FormFutura، که در ادامه به آن‌ها اشاره خواهیم کرد.

3DJake فروشگاه اروپایی پیشرو در عرضه مواد چاپ سه‌بعدی رنگی و برنزی

در نهایت، برای کسانی که نیازی به قطعه‌ی برنزی واقعی ندارند و فقط می‌خواهند جسمی با رنگ و ظاهر برنز چاپ کنند، FILAMENT هایی با رنگ برنزی در بازار وجود دارد. چندین شرکت رشته ترموپلاستیک رنگ‌برنزی تولید می‌کنند که کار با آن‌ها بسیار آسان‌تر ازمواد مصرفی های حاوی فلز است و معمولاً نیازی به پرداخت نهایی یا پولیش ندارند. 3DJake، یک فروشگاه اینترنتی اروپایی، از جمله برندهایی است که این نوع رشته ترموپلاستیک را عرضه می‌کند. این مواد از نوع PLA  اصلاح‌شده‌ی ویژه است و در مقایسه با متریالهای فلزی، زیست‌تخریب‌پذیر (Biodegradable) محسوب می‌شود. کاربران این متریال گزارش داده‌اند که چاپ آن آسان است و به هیچ‌گونه پرداخت پس از چاپ نیاز ندارد.

مترلیهای حاوی برنز

متریلهای مصرفی تزئینی می‌توانند تا 80٪ پودر برنز در ترکیب خود داشته باشند و در نتیجه، تقریباً همان وزن و حس فلزی واقعی را ایجاد کنند که در پلیمرها وجود ندارد. با این حال، باید دستورالعمل چاپ تولیدکننده‌ی فیلامنت را با دقت دنبال کنید، زیرا این نوع موادها حاوی فلز نیاز به تنظیمات خاص چاپ و نگهداری ویژه دارند.

دستیابی به ظاهر برنزی

اگر پروژه‌ی شما به وزن و جنس واقعی برنز نیازی ندارد و فقط به‌دنبال درخشندگی و جلوه‌ی فلزی در ظاهر چاپ هستید، فیلامنت‌های متنوعی با رنگ برنزی در بازار موجودند که می‌توانند جلوه‌ای چشم‌گیر به مدل شما بدهند.

سایر روش‌های چاپ با برنز

دستگاه  لیزری Concept Laser Mlab  ساخت شرکت GE Additive  برای بازآفرینی یک تندیس برنزی از قرن هفتم پیش از میلاد به نام "Unlinger Reiter"  استفاده شد. 
دستگاهای فلز می‌توانند از پودر برنز برای چاپ مستقیم قطعات برنزی مانند جواهرات، سکه‌ها، تندیس‌ها و سایر اشیاء فلزی استفاده کنند. در فرآیندی به نام ذوب لایه‌ای پودر با لیزر (Laser Powder Bed Fusion - LPBF)، که با نام ذوب انتخابی با لیزر (Selective Laser Melting - SLM) نیز شناخته می‌شود، پودر برنز در مخزن دستگاه فلزی بارگذاری می‌شود و سپس لیزر، پودر فلز را لایه‌به‌لایه ذوب کرده و به هم جوش می‌دهد تا یک قطعه‌ی کاملاً فلزی تولید شود. اگرچه مزیت این روش در چاپ مستقیم قطعه‌ی فلزی نهایی است، اما چاپگرهای LPBF دستگاه‌هایی بسیار گران‌قیمت هستند که قیمت آن‌ها از چند صد هزار دلار آغاز می‌شود. علاوه بر این، برای هر چاپ باید چندین لیتر پودر برنز در بستر چاپ ریخته شود که می‌تواند چند قطعه یا حتی ده‌ها قطعه را در یک نوبت چاپ دربرگیرد. پودر برنز باقی‌مانده نیز می‌تواند در چاپ‌های بعدی دوباره مورد استفاده قرار گیرد.

همان‌طور که پیش‌تر اشاره شد، فناوری اسپری سرد (Cold Spray) نیز یکی دیگر از روش‌های چاپ سه‌بعدی است که از پودرهای برنز برای ساخت قطعات استفاده می‌کند. شرکت Spee3D، سازنده‌ی پرینترهای اسپری سرد، از آلیاژ آلومینیوم–برنز به‌دلیل مقاومت در برابر خوردگی، خاصیت ضدچسبندگی دریایی و استحکام بالا برای چاپ قطعاتی مانند پوسته‌ها، پمپ‌ها، پروانه‌ها و بوش‌ها در محیط‌های دریایی استفاده می‌کند. اگرچه چاپ سه‌بعدی فلزی با استفاده از برنز خالص هنوز نسبتاً نادر است، اما پژوهش‌های جدیدی در زمینه‌ی کاربرد آلیاژهای نیکل–آلومینیوم–برنز در تولید افزایشی با قوس سیمی (Wire Arc Additive Manufacturing) در حال انجام است.

نتیجه‌گیری

چاپ سه‌بعدی با رشته ترموپلاستیک برنزی، راهکاری نوآورانه و اقتصادی برای تولید قطعاتی با ظاهر و وزن مشابه فلز برنز است. این فناوری نه‌تنها امکان تولید مدل‌های پیچیده و دقیق را فراهم می‌کند، بلکه دسترسی به جلوه‌های کلاسیک برنز را بدون نیاز به تجهیزات صنعتی سنگین، ریخته‌گری فلز یا هزینه‌های سرسام‌آور ممکن می‌سازد.

با استفاده از این نوع مواد، طراحان، هنرمندان و سازندگان می‌توانند قطعات تزئینی، مدل‌های کلکسیونی، هدایای خاص و نمونه‌های اولیه محصول را با کیفیت بالا و جلوه واقعی برنز تولید کنند. همچنین امکان پرداخت سطحی و براق‌سازی قطعات، ارزش بصری و حس لمس فلز را افزایش می‌دهد.

انتخاب صحیح نوع رشته ترموپلاستیک برنزی و رعایت نکات طراحی و چاپ، می‌تواند تجربه‌ای مشابه چاپ فلز واقعی ایجاد کند، در حالی که محدودیت‌های مرتبط با استحکام مکانیکی و دمای محیط به‌سادگی قابل مدیریت هستند.

در نهایت، این فناوری به‌عنوان پلی میان چاپ سه‌بعدی سنتی و چاپ فلزات، فرصت‌های جدیدی برای خلاقیت، نوآوری و تولید سریع قطعات با ظاهر لوکس و حرفه‌ای ایجاد می‌کند و مسیر را برای توسعه پروژه‌های هنری و صنعتی هموار می‌سازد.