چاپ سه‌بعدی با گل (سرامیک) چیست و چگونه انجام می‌شود؟

مواد مورد استفاده در چاپ سه‌بعدی سرامیک

مواد سرامیکی برای چاپ سه‌بعدی می‌توانند به اشکال مختلفی عرضه شوند، از جمله فوتوپلیمرها و پودرها. ویژگی منحصر به فرد چاپ سه‌بعدی سرامیک، البته، به خود ماده مربوط می‌شود. در دنیای هنر، اصطلاحات «سرامیک» و «گل رس» اغلب به صورت جایگزین استفاده می‌شوند تا مواد مختلف مورد استفاده در ساخت سفال را توصیف کنند. گل رس واقعاً نوعی سرامیک است، اما همه سرامیک‌ها از گل رس ساخته نمی‌شوند. در واقع، سرامیک‌ها طیف وسیعی از مواد را شامل می‌شوند که هنگام حرارت دادن در دماهای بالا سخت می‌شوند، فرآیندی که به آن «پخت» گفته می‌شود.

مواد رایج مورد استفاده در چاپ سه‌بعدی سفال عبارتند از:

• تراکوتا (Terracotta) : سرامیکی شناخته‌شده است که به‌طور معمول در گلدان‌ها استفاده می‌شود، زیرا متخلخل و به‌راحتی در دسترس است. رنگ قرمز آن ناشی از اکسید آهن است که هنگام پخت در کوره شکل می‌گیرد. Terracotta می‌تواند در سیستم‌های FDM اکسترود شود و نسبت به اکثر سرامیک‌های مبتنی بر گل سخت‌تر است.
• چینی (Porcelain): ترکیبی از سیلیکا و گل رس است و در سه نوع وجود دارد: سخت، نرم و چینی استخوانی (bone china ) .  چینی سخت معمولاً برای ظروف ظریف استفاده می‌شود و بیشتر از گل کاولین مخلوط با کوارتز و فلدسپار ساخته شده است. چینی نرم ترکیب مشابهی دارد اما در دمای پایین‌تری پخته می‌شود، بنابراین محصول نهایی به سختی چینی سخت نیست. امروزه چینی استخوانی از خاکستر استخوان، کاولین و فلدسپار ساخته می‌شود. چینی می‌تواند با FDM اکسترود شود. در قالب رزین سرامیکی، می‌توان آن را با چاپگرهای رزینی سازگار چاپ کرد یا در قالب پودر، با استفاده از بایندر جت به هم متصل نمود.
• سفال خاکی (Earthenware) :  قدیمی‌ترین ماده شناخته‌شده برای تولید سفال است و اغلب قبل از پخت با یک لایه «اسلیپ» (مخلوط بسیار رقیق گل و آب) پوشانده می‌شود تا بافت سطح بهتر و ضد آب شود. این ماده پخته می‌شود اما شیشه‌ای نمی‌شود (vitrified) و بنابراین سطح نهایی آن از چینی زبرتر است. سفال خاکی نیز قابل اکسترود کردن است. شرکت  Wasp، یکی از معروف‌ترین تولیدکنندگان چاپگرهای سرامیکی، نوع قرمز این گل رس را ارائه می‌دهد.
• سنگ‌سفال (Stoneware) :  نوعی سفال غیر متخلخل است که در دماهای بالا پخته می‌شود. اگرچه ضد آب است، اغلب برای زیبایی با لعاب پوشانده می‌شود. سنگ‌سفال معمولاً در چاپ سه‌بعدی اکسترود می‌شود.

تفاوت سرامیک و گل رس در سفالگری و چاپ سه‌بعدی

در دنیای سفالگری و چاپ سه‌بعدی سرامیک، مواد مختلفی مورد استفاده قرار می‌گیرند که هرکدام ویژگی‌ها، کاربردها و محدودیت‌های خاص خود را دارند. دو ماده پرکاربرد در این حوزه، گل رس و مواد سرامیکی هستند که تفاوت‌های مهمی از نظر ساختار، فرآیند تولید و کاربرد نهایی دارند.

تفاوت گل رس و سرامیک در سفالگری

گل رس یک ماده طبیعی و سنتی در سفالگری است که به‌راحتی شکل می‌گیرد، قیمت مناسبی دارد و برای فرم‌دهی دستی یا اکستروژن بسیار مناسب است. در مقابل، سرامیک‌ها معمولاً خلوص بالاتر، استحکام بیشتر و قابلیت‌های زیبایی‌شناختی و صنعتی گسترده‌تری دارند و بیشتر در کاربردهای دقیق و تخصصی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

سرامیک در چاپ سه‌بعدی

علاوه بر سفال سنتی، مواد سرامیکی برای کاربردهای زیبایی‌شناختی و صنعتی مانند ساخت قاب ساعت، قطعات دکوراتیو و اشیای طراحی‌شده بسیار مناسب هستند. این مواد امکان تولید فرم‌های پیچیده‌تر را نسبت به گل رس فراهم می‌کنند.

برخی مواد سرامیکی را می‌توان به‌طور مستقیم با چاپگرهای مخصوص اکستروژن سرامیک چاپ کرد، در حالی که برخی دیگر نیازمند ترکیب با بایندر پلیمری برای چاپ با چاپگرهای FDM معمولی هستند. این مواد معمولاً در مرحله نهایی پخت سخت و مقاوم می‌شوند و تا قبل از آن، بسیار حساس و شکننده هستند و نیاز به دقت بالایی در فرآیند چاپ دارند.

ماشین اکستروژن گل رس WASP با قابلیت تعویض تخت چاپ

امروزه روش‌های مختلفی برای چاپ سه‌بعدی سرامیک وجود دارد و هر کدام مزایا و معایب خود را دارند. اقتصادی‌ترین روش چاپ سرامیک، اکستروژن است، اما در عوض کمترین جزئیات را ارائه می‌دهد. چاپ با رزین و بایندر جت جزئیات بالاتری ارائه می‌کنند، اما هزینه بالاتری دارند.

چاپ سه‌بعدی سرامیک به روش اکستروژن گل

سیستم‌های مبتنی بر اکستروژن گل رس رایج‌ترین روش ساخت قطعات سرامیکی برای کاربردهای سفالگری هستند. یکی از محبوب‌ترین سیستم‌ها برای اکستروژن گل رس، سری چاپگرهای دلتا گل WASP است. در این سیستم‌ها، گاهی از نیوماتیک برای خارج کردن گل از نازل استفاده می‌شود، اما اغلب از یک ماردون موتوردار بهره می‌برند. معمولاً گل مورد استفاده، ترکیبی خیس است تا فرآیند اکستروژن آسان‌تر شود. با این حال، به دلیل ویژگی‌های گل، بازپس‌گیری (retraction) می‌تواند چالش‌برانگیز باشد. به همین دلیل، اغلب ساختارهای مارپیچی شبیه گلدان با اکستروژن چاپ می‌شوند.

با وجود متریلهای سرامیکی، می‌توان از ماشین‌های 3D معمولی نیز برای چاپ سفال استفاده کرد. با این حال، چاپ‌ها به‌طور قابل توجهی کوچک می‌شوند، زیرا فرآیند جدا کردن پلیمر (debinding) رخ می‌دهد. به عنوان مثال، متریال LayCeramic  تا یک چهارم سایز خود کوچک می‌شود زمانی که تمام پلیمر سوخته شود. هنگام طراحی هندسه سفال باید دقت شود تا قطعه در طول مرحله کوچک شدن، یکپارچه باقی بماند و ضخامت دیواره‌ها نسبتاً زیاد باشد. شرکت Zetamix  ضخامت 2 میلی‌متر را برای متریال زیرکونیا خود توصیه می‌کند.

معمولاً قطر نازل‌های بزرگ‌تر برای کار با این کامپوزیت‌ها ترجیح داده می‌شود و ممکن است استفاده از نازل 0.6 میلی‌متر نتایج بهتری نسبت به نازل استاندارد 0.4 میلی‌متر بدهد. نازل باید از فولاد سخت یا مقاوم در برابر مواد ساینده باشد. برخی تولیدکنندگان متریال سرامیکی توصیه می‌کنند که چاپ روی شیشه انجام شود و از حمام شستشوی اولتراسونیک برای جدا کردن چاپ استفاده شود. با این حال، این کار ممکن است چالش‌هایی ایجاد کند، به ویژه به دلیل محدودیت اندازه مخزن و هزینه بالای حمام‌های حجیم‌تر.

روش‌های دیگر چاپ سه‌بعدی سرامیک

سرامیک‌ها و گل رس می‌توانند با روش‌های مختلفی مانند سیستم‌های رزینی و بایندر جت تولید شوند. این روش‌ها بیشتر برای کاربردهای فنی و تخصصی سرامیک مناسب هستند، اما امکان تولید قطعات کوچک و دقیق تزئینی نیز وجود دارد. در چاپ رزینی، ترکیبی از سرامیک و پلیمر برای شکل‌دهی اولیه استفاده می‌شود. نمونه‌هایی از این مواد شامل رزین سرامیکی Formlabs و Porcelite شرکت Tethon3D هستند. وزن بالای این مواد می‌تواند چالش‌هایی برای حفظ قطعات در طول فرآیند چاپ ایجاد کند، زیرا سرامیک رزینی سنگین‌تر از اکثر پلاستیک‌هاست.

سیستم‌های بایندر جت مانند دستگاه‌های Kwambio از بستر پودری استفاده می‌کنند تا قطعات با جزئیات بالا ساخته شوند. در این روش، سرامیک پودری به صورت لایه‌ای با عامل اتصال اختصاصی ترکیب می‌شود تا شکل اولیه قطعه، که به آن «حالت سبز» (green state) گفته می‌شود، حفظ شود و بتوان آن را سپس لعاب‌کاری و پخت کرد. بایندر جت سرامیک نیازمند تجهیزات تخصصی است و هر دستگاهی قادر به تولید این قطعات نیست.

با وجود اینکه سفال و سرامیک می‌توانند با این روش‌ها ساخته شوند، تجهیزات مورد نیاز بسیار گران هستند و معمولاً قیمت آن‌ها از پنج رقم شروع می‌شود. بنابراین این روش‌ها برای مصرف‌کننده عادی به‌صورت گسترده قابل دسترس نیستند.

مراحل پس از چاپ و کوره سفالگری

در چاپ اکستروژن که رایج‌ترین روش تولید سرامیک است، مراحل پس از شکل‌دهی قطعه اهمیت زیادی دارند. برای سیستم‌های اکستروژن که مستقیماً مواد سرامیکی را استفاده می‌کنند، قطعات ابتدا باید کاملاً خشک شوند که معمولاً یک تا دو هفته طول می‌کشد، بسته به اندازه و نوع ماده.

سپس قطعات خشک‌شده در کوره پخته می‌شوند، فرآیندی که به آن پخت بیسکوی (bisque firing) گفته می‌شود. در نهایت، لعاب روی آن‌ها اعمال می‌شود و قطعات در فرآیند پخت لعاب قرار می‌گیرند. با توجه به هزینه بالای کوره‌ها، بسیاری از افراد ترجیح می‌دهند مراحل پخت را به شرکت‌های تخصصی بسپارند. مراحل پخت سرامیک و سفال دیجیتال معمولاً مشابه فرآیندهای سنتی است و استفاده از کوره‌ها و لعاب‌های تخصصی ضروری نیست.

ایمنی غذایی در چاپ سرامیک

اگر هدف تولید قطعات مناسب برای تماس با غذا باشد، استفاده از لعاب ایمن برای غذا ضروری است. سطح قطعه باید صاف باشد تا از رشد باکتری جلوگیری شود. حتی اگر مواد اولیه سرامیکی ایمن باشند، شیارها و فرورفتگی‌های کوچک می‌توانند ایمنی را کاهش دهند. لعاب‌کاری نهایی قطعه، سطح مورد نیاز برای ایمنی غذایی را فراهم می‌کند، اما باید اطمینان حاصل شود که سطح کاملاً پوشانده شده و هیچ ترک یا شیار وجود ندارد.

کاربردهای چاپ سه‌بعدی سرامیک

گزینه‌های چاپگر برای چاپ سه‌بعدی سرامیک

چاپگرهای سه‌بعدی سرامیک و گل رس قادر هستند طیف وسیعی از مواد، از جمله گل کاولین، چینی، سنگ‌سفال و Terracotta را اکسترود کنند. بسته به نیاز و بودجه، گزینه‌های مختلفی برای چاپ آثار سرامیکی وجود دارد:

1. Eazao Zero

• یک چاپگر اکستروژن مقرون‌به‌صرفه که آماده چاپ مستقیم از جعبه است.
• قیمت: 899 دلار
• مناسب اکسترود انواع گل‌ها و مواد سرامیکی بدون نیاز به کمپرسور هوا، بنابراین برای استفاده رومیزی ایده‌آل است.
• حجم ساخت: 240 × 150 × 150 میلی‌متر
• ضخامت لایه: 1 تا 4 میلی‌متر
• نازل‌های اکستروژن: قطر 0.6 تا 1.5 میلی‌متر
• گزینه‌ای مناسب برای شروع تولید آثار سرامیکی شخصی و استفاده آموزشی یا هنری.
• برای تکمیل فرآیند تولید سفال، Eazao یک کوره برقی با قیمت 1.099 دلار نیز ارائه می‌دهد.

2. Delta Wasp 2040

• چاپگر گل رس حرفه‌ای با ربات دلتا و کناره‌های باز
• قیمت: حدود 500 دلار
• ارتفاع قطعه قابل چاپ: تا 40 سانتی‌متر
• امکان تعامل با قطعه در حال چاپ برای تغییر فرم و طراحی حین فرآیند
• قابلیت کار با انواع مخلوط‌های سرامیکی شامل چینی و سفال خاکی
• شرکت Wasp مخلوط گل سفال خاکی قرمز 12.5 کیلوگرمی را با قیمت 16 دلار ارائه می‌کند.
• گزینه‌ای مناسب برای هنرمندان و طراحان حرفه‌ای که نیاز به قطعات بلند و فرم‌دهی حین چاپ دارند.

نتیجه‌گیری کلی

انتخاب چاپگر مناسب برای چاپ سه‌بعدی سرامیک و گل رس به نوع ماده، اندازه قطعات و بودجه بستگی دارد. برای پروژه‌های رومیزی و آموزشی، دستگاه هایی مانند Eazao Zero گزینه‌ای اقتصادی و کارآمد هستند، در حالی که برای تولید آثار بلند، پیچیده و حرفه‌ای، Delta Wasp 2040 با امکان تعامل حین چاپ و سازگاری با انواع مخلوط‌های سرامیکی، انتخاب بهتری است.

چاپ سه‌بعدی سرامیک و گل رس، هنرمندان، مجسمه‌سازان و طراحان معماری را قادر می‌سازد آثار دقیق، پیچیده و منحصر به فرد خلق کنند که با روش‌های سنتی دشوار یا زمان‌بر هستند. با انتخاب چاپگر و مواد مناسب، می‌توان هم آثار هنری و دکوراتیو و هم قطعات کاربردی با کیفیت بالا تولید کرد.