تکنولوژی استریولیتوگرافی چیست؟

بهتر بود عنوان مقاله را تولید افزایشی با روش پلیمریزاسیون مخزنی انتخاب می کردیم ولی امروزه تکنولوژی های چاپ سه بعدی رزینی با نام تکنولوژی استریولیتوگرافی شناخته می شوند.
در حال حاضر این روش چاپ رزینی بیش از گذشته اهمیت پیدا کرده است.

پیش از ورود به این بحث ابتدا به خانواده تولید افزایشی می پردازیم. در تولید افزایشی قطعات به صورت لایه لایه بر روی یکدیگر شکل می گیرند.
حال آنکه با چه جنسی و از چه روشی تولید افزایشی انجام می شود مربوط به نوع تکنولوژی می باشد.

در تصویر زیر انواع این تکتولوژی ها رو می توانید ببینید.

همانطور که در تصویر می بینید 6 روش تولید افزایشی یا بهتر بگوییم 6 تکنولوژی چاپ سه بعدی وجود دارد. در بعضی از منابع تعداد گروهبندی یا عنوان متفاوت می باشد. محبوب ترین و اقتصادی ترین تکنولوژی، پرینت سه بعدی FDM می باشد که ماده اولیه آن فیلامنت رشته ای و سیستم تزریق یک اکسترودر حرارتی می باشد. این تکنولوژی در مقیاس رومیزی و صنعتی در دسترس می باشد.

1-Fused Deposition Melting

2-Vat Polymerization

3-Powder Bed Fusion

4-Material Jetting

5-Binder Jetting

6-Powder Bed Fusion

دومین تکنولوژی پرینت سه بعدی، تکنولوژی استریولیتوگرافی (Stereolithography) نام دارد که موضوع بحث این مقاله است. نام صحیح این روش پلیمریزاسیون مخزنی ((Vat Polymerization که از سه روش SLA ، DLP و MSLA (LCD) تشکیل شده است. در واقع نام چاپ استریولیتوگرافی به یکی از شاخه های گروه پلیمریزاسیون مخزنی گفته می شود و به اختصار SLA می گویند.

در مطالبی جداگانه به تشریح روش های چاپ رزینی (تکنولوژی استریولیتوگرافی)، تفاوت تکنولوژی های DLP و LCD و همچنین مقایسه دو تکنولوژی FDM و SLA پرداخته ایم که می توانید بر روی وبسایت آذرین تک ملاحظه فرمایید.

یکی دیگر از طبقه بندی های پرینتر سه بعدی بر اساس مواد مصرفی می باشد که در اینجا دسته بندی ها به نمایش درآمده است. مواد اولیه پرینتر سه بعدی می تواند یکی از گزینه های زیر باشد.

1. پلیمر رشته ای (Thermoplastic Polymer) که به نام فیلامنت مشهور است
2. فتوپلیمر (Thermoset Polymer) یا همان رزین UV
3. فلزات و ترکیبات آلیاژی پودری
4. پلاستیک پودری

در خانواده پلیمریزاسیون مخزنی سه روش مهم چاپ همراه با دو مکانیزم عملکردی داریم. در تصویر تفاوت این سه روش نشان داده شده است  و در جدول پایین تمام مشخصات فنی این سه تکنولوژی با هم مقایسه شده است.

تکنولوژی های تولید افزایشی در روش پلیمریزاسیون مخزنی

و اما مکانیزم حرکتی چیست؟

در انواع پرینتر سه بعدی رزینی - تکنولوژی استریولیتوگرافی)دو نوع مکانیزم حرکتی داریم. در واقع جهت حرکت صفحه کار و جهت تابش منبع نور دو عامل تعیین کننده در مکانیزم حرکتی می باشد.

به روشی که منبع نور از پایین به بالا تابیده می شود و صفحه کار با افزایش لایه گذاری به سمت بالا حرکت می کند Bottom-up می گویند. در این روش نور لیزر یا پروژکتور از پایین به رزین تابیده می شود و سپس صفحه کار به سمت بالا حرکت می کند تا لایه بعدی شکل بگیرد.  در حال حاضر این روش بسیار محبوب و اقتصادی می باشد و در همه مدل های رومیزی پرینتر سه بعدی مخصوصا در تکنولوژی Msla/LCD به کار می رود.

مکانیزم دیگر Top-Down نام دارد که در واقع اولین پرینتر سه بعدی رزینی از نوع SLA با این مکانیزم تولید شد. تابش نور از بالا بر سطح رزین انجام می شود و صفحه کار غوطور در رزین است که بعد از هر بار لایه گذاری سطح کار پایین تر می رود. این مکانیزم حرکتی در سری صنعتی پرینتر سه بعدی لیزری SLA بسیار محبوب است. از معایب این روش بالا بودن حجم رزین مصرفی و از محاسن امکان چاپ قطعات بزرگ می باشد.

حال به تشریح فرآیند چاپ یا همان پلیمریزاسیون در تکنولوژی استریولیتوگرافی می پردازیم. در این فرآیند به دنبال این هستیم تا با استفاده از نور فرابنفش UV ، رزین مایع حساس به نور را تغییر ماهیت دهیم. این تغییر به صورت لایه ای انجام می شود یعنی با هر بار تابش نور بر روی رزین یک لایه جامد با ضخامت بین 10 تا 100 میکرون ایجاد شود.

در این روش از رزین های پلاستیکی به عنوان مواد خام استفاده می‌شود. رزین های مایع کاربردی در این روند معمولاً از اپوکسی و یا ترکیبی از آکریلیک و متاکریلیک ساخته می‌شوند. زمانی که این مواد در معرض تابش فرابنفش قرار بگیرند با سرعت پیوند های مولکولی را با یکدیگر تشکیل می دهند و به یک ماده پلیمری جامد تبدیل می‌شود. چاپ سه بعدی با استفاده از رزین ها نوعی فرآیند افزودنی نیز می باشد این بدین معنی که فرآیند به صورت لایه لایه انجام خواهد گرفت و در واقع یک لایه نوعی پیوند مولکولی را با واحدهای و لایه های بعدی تشکیل می‌دهد و فرآیند یاد شد تا جایی ادامه پیدا می‌کند که مدل مورد نظر ساخته می شود.

DLP قدیمی ترین روش چاپ سه بعدی می باشد و روند انجام گیری آن از زمان توسعه آن یعنی در دهه ۸۰ میلادی هنوز تغییری نکرده و در آن نور تنظیم می‌شود و به سمت رزینهای مایع تابانده می‌شود و نقطه تابش نیز با استفاده از گالوانومتر آیینه ای کنترل می‌شود.

نور بر روی یک لایه از ماده رزین حرکت می‌کند تا زمانی که لایه به انتها می رسد و پس از آن یک لایه جدید انتخاب می شود تا در معرض اشعه فرابنفش قرار بگیرد. فناوری DLP نیز شباهت بسیار زیادی با مورد پیشین دارد با این تفاوت که کل لایه در یک زمان و با استفاده از آیینه های بسیار کوچکی در معرض اشعه قرار می‌گیرند و هر کدام از آنها می‌توانند چرخشی داشته باشند تا نقطه تابش اشعه فرابنفش را تغییر دهند.
اگرچه دسته ای جدید از این نوع چاپگر ها می توانند از نورهای ال ای دی استفاده کنند و به همین دلیل ارزان تر شده و نگهداری آنها نیز ساده تر صورت می گیرد.
در فناوری نامبرده شده می‌توان چاپ را به صورت فراز به فرود و یا برعکس انجام داد و تفاوت آینه در هر دو مورد محل دقیق منبع نوری می باشد. چاپگرهای که روند چاپ را از پایین به بالا انجام می دهند معمولاً بسیار ساده تر و ارزان تر هستند اما امکان تولید محصولات بسیار بزرگی از آنها وجود نخواهد داشت ولی گزینه مناسبی برای چاپ سه بعدی دسکتاپی و یا رومیزی میباشد.
برای مصارف حرفه ای انواعی از چاپگرها با روند چاپ فراز به فرود گزینه‌های مناسب تر هستند زیرا می توانند محصولاتی با اندازه بزرگتری را تولید نماید.
چاپ سه بعدی رزین ها با استفاده از هر دو روش به میزانی از فرآوری و یا فراوری پس از تولید نیاز دارد تا دوام بهینه ای برای این محصولات به وجود بیاید و این کار می تواند با استفاده از اتاق های اشعه فرابنفش و یا قرارگیری ماده نهایی در معرض نور خورشید به وجود آید.

 در روش سوم که پیش از این در جدول مقایسه ای توضیح داده شد نور LED به صفحه LCD تابیده می شود. این صفحه نقش تصویر سازی را برای نور بازی می کند. به این صورت که نقاطی که در تصویر هستند روشن و نقاطی که نباید چاپ شوند سیاه می شود.
در این روش نور به صورت گسترده و ثابت به صفحه تابیده می شود و LCD که مانند یک ماسک عمل می کند طبق تصویری که از قطعه دارد صفحه زیر رزین را خاموش و روشن می کند. این نوع از تکنولوژی به دلیل سرعت بالای چاپ و هزینه پایین بسیار محبوب است و با توجه به مکانیزم حرکتی از دقت بالایی برخوردار است و کمترین میزان رزین را مصرف می کند.

مزایای چاپ سه بعدی رزین ها

 رزولوشن بهتر:

مهم ترین دلیل انتخاب روش چاپ سه بعدی با رزین در سه پارامتر خلاصه می شود.

1. کیفیت سطح عالی
2. امکان چاپ جزئیات بیشتر
3. امکان چاپ قطعات ریزتر

راحت تر بگوییم هر آنچه با FDM نمی توانید چاپ کنید یا مطلوبتان نیست را با رزین امتحان کنید!

حال اگر پرینتر سه بعدی رزینی SLA باشد یعنی مجهز به لیزر خطی باشد که چه بهتر!

 سرعت چاپ مناسب:

در تکنولوژی های جدیدتر استریولیتوگرافی مانند روش MSLA/LCD به دلیل تابش مستقیم نور به صفحه کار ، عملیات پخت و لایه گذاری با سرعت بیشتری انجام می شود. در نتیجه فرآیند چاپ در زمان کمتری در مقایسه با روش FDM و حتی روش SLA با لیزر خطی انجام می شود.

تراکم بافت همسان:

در روش FDM بافت ماده بعد از چاپ ناهمسان است و ممکن است ویژگی های مکانیکی آنها در سه بعد مختلف با یکدیگر یکسان نباشند. نحوه فراوری باعث می‌شود تا چسبندگی لایه ای در چاپ رزینی با قدرت بسیار بیشتری صورت بگیرد و در نهایت  یکپارچگی بیشتری در تمامی ابعاد بدست می آید. البته این نکته را هم اضافه کنیم در اینجا از بالا یا پایین بودن خواص مکانیکی یا استحکام صحبت نمی کنیم ولی صرفا به نوع لایه گذاری اشاره کردیم.

 معایب چاپ سه بعدی رزین ها

قیمت بالاتر:

چاپ سه بعدی با استفاده از رزین ها در مقایسه با FDM گران تر است. یک بخش مربوط به هزینه دستگاه می باشد که پرینتر سه بعدی رزینی در مقیاس صنعتی بسیار گران است و بخش دیگر مربوط به رزین های تخصصی و خاص می باشد که قیمت هر گرم آن بسیار بالا هست.

در پرینتر سه بعدی SLA با مکانیزم حرکتی Top-Down فرآیند شروع چاپ به این شکل است که باید میزان قابل توجهی رزین را در داخل مخزن بریزید که این یعنی صرفه هزینه زیاد برای یک چاپ کوچک. در پرینتر های سه بعدی رزینی جدید مکانیزم حرکتی Bottom-Up می باشد یعنی صفحه کار بالا و عمود بر دستگاه هست و با کمترین میزان رزین می توانید فرآیند چاپ را انجام دهید.

در مقاله ای انواع مکانیزم حرکتی در پرینتر سه بعدی رزینی SLA و MSLA به تشریح توضیح داده شده است که می تواند در انتخاب صحیح پرینتر سه بعدی رزینی کمک کند.

عدم استفاده از مواد ترکیبی:

فیلامنت های پلی وینیل استات در چاپ FDM با قرار گیری در آب کاملاً از بین خواهد رفت. این یک مثال از تفاوت عمده فیلامنت و رزین هست!

امروزه رزین های متنوعی به چرخه چاپ استریولیتوگرافی اضافه شدند ولی بازهم تنوع رنگ و تغییرپذیری در فیلامنت با چاپ FDM بسیار بالاتر است و با رزین قابل مقایسه نیست. خبر خوب برای دوستداران محیط زیست این است که از جمله رزین های جدید می توان رزین PLA را نام برد که قابل تجزیه است.

محبوبیت کمتر:

پرینت سه بعدی رزینی با نام چاپ استریولیتوگرافی به عنوان اولین فناوری چاپ سه بعدی شناخته می شود ولی دلیلی بر کاربرد بیشتر و محبوبیت بالاتر نیست و در مقابل این پرینتر سه بعدی FDM است که به بالاترین میزان استفاده در عموم تبدیل شده است. پرینتر اکسترودری با فیلامنت مخاطبین بیشتری را علاقه مند به چاپ سه بعدی کرده و این موفقیت را می توان در راحتی استفاده ، ارزان بودن و آموزش سریع دانست. گزینه بعدی که این مهم را تضمین کرده ماده اولیه FDM است. جذابیت در تنوع فیلامنت مثلا فیلامنت هایی از پلی لاکتیک اسید  ، اکریلونیتریل بوتادین استایرن ها ، فیبر کربن و یا مواد پر شده با چوب مخاطبین بیشتری را به سمت FDM می کشاند.

در حال حاضر، پرینتر سه بعدی رزینی یا تکنولوژی استریولیتوگرافی در صنایع طلا سازی، مجسمه سازی و دندانسازی بیشتر کاربرد دارد و بهتر است به این تکنولوژی از بعد صنعتی نگاه کرد. سمعک، انگشتر، زیورآلات، نمونه سازی با جزئیات زیاد، مصارف پزشکی و دندانسازی و مجسمه بازار هدف این تکنولوژی می باشد.