پرینت سه بعدی چند ماده بطور همزمان

پخت لیزری انتخابی[۱] یا زینترینگ لیزری انتخابی، یکی از پرکاربردترین فرآیندهای ساخت افزایشی[۲] است، اما به چاپ با یک ماده واحد محدود می ­شود. مهندسان رباتیک رویکرد جدیدی برای غلبه بر این محدودیت پیشنهاد کرده ‌اند: با وارون کردن جهت تابش لیزر به گونه ­ای که به سمت بالا پیوند ایجاد کند، راهی برای استفاده از پخت لیزری انتخابی، به صورت هم زمان، از چند ماده ابداع شده ­است.

ساخت افزایشی یا چاپ سه بعدی، از فرآیندهای ساخت دیجیتال برای تولید قطعاتی استفاده می کند که سبک و قوی هستند و ابزار خاصی برای تولیدشان نیاز نیست. طی یک دهه گذشته، این حوزه رشدی شگفت ­انگیز و با سرعتی بیش از ۲۰٪ در سال را تجربه کرده است. ساخت قطعاتی از اجزای هواپیما و اتومبیل گرفته تا ایمپلنت های پزشکی و دندان که متفاوت از فلزات و پلیمرهای مهندسی هستند از جمله کاربردهای این فناوری ا­ست. مزایای متعدد این روش فرآیندهای LS را قادر ساخته تا زمینه های مختلفی از جمله صنایع دفاعی، زیست پزشکی و هوافضا را متحول سازد. یکی از پرکاربردترین فرآیندهای تولیدی در پخت لیزری انتخابی (SLS)، چاپ قطعات از پودرهای موادی در مقیاس میکرون با استفاده از لیزر است: لیزر این ذرات را تا جایی که به هم جوش بخورند، گرم می کند تا یک جسم جامد تشکیل شود.

فرآیندهای سنتی پخت لیزری با وجود کاربردهای گسترده در صنعت دارای معایب عمده ای هستند. همانطور که اشاره شد، مهمترین نقطه ضعف آن ها محدود بودن به یک ماده واحد است. دومین عیب آن ها را می توان بالا بودن ضایعات تولید شده عنوان کرد. بطور مثال فرآیندهای انتخاب لیزری برای تسهیل پخت ذرات به بستر پودری کامل احتیاج دارند که اغلب در دمای نزدیک به ذوب گرم می شود. این گرمایش محیط می تواند باعث ایجاد تغییرات شیمیایی و فیزیکی شود که اثر منفی بر پیش بینی ویژگی های مواد دارد، در نتیجه ذرات باقیمانده از بستر را یا باید دور ریخت و یا غیرقابل استفاده پنداشت.

هود لیپسون و سالی اسکاپا، استادان مهندسی مکانیک می گویند: “فناوری ساخت افزایشی راه حلی برای انعطاف پذیری اقتصادی است. همه ما به این فناوری که ناجی ماست اهمیت می دهیم. اما واقعیتی وجود دارد که در فناوری های پخت لیزری انتخابی کل قطعه باید فقط از یک پودر ساخته شود. اکنون بگذارید از شما بپرسم، چند محصول فقط از یک ماده ساخته می شود؟ لذا محدودیت های چاپ آن هم فقط با یک ماده باعث صدمه زدن به صنعت و مسدود شدن راه پیشرفت آن شده و از رسیدن به پتانسیل کاملش جلوگیری می کند.”

لیپسون و دانشجوی دکترای وی، جان وایتهد از تخصص خود در زمینه رباتیک استفاده کردند تا رویکرد جدیدی برای غلبه بر این محدودیت روش پخت لیزری انتخابی ایجاد کنند. آن ها با وارونه کردن جهت تابش لیزر به سمت بالا، راهی برای استفاده از روش پخت لیزری چندین ماده به صورت همزمان، ابداع کردند. نمونه اولیه تحقیقات آن ها که یک نمونه چاپی متشکل از دو ماده مختلف در یک لایه بود، در حوزه ساخت افزایشی در دسامبر ۲۰۲۰ رونمایی شد.

وایتهد، پژوهشگر و نویسنده اصلی این مطالعه می نویسد: “نتایج اولیه ما بسیار هیجان انگیز است، زیرا به آینده اشاره می کند؛ آن زمان که می توان اشیاء، از ابزارهای ساده گرفته تا سیستم های پیچیده مانند ربات ها را بدون نیاز به مونتاژ با فشار یک دکمه ساخت.”

پخت لیزری انتخابی مرسوم، جوش خوردن ذرات ماده با استفاده از تابش لیزر به سمت پایین روی یک بستر چاپی گرم شده می باشد. یک جسم جامد از پایین به بالا ساخته می شود، به این ترتیب که چاپگر یک لایه پودر یکنواخت را روی بستر قرار داده و با استفاده از لیزر برخی مواد موجود در لایه را برای پخت انتخاب می کند. سپس لایه دوم پودر را بر روی لایه اول قرار می دهد، لیزر مواد جدید را به مواد موجود در لایه قبلی جوش می ­دهد و این فرآیند تا زمان تکمیل قطعه تکرار می شود.

در این روش به محض اینکه لایه پودری روی بستر نشست، دیگر نمی توان آن را کند یا با پودر دیگری جایگزین کرد، لذا استفاده از چند ماده در یک چاپ بسیار چالش برانگیز است.

وایتهد همچنین عنوان می کند: “از آنجا که در یک چاپگر استاندارد، هر کدام از لایه های پی ‌در پی که در پایین قرار گرفته‌ اند یکدست هستند، تا زمانی ‌که لایه نهایی تشکیل نشود، وجود مواد جوش نخورده باعث می شود نمای قطعه چاپ شده تا انتهای کار مبهم باقی بماند. درست مثل خاکبرداری؛ تا زمانی که کاملاً خاک را از اطراف جسم دور نکنید نمی توانید مطمئن شوید که فسیل دست نخورده است یا خیر. این بدان معناست که تا زمانی ‌که طرح به طور کامل چاپ نشود، خرابی ­های چاپ نمایان نخواهد شد، بنابراین کوچکترین خطا منجر به اتلاف وقت و هزینه می ‎شود.”

محققان تصمیم گرفتند راهی برای رفع کامل نیاز به یک بستر پودری پیدا کنند. آن ها از چندین صفحه شیشه ای شفاف استفاده کردند که هر یک از آن ها با یک لایه نازک از پودر پلاستیک متفاوتی پوشانده شده بود. یک بستر چاپ را روی سطح بالایی یکی از پودرها پایین آوردند و پرتوی لیزر را از زیر صفحه و از طریق کف صفحه به سمت پودر هدایت کردند. این فرآیند به طور انتخابی مقداری پودر را بر روی بستر در یک الگوی از پیش تعیین شده مطابق با طرح مجازی می چسباند. سپس این بستر با مواد جوش خورده بالا می رود و به صفحه دیگری منتقل می شود که با پودر متفاوتی پوشانده شده است. این فرآیند اجازه می دهد تا چندین ماده یا در یک لایه واحد قرار بگیرند یا روی هم چیده شوند. ضمناً مواد اضافی را می توان با استفاده از دستگاه خلاء از روی صفحه قبلی برداشت و مجدد آن را پر کرد (شکل ۱).

شکل ۱- مروری بر فرآیند پخت معکوس: (a) عامل رهاساز (سبز) بر سطح بالایی شیشه توزیع می شود. (b) مواد استفاده نشده (خاکستری) بر روی عامل رهاساز توزیع و مازاد آن برداشته می شود. (c) صفحه ساختاری که بستر به آن وصل شده است (قرمز) روی سطح ماده قرار می گیرد (d) لیزر (آبی) به صورت الگوی از پیش تعیین شده از پایین صفحه تابانده می شود (e) صفحه ساخت با مواد جوش خورده شده برداشته می شود و مواد بلااستفاده را می توان دوباره پرکرد یا به یک صفحه شیشه ای دیگر منتقل کرد (f) این فرآیند با یک لایه جدید از مواد و عامل رهاساز تکرار می شود (g) نمونه چند ماده ای تولید شده با این فرآیند.

در مقاله ارائه شده، این تیم نمونه اولیه کار خود را با تولید نمونه ای ۵۰ لایه ای به ضخامت ۲٫۱۸ میلی متر از پودر پلی اورتان ترموپلاستیک (TPU) با متوسط ارتفاع لایه ۴۳٫۶ میکرون و یک نایلون چند ماده ای و چاپ با پلی اورتان ترموپلاستیک به ضخامت متوسط لایه ۷۱ میکرون ارائه کردند. این نتایج هم امکان ­سنجی فرآیند و هم توانایی قوی تر ساختن مواد متراکم را با فشار دادن صفحه بر روی قسمت چسبیده شده در حین پخت نشان می دهد (شکل۲).

شکل۲- نمونه پخت معکوس ۵۰ لایه ای (الف) نمای بالا (ب) نمای پایین (ج) نمای جانبی.

وایتهد پژوهشگر این طرح اذعان می کنند این فناوری قابلیت چاپ مدارهای تعبیه شده، قطعات الکترومکانیک و حتی قطعات ربات ها را دارد و می تواند قطعات دستگاه را با آلیاژهای درجه بندی شده تولید کند، بگونه ای که ترکیب مواد آن ها به تدریج از یک انتها به انتهای دیگر تغییر یابد. این روش ساخت قطعات پیچیده چند ماده ای بدون مونتاژ باعث گسترش صنایع شده و می تواند کلیدی برای حرکت صنعت ساخت افزایشی از چاپ قطعات یکدست منفعل، به سمت چاپ سیستم های یکپارچه فعال باشد.

محققان اکنون به منظور تولید مستقیم قطعات با طیف گسترده تری از خصوصیات مکانیکی، الکتریکی و شیمیایی نسبت به سیستم های معمولی پخت لیزری انتخابی امروزی، در حال تولید پودرهای فلزی و رزین هستند.

Sources: https://www.sciencedaily.com/releases/2020/07/200727145805.htm

https://www.photonics.com/Articles/Researchers_Turn_Laser_Sintering_on_Its_Head_to/a65992

Reference

1. John Whitehead, Hod Lipson. Inverted multi-material laser sintering. Additive Manufacturing, 2020; 36: 101440 DOI: ۱۰۱۶/j.addma.2020.101440

[۱] Selective Laser Sintering: SLS

[۲] Additive Manufacturing