چاپگر سه بعدی استریولیتوگرافی چیست؟ چطور کار می کند؟ اسمش از کجا آمده است؟ در این مقاله به همۀ این پرسش ها خواهیم پرداخت.
اصول اولیه فناوری SLA 3D Print
استریولیتوگرافی، که معمولاً با نام اختصاری SLA شناخته می شود، یکی از رایج ترین و گسترده ترین تکنیکها در دنیای تولید افزایشی است. در این روش یک لیزر قدرتمند به رزین مایع که در مخزنی قرار دارد می تابد تا آن را سخت کرده و به شکل سه بعدی دلخواد دربیاورد. به طور خلاصه، این فرایند با استفاده از یک لیزر، مایع حساس به نور را به صورت لایه به لایه تبدیل به پلاستیک جامد سه بعدی می کند.
تکنیک SLA یکی از سه فناوری اصلی در چاپ سه بعدی است که در کنار دو فناوری دیگر به نام های fused deposition modeling: FDM و selective laser sintering: SLS قرار می گیرد. فناوری SLA جزو چاپ های رزینی محسوب می شود. تکنیک مشابهی که معمولاً با SLA در یک دسته قرار می گیرد digital light processingیا DLP نام دارد. فناوری DLPدر واقع نوع تکامل یافتۀ SLA است که در آن به جای لیزر از صفحۀ پروژکتور استفاده می شود.
تاریخچه
فناوری چاپ سه بعدی SLA با این که محبوبیت کمتری نسبت به فناوری FDMدارد، اما در واقع قدیمی ترین تکنیک تولید افزایشی محسوب می شود.
این فناوری و نامش در سال 1986 توسط «چاک هال»، بنیانگذار شرکت چاپ سه بعدی 3D Systems، به وجود آمد. به گفتۀ او، SLA روشی برای ایجاد اجسام سه بعدی است که از طریق چاپ موفقیت آمیز لایه ها انجام میشود، لایه های متریالی که به نور حساس است.
در سال 1992، شرکت 3D Systems اولین دستگاه SLA جهان را تولید کرد؛ این دستگاه امکان ساخت قطعات پیچیده را به صورت لایه به لایه در کمتر از زمان معمول فراهم کرد. فناوری SLA اولین گام به سمت نمونه سازی سریع در دهۀ 1980 بود و همچنان به پیشرفت خود به عنوان یک فناوری پرکاربرد ادامه می دهد.
اجزای پرینترهای سه بعدی SLA
هر پرینتر سه بعدی SLA استاندارد به طور معمول از چهار بخش اصلی تشکیل شده است:
· یک مخرن پُر از فتوپلیمر مایع: رزین مایع معمولاً یک پلاستیک مایع و شفاف است
· یک سکوی سوراخ‌دار غوطه‌ور در مخزن: این سکو در پایین مخزن قرار دارد و بنا بر فرایند چاپ می تواند به بالا و پایین حرکت کند.
· یک لیزر ماوراء بنفش پرقدرت
· یک رابط کاربری کامپیوتری (بنام اسلایسر Slicer)، که هم سیستم عامل و هم حرکت لیزر را مدیریت میکند
چطور کار می کند؟
نرم افزار
همانطور که در اغلب فرایندهای تولید افزایشی معمول است، اولین مرحله شامل طراحی یک مدل سه بعدی به وسیلۀ نرم افزار CAD است. فایل های CAD در حقیقت شکل دیجیتالی شیء مورد نظر هستند.
فایل های CAD باید به فایلهای STL تبدیل شوند. فرمت Standard tessellation language یا Standard triangle language که به اختصار STL نامیده می شود، یک فرمت کامپیوتری مربوط به نرم افزار استریولیتوگرافی است که توسط گروه مشاورۀ Albert در سال 1987 به طور خاص برای سیستم های سه بعدی ساخته شده است. فایل STL هندسۀ سطح شیء سه بعدی را توصیف می کند اما اطلاعاتی در مورد ویژگی های متداول دیگر مانند رنگ و بافت ارائه نمی دهد.
مرحلۀ پیش از چاپ این است که باید فایل STL را در یک نرم افزار اسلایسر سه بعدی بارگذاری کرد. چنین پلتفرمهایی وظیفۀ تولید فرمت فایل G-Code را به عهده دارند؛ جی‌کد زبان مادری پرینترهای سه بعدی و دستگاههای CNC محسوب می شود.
چاپ سه بعدی SLA
با شروع فرایند، لیزر اولین لایۀ پرینت را در رزین حساس به نور «ترسیم» می کند. محل برخورد لیزر با رزین مایع، سفت و جامد می شود. لیزر توسط یک آینۀ تحت کنترل کامپیوتر به سمت مختصات درست هدایت می شود.
در این مرحله، لازم به ذکر است که اکثر پرینترهای سه بعدی رومیزی SLA بصورت وارونه کار می کنند. یعنی لیزر بالای سکوی ساخت را هدف می گیرد که این سکو از پایین شروع می کند و به تدریج بالا می آید.
پس از چاپ اولین لایه، سکو با توجه به ضخامت لایه (معمولاً حدود 0.1 میلیمتر) بالا می آید و به رزین اضافی اجازه می دهد تا زیر قسمت چاپ شده جریان یابد. سپس لیزر سطح مقطع بعدی را سخت و جامد می کند و این روند تا ساخته شدن کل قطعه تکرار می شود. رزینی که توسط لیزر لمس نمی شود در مخزن باقی می ماند و قابل استفادۀ مجدد است.
پرداخت نهایی
پس از اتمام پلیمریزاسیون متریال، سکو از بالای مخزن بیرون می آید و رزین اضافی تخلیه می شود. در پایان فرایند، مدل از روی سکو برداشته شده و رزین اضافی از روی آن شسته می شود و سپس جهت پرداخت نهایی داخل یک فر UV قرار می گیرد. پرداخت نهایی باعث دستیابی قطعات به بالاترین حد ممکن از استحکام و پایداری می شود.
فرایند جایگزین: Digital Light Processing
همانطور که قبلاً هم اشاره کردیم، یکی از فرزندان خلف SLA، فناوری Digital light processingیا همان DLPاست. برخلاف SLA، فناوری DLPاز یک صفحه نمایش پروژکتور دیجیتال استفاده می کند تا تصویر جداگانۀ هر لایه را روی سکو بتاباند. از آنجا که پروژکتور یک صفحه نمایش دیجیتال است، هر لایه از پیکسل های مربعی تشکیل می شود. بنابراین، وضوح پرینترهای DLP با اندازۀ پیکسل ها مطابقت دارد؛ در حالی که در فناوری SLAاندازۀ نقطۀ لیزر اهمیت دارد.
معایب و مزایای فناوری SLA
مزایا
· فناوری SLAیکی از دقیقترین تکنیکهای پرینت سه بعدی موجود در بازار است.
· نمونه سازی با کیفیت بسیار بالا انجام می شود و جزئیات نهایی قطعه (دیواره های نازک، گوشه های تیز و غیره) و اشکال هندسی پیچیده بسیار دقیق چاپ می شوند. ضخامت لایه می تواند به نازکی 25 میکرومتر و حداقل اندازۀ جزئیاتِ قطعه می تواند بین 50 تا 250 میکرومتر باشد.
· فناوری SLA بسته ترین تلرانس ابعادی را در بین انواع نمونه سازی های سریع یا فناوریهای تولید افزایشی دارد: 0.005+/- اینچ (0.127 میلیمتر) برای اینچ ابتدایی و 0.002 اینچ اضافی (0.05 میلیمتر) برای هر اینچ بعدی.
· سطح نهایی پرینت صاف و صیقلی است.
· حجم ساخت می تواند به بزرگی 50 x 50 x 60 سانتیمتر مکعب باشد، بدون این که دقت کار از بین برود.
معایب
· فرایند چاپ نسبتا طولانی است (البته سریعتر از فناوری ترموپلاستیک FDM میباشد).
· برای تولید شیبهای تند و بخشهای آویزان باید از ساختارهای ساپورت استفاده کرد. چنین قطعاتی ممکن است در طول چاپ یا مرحلۀ پرداخت خراب شوند.
· رزین ها نسبتاً شکننده هستند و در نتیجه برای نمونه های کاربردی یا آزمایش مکانیکی مناسب نیستند.
· فناوری SLA از نظر انتخاب متریال و رنگ نسبتا محدود هستند و معمولاً فقط متریال مشکی، سفید، خاکستری و شفاف وجود دارد. رزین ها اغلب اختصاصی هستند و بنابراین جابجایی آنها بین پرینترهایی با برندهای مختلف دشوار است.
· هزینۀ چاپ در ایران و اکثر کشورها زیاد است (مثلاً هزینۀ دستگاه، متریال و محیط آزمایشگاهی).
مقایسه فناوری SLA با FDM:
در FDM، ترموپلاستیک (فیلامنت) از طریق یک اکسترودر داغ تغذیه شده و لایه به لایه دپوزیت می شود. متریال مورد استفاده اغلب ترموپلاستیک هستند اما می توانند با عتاصر دیگری مانند چوب، فلز و فیبرکربن ترکیب شوند. این یک مزیت نسبت به SLA است که انتخاب متریال محدودی دارد.
در حالی که وضوح FDM به دقت موتورها و ساختار محورهای حرکتی مربوط است، وضوح SLA به قدرت پرتو لیزر بستگی دارد؛ به همین دلیل SLA قادر به تولید قطعات با جزئیات و دقت بالاتر است.
قطعه ای که با استفاده از پرینتر سه بعدی FDM چاپ شده، با حذف کردن ساپورت ها (در صورت وجود) و صیقلی کردن سطوح، پرداخت نهایی می شود. در SLA قطعات چاپی را در الکل ایزوپروپیل غوطه‌ور می کنند، تا پیش از قرار گرفتن در معرض نور UV جهت تقویت استحکام، رزین های اضافی از روی آن پاک شود. با این وجود، استحکام و قدرت قطعۀ نهایی اغلب کمتر از محصولات FDM است.
هزینۀ چاپ برای FDM بسیار کمتر است، زیرا پرینترهای سه بعدی متریال ترموپلاستیک مقرون به صرفه‌تر هستند و هر رول فیلامنت پلاستیکی از رزین ارزان تر، سازگارتر و در دسترس تر است. همین امر باعث شده FDM در ایران بسیار محبوب باشد.
به طور خلاصه، اگر قطعه شما بسیار کوچک است و دقت و سطح نهایی بسیار صاف و صیقلی اولویت شما باشد، SLA بهترین گزینه خواهد بود؛ اگر قطعات نسبتا کوچک تا بزرگ دارید و هزینه و دوام قطعه برای شما مهمتر میباشد، بهتر است از پرینترهای سه بعدی FDM استفاده کنید.
فناوری SLA در مقابل SLS:
فناوری Selective laser sintering یا SLS رویکردی کاملاً متفاوت است؛ چون متریال ساخت، پودر فلز و پلیمرها میباشد، هرچند در این تکنیک هم از لیزر استفاده می شود.
اگرچه این فناوری هم از لیزر بهره می برد اما بسیار قدرتمندتر هم هست؛ به این دلیل که پرتو لیزر، به جای پرداخت مواد، به یک پودر می تابد تا جایی که ذرات پودر به هم می پیوندند. فناوری های Direct metal laser sintering (DMLS)و Selective laser melting (SLM) معمولاً با SLS در یک گروه قرار می گیرند، که البته آن دو فناوری با فلزات کار می کنند. فناوری معمول SLSبا پلیمرهایی مانند نایلون کار هم می کند که همگی متریالی بسیار مقاوم در صنعت محسوب میگردند.
در مقایسه با قطعات تولید شده توسط فناوریهای 3D Print دیگر، پرینت های SLS بخصوص قوی و بادوام هستند. همچنین، از آنجا که استفاده از ساختارهای ساپورت در SLS ضروری نیست، هندسه های پیچیده قابل چاپ هستند. دقت جزئیات در SLS نسبتاً بالا است اما به طور کلی نمی تواند با دقت SLA رقابت کند.
دستگاه های SLS به دلیل استفاده از لیزرهای بسیار قدرتمند دارای فناوری پیشرفته تری هستند، از جمله محافظ ویژه ای در برابر اشعۀ مضر ماوراءبنفش دارند. این امر باعث گرانی این پرینترها می شود (و بجهت کاربرد استراتژیک در مهندسی معکوس، امکان وارد کردن این دستگاهها به ایران بسیار مشکل میباشد چون کشور ما برای این موارد تحریم شده است)؛ همچنین تاکنون دستگاه های رومیزی از این فناوری موجود نشده و منحصرا ساختار و اپراتوری صنعتی دارند.
علاوه بر این، پودرهای SLS گران تر از فتوپلیمرهای مایع رزین می باشند.
به طور خلاصه، اگر استحکام مکانیکی بالا و شکل های هندسی پیچیده برای شما اولویت دارد و هزینه مسئلۀ شما نیست، از پرینتر سه بعدی SLS استفاده کنید. در غیر این صورت، احتمالاً SLA بهترین انتخاب برای شما خواهد بود.
حرف نهایی
هرچند تکنیک چاپ سه بعدی استریولیتوگرافی اولین فرایند توسعه یافته جهت نمونه سازی سریع است و در بین تکنیک های 3D Print، قدیمیترین محسوب می شود؛ اما همچنان روشی جذاب و قابل توجه برای تولید نمونههای اولیه با دقت و ماندگاری بالا است. بسیاری از صنایع و علاقمندان از این فرایند برای ساخت نمونه های اولیه و همچنین محصولات نهایی استفاده می کنند و این فناوری در آینده ارزان تر و قابل دسترس تر خواهد شد.
منبع: پرینترهای سه بعدی 3DPE
