در این مقاله، یادداشت‌های مختصر از پرینت سه بعدی کامپوزیت با استفاده از فرآیندهای اصلی چاپگرهای سه بعدی مانند لیزر انتخابی رسوبی و ذوبی، شکلدهی خالص لیزر مهندسی، ساخت قطعه لایه‌ای، استریولیتوگرافی، مدل‌سازی ته نشینی گداخته، و چاپ سه بعدی تهیه شده است.
در حال حاضر، تأکید بر روش شناسایی تشکیل کامپوزیت و گزارش استفاده از مواد مختلف است. همچنین در این مطالعه برخی ویژگی‌ها و خواص مکانیکی کامپوزیت‌های تولید شده به روش نمونه‌سازی سریع بررسی و با یکدیگر مقایسه شده‌اند. کاربرد پرینترهای سه بعدی در تولید کامپوزیت، روند رو به رشدی در صنایع پیشرفته دارد.
روش‌های نمونه‌سازی سریع در ابتدا روی مواد پلیمری متمرکز شده بود، اما بعد پلیمرها با استفاده از سرامیک، فلزات و کامپوزیت‌ها جایگزین شدند. کامپوزیت‌ها در نمونه‌سازی سریع، نه تنها برای تولید محصول مورد نظر بلکه برای تسهیل فرایند نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند. بیش از 25 روش نمونه‌سازی سریع وجود دارد که فقط برخی از آن‌ها برای تولید کامپوزیت مورد استفاده قرار می‌گیرند.
تکنیک‌های نمونه‌سازی سریع که عمدتاً در آن‌ها از کامپوزیت های پایه فایبری استفاده می‌شود، فرآیندهای استریولیتوگرافی، مدل‌سازی ته‌نشینی گداخته و ساخت قطعه لایه‌ای است. در تکنولوژی نمونه‌سازی سریع مبتنی بر پودر مانند تکنیک‌های لیزر انتخابی رسوبی و شکلدهی خالص لیزر مهندسی رسم لایه‌های صاف از ترکیب پودر و فایبر بسیار دشوار است.
استفاده از الیاف طولانی یا مداوم به جای الیاف کوتاه، به روش‌های ساخت قطعه لایه‌ای و استریولیتوگرافی محدود شده است. زیرا فرآیند ترکیب و یکپارچه شدن الیاف به سختی انجام می‌شود.
تولید رشته‌های الیاف تقویت شده قبل از استفاده از فرآیند مدل‌سازی رسوبی گداخته و ساخت قطعه لایه‌ای ضروری است که این امر مستلزم توسعه و فرمول‌بندی مواد کامپوزیت میباشد. در بخش بعد، بررسی روش‌های چاپگر سه بعدی در ساخت کامپوزیت‌ها انجام شده است.
دو دلیل عمده برای تولید کامپوزیت‌ها به روش رسوبی ذوبی وجود دارد:
در فرآیند لیزر انتخابی رسوبی، شکل 1 ، از لیزر دی اکسیدکربن با قدرت بالا برای مخلوط کردن ذرات با هم استفاده می‌شود. در شروع فرآیند طرح اولین لایه از جسم روی پودر ایجاد می‌شود و سطح ماده ذوب می‌گردد. به کمک غلتک یک لایه از پودر مجدد روی میز قرار می‌گیرد و لیزر دوباره اقدام به ذوب می‌کند. این روند تا ساخت قطعه نهایی ادامه می‌یابد. قطعه نهایی توسط حلال شستشو شده و در نهایت درون یک اجاق نور ماوراء بنفش قرار می‌گیرد.
شکل1 نمونه قطعه تولید شده به روش لیزر انتخابی رسوبی
از مزایای این روش عدم نیاز به نگهدارنده است. در حقیقت پودر ذوب نشده اطراف قطعه به عنوان نگهدارنده مورد نیاز قطعه عمل می‌کند و این امر باعث می‌شود که تکنولوژی لیزر انتخابی رسوبی بتواند هندسه‌های بسیار پیچیده و فرم‌های آزاد را تولید کند. چسبندگی بالا و خواص مکانیکی ایزوتروپیک از ویژگی‌های قطعه تولید شده با این روش میباشد.
فرآیند لیزر انتخابی ذوبی، که نمونه‌ی آن در شکل 2 مشاهده می‌شود، به صورت اختصاصی برای چاپ سه بعدی آلیاژهای فلزی توسعه یافته است. در این روش از یک پرتو لیزر قوی برای تشکیل قطعات سه بعدی استفاده می‌شود.
در طی فرآیند چاپ، پرتو لیزر، پودر فلزات مختلف را به وسیله ذوب با هم مخلوط می‌کند. تفاوت اصلی لیزر انتخابی ذوبی و رسوبی این است که در روش ذوبی، لیزر به طور کامل پودر را ذوب می‌کند؛ در حالی که در روش رسوبی تنها تا حدودی آن را ذوب می‌کند.
به طور کلی، محصولات نهایی لیزر انتخابی ذوبی تمایل دارند که قوی‌تر باشند. اجسامی که به این روش تولید می‌شوند در خطر پیچش و انحراف بیشتری قرار دارند. این به دلیل وجود حرارت بالا میباشد. به طور معمول از این نوع تکنولوژی چاپ برای قطعاتی که ساختار هندسی پیچیده و دیوارهای نازک دارند، استفاده می‌شود.
2- نمونه قطعه تولید شده به روش لیزر انتخابی ذوبی
جدول 1 مواد مورد استفاده در روش لیزر انتخابی رسوبی را نشان میدهد
| کامپوزیت‌ها | مواد تشکیل دهنده |
| کامپوزیت پایه فلزی | Fe, Graphite |
| کامپوزیت پایه فلزی | Diamond/ Graphite/Ti |
| کامپوزیت پایه فلزی | Ti, SiC |
| کامپوزیت پایه فلزی | AlSi, SiC |
| کامپوزیت پایه فلزی | AlMg, SiC |
| کامپوزیت پایه فلزی | Co, WC |
| کامپوزیت پایه پلیمری | Polycarbonate, Graphite |
| کامپوزیت پایه فلزی | Fe, SiC |
| کامپوزیت پایه سرامیکی | ZrO2, Y2O3, Al, Al2O3 |
| کامپوزیت پایه فلزی | Acrylic- styrene, SiO2 |
>> بیشتر بدانید: ساخت ساندویچ پانل با پرینتر سه بعدی
در فرآیند لیزر انتخابی ذوبی و رسوبی، کامپوزیت‌ها عمدتا با استفاده از سه روش ساخته شده‌اند:
این رایج‌ترین روش برای تلفیق کامپوزیت‌های پایه پلیمری است که شامل مکانیزم رسوب فاز مایع میباشد. در ساخت کامپوزیت‌ها پودرهای مختلف، تقویت کننده به شکل ذرات مورد استفاده قرار می‌گیرند؛ زیرا الیاف به عنوان تقویت کننده در هنگام تشکیل بستر پودر صاف مشکل ایجاد می‌کنند و در افزایش چگالی و قدرت نهایی مفید نیستند. به جای مخلوطی از یک پودر پلیمری و یک پودر تقویت کننده، میتوان از یک پودر کامپوزیت تک نیز استفاده کرد.
از واکنش‌های شیمیایی ناشی از لیزر به دو صورت میتوان استفاده کرد:
عملیات پسگرم مواد رسوبی لیزر در کوره راه دیگری برای تولید کامپوزیت است. این روش عمدتاً به دو صورت انجام شده است:
همانطور که در شکل 3 مشاهده می‌شود، این فرآیند نیز مانند تکنیک لیزر انتخابی رسوبی بر پایه‌ی لیزر و پودر استوار است. تفاوت اصلی در فرآیند رسوب و ته‌نشینی پودر است. فرآیند ساخت، شبیه لیزر انتخابی ذوبی با واکنش بین لیزر و پودر انجام می‌شود. قطعات با هندسه پیچیده و کاملاً یکپارچه تولید می‌شود. پرتو لیزر با استفاده از عدسی‌ها در نقطه خاص متمرکز شده و همزمان با فرآیند تابش لیزری و پاشش پودر، گاز آرگون به محل تابش پرتو لیزر تزریق می‌گردد تا اثرات منفی اکسیژن بر روی کیفیت اتصال ذرات کاهش یابد.
در فرایند شکلدهی خالص لیزر مهندسی با استفاده از پودرهای مختلف، گازهای بیاثر و نازل‌های متفاوت میتوان کامپوزیت تقویت شده، مواد مرکب تابعی با تحمل درجه حرارت مختلف را پدید آورد.
3- مکانیزم روش شکلدهی خالص لیزر مهندسی
جدول 2 عمده مواد مورد استفاده در روش شکلدهی خالص لیزر مهندسی
| کامپوزیت‌ها | مواد تشکیل دهنده |
| کامپوزیت پایه فلزی | Invar, TiC |
| مواد مرکب تابعی | Ti, TiC Ti/TiC |
| کامپوزیت پایه فلزی | Ti, MMC T |
| مواد مرکب تابعی | NiBSi, Cr3C2 |
| مواد مرکب تابعی | NiBSi, WC-Co |
| کامپوزیت پایه فلزی | Ti-48Al-2Cr-2Nb, TiC |
| کامپوزیت پایه فلزی | WC-Co MMC |
ساخت کامپوزیت در فرایند ساخت قطعه لایه‌ای بطور مستقیم به توسعه ورقه‌های کامپوزیت بستگی دارد. این روش منحصر به فرد است؛ به این معنی که لایه‌های محصول را میتوان با ورقه‌های ساخته شده از ترکیب مواد مختلف برای ایجاد کامپوزیت‌های متنوع به کار گرفت.
ساخت قطعه لایه‌ای، شکل 4، یک فرایند نمونه‌سازی سریع است که با ترکیب کردن یا لمین کردن لایه های پلاستیکی یا کاغذ، با استفاده از حرارت و فشار کار می‌کند. یک تیغه یا لیزر تحت کنترل کامپیوتر ارتفاع شکل را کنترل می‌کند. هنگامی که هر لایه چاپی تکمیل می‌شود، پلتفرم در حدود یک شانزدهم اینچ، پایین می‌رود و برای لایه بعدی آماده می‌شود.
سپس پرینتر سه بعدی یک ورقه جدید از مواد را در زیر بستر قرار میدهد که در آن از یک غلتک گرم استفاده شده است. این فرایند اساسی به مرور زمان ادامه می‌یابد تا قسمت سه بعدی کامل شود.
4- مکانیزم شماتیک مکانیزم ساخت قطعه لایه‌ای
به منظور ساخت کامپوزیت توسط استریولیتوگرافی، یک پلیمر با ذرات یا الیاف مخلوط می‌شود و خواص مکانیکی بهبود می‌یابد. تقویت کنند‌ه‌ی ذرات باعث افزایش ویسکوزیته‌ی فوم پلیمر می‌شود و در نتیجه فرآیند پوشش لایه‌های جدید را پیچیده می‌کند. این روش یک فناوری بر پایه‌ی لیزر ماوراء بنفش میباشد که با رزین فوتوپلیمر کار می‌کند؛ پلیمرهای مایع (یک نوع خاص از پلاستیک) با پرتو لیزر واکنش نشان میدهد و به طریق بسیار دقیقی شکل جامد را ایجاد می‌کند.
جدول 3- عمده مواد مورد استفاده در تکنولوژی استریولیتوگرافی
| مواد تشکیل دهنده |
| Carbon fibre, bisphenol A-epoxy, hydroxycyclohexyl |
| phenyl ketone, lauroyl peroxide |
| Glass fibre, acrylic-based polymer |
| E-glass fibre, epoxy-based resin |
| E-glass fibre, acrylic-based resin |
| Carbon fibre, acrylic-based resin |
| Aramid, acrylic-based resin |
>> بیشتر بدانید: چاپ سه بعدی بتن
همانطور که در شکل 5 مشاهده می‌شود، از پایین‌ترین لایه به وسیله گرم کردن فیلامنت ترموپلاستیک تولید می‌شود.
| کامپوزیت‌ها | مواد تشکیل دهنده |
| Fe/Nylon | Fe, Nylon Fe/Nylon |
| Al/Alumina | Al, Alumina |
| For piezoelectric | Ceramic, Polymer |
کاربر باید اطلاعات مدل سه بعدی را به چندین لایه با استفاده از نرم افزار ویژه تقسیم کند. سپس چاپگر به ماده ترموپلاستیک تا نقطه ذوب آن حرارت داده و توسط نازل آن را در محل مورد نظر اکسترود می‌کند. این کار به سادگی با حرارت دادن و سپس اکسترود کردن رشته‌های گرمانرم از طریق نازل و بر روی پایه انجام می‌شود.
کامپیوتر ابعاد قطعه را با مختصات Z ,Y ,X محاسبه و نازل را به مختصات مورد نظر هدایت می‌کند. مواد اضافی با قرار گرفتن در مواد شوینده از آن جدا می‌شوند.
5- شماتیک روش مدل سازی ته نشینی گداخته
فرآیند پرینت سه بعدی یک روش تولید سریع مبتنی بر پودر است که در آن یک پوشش پلیمری بر روی لایه‌های پودر، قبل از رسوب قرار می‌گیرد.
کامپوزیت‌ها میتوانند با تغییر یک جزء مخلوط پودر ساخته شوند؛ در صورتی که با نوار پلیمر پیوسته، سازگار باشد. در اینجا منظور از سازگاری این است که پودر و محلول شیمیایی با پلیمر واکنش نشان ندهد.
| کامپوزیت‌ها | مواد تشکیل دهنده |
| TiC/Ti–Cu | C, Ti–Cu alloy |
| WC/Co | 2 WC, Co3O4 |
| Steel/bronze | 3 Steel, bronze |
پرینت سه بعدی یک فرصت منحصر به فرد برای کنترل ترکیب مواد است که می‌تواند محصول را با پاشش سریع مواد مختلف از نازل‌های متنوع تولید کند.
بررسی خواص مکانیکی کامپوزیت اسید پلی لاکتیک تقویت شده، تولید به روش مدل‌سازی ته‌نشینی گداخته کامپوزیت اسید پلی لاکتیک تقویت شده با فیبر کربن مستمر به وسیله روش نمونه‌سازی سریع ساخته شده است. به منظور تحلیل بهبود این روش جدید، آزمایش‌های مقایسه‌ی نمونه‌های ساخته شده فیبر کربن به روش پرینت سه بعدی و بدون آن، انجام گرفت.
خواص مکانیکی و ترمودینامیکی با استفاده از دستگاه تست الکترونیکی و آنالیز مکانیکی دینامیکی اندازهگیری شد. روش‌های جدید کنترل نازل و مسیریابی برای برآوردن نیازهای چاپ فیبر کربن طراحی شده است.
همانطور که در شکل 6 مشاهده می‌شود، از طریق آزمایش و تجزیه و تحلیل، فیبر کربن پیش فرآیند شده با اسید پلیلاکتیک می‌تواند به طور مؤثر استحکام میان فیبر کربن و رزین را افزایش دهد.
6- نمودار مقایسه کامپوزیت اسید پلیلاکتیک تقویت شده و بدون الیاف تقویتی
کامپوزیت‌های پیوسته الیاف کربن تقویت شده ترموستی به طور گسترده‌ای در هواشناسی و فضانوردی به علت استحکام ویژه بالا، سختی ویژه بالا، همچنین مقاومت در برابر سایش، عملکرد خستگی خوب و مقاومت در برابر خوردگی مورد استفاده قرار می‌گیرند. با این حال، هزینه بالای تولید این مواد، کاربرد آن‌ها را در صنایع خودرو و مصرف محصولات صنعتی محدود می‌کند.
در این مطالعه، یک پلتفرم پرینت سه بعدی به منظور ساخت کامپوزیت الیاف پیوسته کربنی تقویت شده ترموستی، همچنین برای کامپوزیت لایه‌ای و کامپوزیت با ساختار دانه‌ای مورد استفاده قرار گرفت. طرح‌هایی برای چاپ لامینا، لانه زنبوری و شبکه‌ای که برای تهیه کامپوزیت‌های مورد استفاده قرار می‌گیرد، به ترتیب b، c، a در شکل 7 نشان داده شده است.
7- نمونه طرح مختلف چاپ شده
کامپوزیت ترموستی الیاف پیوسته کربن تقویت شده از نظر ترکیبات شیمیایی به علت واکنش‌های شیمیایی رخ داده در فصل مشترک الیاف و ماتریس به کامپوزیت ترموپلاستیک شبیه می‌باشند. همانطور که در شکل 9 آمده است، تعدادی از آزمون‌های انتخاب شده برای ارزیابی خواص مکانیکی کامپوزیت ترموستی الیاف پیوسته کربن تقویت شده تولید شده با پرینتر سه بعدی تست کشش و آزمون خمش سه نقطه میباشد. ابعاد نمونه‌های آزمایش شده، شکل 8 ،250 × 25 × 3 میلیمتر بود.
8- نمونه قطعات جهت آزمایش
9- دستگاه تجربی برای آزمون‌های خمشی کششی و سه نقطه‌ای لامینا کامپوزیت چاپ شده
گیج‌های کرنش و طیف سنج تصویر دیجیتال، اندازه‌ی کرنش در نمونه‌ها را در طول آزمون اندازهگیری کرد. برای نشان دادن تکرارپذیری، 5 نمونه جداگانه برای هر کدام استفاده شد. این مقایسه در شکل 10 نشان داده شده است.
10- مقایسه تنش نمونه‌ها
کامپوزیت لایه‌ای و کامپوزیت شبکه‌ای و همچنین مهره‌ای و لانه زنبوری با استفاده از روش فوق، بر اساس پلتفرم چاپ سه بعدی ساخته شده است. مسیر سر چاپگر برای ساختارهای کامپوزیت‌های ترموست تقویت شده طراحی و بهینه شده است تا پرینت سه بعدی الیاف کربن پیوسته را تولید کند و در نتیجه راندمان بیشتری از تکنیک‌های تولید متعارف دارد.
استحکام کششی و مدول الاستیک کامپوزیت‌های تقویت شده ترموست در نتایج 792.8 MPa و 161.4 GPa علاوه بر این استحکام خمشی و مدول الاستیسیته به ترتیب 202.0 MPa و 143.9 MPa به دست آمد.
خواص مکانیکی این کامپوزیت‌های ترموست چاپ شده‌ی جدید بهتر از کامپوزیت‌های ترموپلاستیک تقویت شده کربن کوتاه با روش مشابه پرینت سه بعدی میباشد.
در این قسمت کامپوزیت‌های تقویت شده کربن، کولار و شیشه‌ای که با تکنیک پرینت سه بعدی مدل‌سازی ته‌نشینی گداخته تولید شده‌اند و تصویر آن‌ها در شکل 12 آورده شده، مورد بررسی قرار گرفتند. این کامپوزیت‌های نایلونی با استفاده از سیستم چاپ علامت گذاری شده ، شکل 11، ساخته شده‌اند.
11- تصویر دستگاه چاپ مدل سازی ته نشینی گداخته
در مکانیسم مکانیکی کامپوزیت‌ها، هر دو در استحکام خمشی و کششی مورد بررسی قرار گرفت، که نتایج آن را در شکل 13 مشاهده می‌کنید. تأثیر جهت گیری فیبر، نوع فیبر و درصد حجمی بر خواص مکانیکی نیز مورد بررسی قرار گرفت.
نتایج به دست آمده از نمونه‌های شاهد نایلون تقویت نشده و اطلاعات پیشین مربوط به مواد و الیاف مورد بررسی، شکل 12، نشان داد قطعاتی که با استفاده از فیبر کربن ساخته شده‌اند، بزرگترین افزایش مقاومت مکانیکی را به دست آورده‌اند.
مقادیر استحکام کششی آن تا 6.3 برابر بیشتر از پلیمر نایلون تقویت نشده، بود. با افزایش میزان مقدار کربن و الیاف شیشه، سطح ورود هوا به ماتریس کامپوزیت نیز افزایش می‌یابد که بر عملکرد مکانیکی تأثیر می‌گذارد. در نتیجه، حداکثر کارایی در مقاومت کششی در نمونه شیشه‌ای به محتوای الیاف نزدیک به 18 درصد، با محتوای الیاف بالاتر (تا 33 درصد)، تنها افزایش جزئی در قدرت مشاهده شد.
12- نمونه‌هایی از الگوهای تقویت فیبر مورد استفاده در مطالعه. از چپ به راست، نایلون، کربن A ،کولار B ،کولار A، شیشهA ، شیشه B( توجه داشته باشید A الگوی متمرکز و B الگوی ایزوتروپیک است)
13- ( سمت چپ) عکس‌هایی که شکست نمونه در منطقه‌ی شانه در طول آزمایش کششی را نشان میدهد. (سمت راست) یک نمونه‌ی کششی ایزوتروپیک همگن را نشان میدهد که تنش‌های فشاری در سایت‌های شکست وجود دارد.
این بررسی نشان داد که مواد تولید شده به روش مدل‌سازی ته‌نشینی گداخته، استحکام کششی بیشتری نسبت به آلومینیوم دارد. همچنین در بررسی و مقایسه استحکام کششی الیاف تقویت شده برای کامپوزیت‌های نایلونی دیده می‌شود که الیاف کولار در مقایسه با الیاف شیشه و سپس الیاف کربن دارای خواص مکانیکی بالاتری هستند.
برخی از نتایج این مطالعه به صورت نمودار، تصویر و یا جداول در قسمت‌های قبل آمده است. همچنین برخی از روش‌های پرکاربرد پرینترهای سه بعدی با مواد مورد نیاز ارائه گردید. ساخت قطعات با هندسه پیچیده، بدون نیاز به مراحلی همچون ماهیچه‌سازی در ریخته‌گری از مزایای این تکنولوژی میباشد؛ اما امکان ایجاد لبه‌های تیز در حد قابلیت ماشینکاری فلزات وجود ندارد.
واقعیت این است که استفاده از چاپگرهای سه بعدی به طور فزآینده ای برای تولید قطعات در تعداد کم گسترش یافته است.
همچنین توسعه و پیشرفت تولید مواد افزودنی باعث افزایش خواص مکانیکی محصولات پرینتر های سه بعدی شده است؛ به طور مثال، اضافه کردن الیاف کربن به پلاستیک‌ها و ترموپلاست‌ها موجب افزایش استحکام محصول می‌شود.
مزایای منحصر به فرد کامپوزیت‌های سازگار با محیط زیست مانند عدم نیاز به عمل جراحی دوم برای بیرون آوردن ایمپلنت پس از بهبودی و احتمال کمتر عدم توازن خواص مکانیکی بین استخوان‌ها و ایمپلنت باعث گسترش تکنولوژی پرینترهای سه بعدی در پزشکی خواهد شد.
<< 3dRD بزرگترین و تخصصی ترین تولید کننده پرینتر های سه بعدی در ایران >>
1 P.kumar, j-p.kruth, Composites by rapid prototyping technology. Materials and Design 31 (2010) 850–856.
[5] Andrew N. Dickson, James N. Barry, Kevin A. McDonnell, Denis P. Dowling. Fabrication of continuous carbon, glass and Kevlar fibrereinforcedpolymer composites using additive manufacturing. Additive Manufacturing 16 (2017) 146–152
دانلود PDF این مطلب: Download PDF
3 دیدگاه. ارسال دیدگاه جدید
این پست عالی بود ممنونم از توضیح کاملتون 🤩🤩
سلام سرعت پرینت با فیلامنت چقدر هست اصلاً چطوری محاسبه میشه؟
سلام، زمان ساخت قطعه به ابعاد و جزییات طرح بستگی داره
هرچه قطعه بزرگتر و ظرافت بیشتر :تایم ساخت بیشتر
هرچه قطعه کوچکتر و ظرافت کمتر : تایم ساخت کمتر
اما بطور مثال : یک گلدان بیست سانتی ساده ، حدود ۳۰ دقیقه زمان می‌بره
پستهای اخرمون رو کامل ببینید بهتر متوجه میشد