پیش‌نویس:پرینت سه بعدی چند ماده
پرینت سه بعدی چند ماده‌ای [۱] روش تولید افزودنی است که در آن از چند ماده به صورت همزمان برای ساخت یک شی استفاده میشود. شبیه به تولید مواد افزودنی منفرد، می‌توان آن را از طریق روش‌هایی مانند FFF ، SLA و Inkjet (جت کردن مواد) پرینت سه بعدی محقق کرد. با گسترش فضای طراحی به ماده های مختلف، امکان ایجاد اشیا به کمک پرینت سه بعدی با رنگ‌های متنوع و یا با خاصیت های مواد مختلف مانند کشش یا حلالیت ایجاد میشود. نخستین پرینتر سه بعدی چند متری Fab@Home در سال 2006 در دسترس عموم قرار گرفت. این مفهوم به سرعت در صنعت استفاده شد و بعداز آن توسط تعداد زیادی از پرینترهای سه بعدی چند متری مصرف کننده استفاده شد.
فن آوری‌های چاپ سه بعدی چند ماده ای
[ویرایش]ساخت فیلامنت ذوب شده (FFF)
[ویرایش]
ساخت فیلامنت ذوب شده ( که همچنین از آن به عنوان مدل سازی رسوب ذوب شده - FDM یاد می شود) فرآیند اکستروژن مداوم یک خط از مواد ترموپلاستیک برای شکل دادن یک مدل سه بعدی را شرح میدهد. [۲] فرآیند FFF انواع مواد از مواد زیست تخریب پذیر مانند PLA تا PETG ، ABS و همچنین مواد مهندسی مانند PEEK را پشتیبانی می‌کند. این فناوری افزون بر این امکان ، استفاده از مواد انعطاف‌پذیر همچون TPU را فراهم می‌کند. دو راه حل ممکن برای تحقق یک پرینتر سه بعدی FFF چند ماده ای عبارتند از:
طراحی تک نازل
[ویرایش]طراحی تک نازل ، مواد مختلف را قبل یا در منطقه ذوب سر چاپ مخلوط می‌کند به طوری که مواد از طریق همان نازل اکسترود می‌شوند. به عنوان مثال: رشته های مختلف را می‌توان پیش از ورود به محفظه ذوب، برش زد و مجددا به یک رشته از یک رشته مخلوط وصل کرد. اینگونه تکنیکی در پالت موزاییک پیاده‌سازی شده‌است. [۳] مثالی دیگر ، ارتقاء چندمادهای توسط Prusa3d است که در بالای یک پرینتر ماده نصب شده‌است تا قابلیت های چند ماده‌ای را اضافه کند. [۴] از یک سیستم اکستروژن روکش سیم با یک محور اضافه برای برش و انتخاب مواد استفاده می‌کند. برای جلوگیری از ناخالصی های درون جسم، یک محفظه ذوب ترکیبی باید قبل از استفاده از یک ماده جدید از مواد قبلی پاک بشود. بسته به اجرا، مقدار مواد زائد تولید شده در طول فرآیند پرینت ممکن است قابل توجه باشد. [۵] در برخی از پیاده‌سازی‌ها، ممکن است از مواد قبلی به عنوان پرکننده برای جلوگیری از هدر رفت استفاده شود و یا همزمان برای چاپ یک جسم متفاوت که رنگ در آن اهمیتی ندارد.
طراحی چند نازل
[ویرایش]
طراحی چند نازلی دارای یک نازل مجزا برای هر ماده می‌باشد. نازل می‌تواند روی همان سر چاپ و یا روی سرهای چاپ مستقل نصب شود. برای این روش، نازل‌های مختلف باید دقیقاً به همان ارتفاع نسبت به سطح چاپ کالیبره شوند تا از تداخل یک نازل غیرفعال با شی چاپ شده جلوگیری کنند. طراحی به این صورت در مقایسه با طراحی یک نازل که از مواد قبلی به عنوان پرکننده یا برای چاپ یک شی دیگر استفاده نمی‌کند ، مقدار مواد زائد را در طول فرآیند چاپ به طور چشم گیری کاهش میدهد [۶] .
استریولیتوگرافی (SLA)
[ویرایش]استریولیتوگرافی فرآیند انجماد لایه لایه یک فوتوپلیمر با لیزر برای تشکیل یک جسم سه بعدی می‌باشد. برای به انجام رساندن چاپ‌های چند ماده‌ای [۷] به کمک این فناوری، می‌توان از چند مخزن برای فتوپلیمرهای مختلف استفاده کرد. مشکل اصلی این روش، حذف موادی است که هنوز پلیمریزه نشده اند، زیرا ممکن است که چاپ حاوی حفراتی باشد که با مواد قدیمی تر پر شده اند، که باید قبل از استفاده از مواد بعدی خالی شوند. [۷] رزین های فوتوپلیمر مورد استفاده برای SLA ممکن است خواص فیزیکی بسیار متفاوتی داشته باشند، به طور کلی شکننده‌تر میباشند و دارای دمای انحراف حرارتی کمتری هستند. رزین‌های استاندارد SLA در رنگ‌ها و تاری‌های مختلف عرضه می‌شوند. علاوه بر مواد درجه مهندسی همانند رزین‌های ABS مانند یا رزین های PP مانند، مواد بیومتریالی وجود دارد که برای کاربردهای پزشکی و رزین‌های منعطف مورد استفاده قرار می‌گیرند.
جت کردن مواد
[ویرایش]
فرآیند پرتاب مواد ، که معمولا از آن به عنوان پرینت سه بعدی جوهرافشان یاد میشود، شبیه به روش چاپ جوهرافشان دو بعدی می‌باشد. سر چاپ متشکل از چندین نازل کوچک است که در صورت نیاز، قطرات فوتوپلیمر به بیرون پرتاب می‌شوند. هر نازل می‌تواند مواد متفاوتی را خارج کند که امکان ایجاد قطعات چندمادهای را فراهم می‌کند. [۵] سپس قطرات مواد سریعا با استفاده از منبع نور ماوراء بنفش که روی سر چاپ نصب شده است، خشک می‌شوند. برخلاف فرآیند چاپ FFF، یک لایه با حرکت هد چاپ در طول یک مسیر از پیش محاسبه شده تشکیل نمی‌شود، بلکه با اسکن لایه خط به خط تشکیل میشود. به عنوان مثال Statasys J750 امکان چاپ تمام رنگی را فراهم می‌کند. موادی که توسط فرآیند چاپ جت مواد پشتیبانی می‌شوند شبیه به مواد فرآیند SLA هستند و به همین خاطر خواص مشابهی دارند. [۵] به‌علاوه، پیشرفت‌هایی در زمینه جهش مواد فلزات با تعلیق نانوذرات فلزی در یک سیال صورت گرفته است. بعد از حذف مواد نگهدارنده، لازم است تا جسم چاپ شده سینتر شود تا یک قطعه فلزی نهایی ایجاد شود. [۸]
بایندر جتینگ
[ویرایش]یک پرینتر سه بعدی بایندر جتینگ از ذرات یک پودر ریزدانه استفاده می‌کند که با استفاده از یک بایندر با هم ذوب می‌شوند تا یک جسم سه بعدی را شکل دهند. در اصل متشکل از دو محفظه مجزا می‌باشد: یکی به عنوان مخزن مواد پودری و دیگری به عنوان محفظه چاپ عمل می‌کند. برای ساختن یک لایه از یک جسم ، یک تیغه مواد را از مخزن خارج می‌کند و آن را روی سطح چاپ پخش می‌کند تا لایه ای نازک از پودر ایجاد شود. سپس یک سر چاپی مشابه آنچه در پرینترجوهرافشان دو بعدی یافت میشود ، بایندر را روی لایه اعمال می‌کند تا جامد شود و آن را به لایه قبلی وصل کند. [۵] اگرچه جت بایندر امکان پشتیبانی از چند ماده را نمی‌دهد، پرینتر هایی وجود دارند که دارای یک سر چاپ دوم برای اعمال رنگدانه بر روی لایه بعد از بایندر هستند تا امکان چاپ تمام رنگی را فراهم کنند. [۵]
جریان کار
[ویرایش]طراحی
[ویرایش]طراحی یک جسم سه بعدی نخستین گام در گردش کار پرینت سه بعدی می‌باشد. این فرآیند طراحی می تواند توسط نرم افزار پشتیبانی گردد. چنین نرم افزار CAD ای قادر به ایجاد، مدیریت و دستکاری شکل های هندسی سه بعدی مختلف می‌باشد و در عین حال از طریق یک رابط کاربری گرافیکی به کاربر بازخورد میدهد. در حال حاضر اکثر برنامه های CAD از حاشیه‌نویسی یک شکل هندسی با یک ماده پشتیبانی می‌کنند. پس از آن ترکیب هندسه های مختلف یک شی مادی چندگانه را شکل میدهد. [۹] هرچند که تمام فرمت‌های فایل از حاشیه‌نویسی مواد همراه با هندسه شی پشتیبانی نمی‌کنند.
برش دادن
[ویرایش]Slicing فرآیند تقسیم یک مدل سه بعدی به لایه‌هایی برای تبدیل به دنباله ای از دستورالعمل های G-Code می‌باشد. [۱۰] این دستورالعمل‌ها را می‌توان توسط یک پرینتر سه بعدی پردازش کرد تا مدل مربوطه را به صورت پایین به بالا، از بالا به پایین و یا حتی از چپ به راست تولید کند. قبل از تولید دستورالعمل‌ها، میشود ساختارهای پشتیبانی را برای متصل کردن بخش‌های آویزان مدل به سطح چاپ و یا سایر بخش‌های مدل افزود. ساختارهای پشتیبانی می‌بایست در مرحله بعد از پردازش، پس از تمام شدن چاپ حذف گردنند. [۱۰]
فرآیند برش برای پرینت‌های چندمادهای بسته به سخت افزار مورد استفاده متفاوت می‌باشد. برای ماشین‌هایی بر پایه FFF ، یابد دستورالعمل‌هایی برای تغییر مواد اضافه گردد. این موضوع چالش‌های محاسباتی زیادی از جمله مدیریت همزمان دو سر چاپ بدون تداخل آنها با یکدیگر یا پاک کردن محفظه ذوب از مواد قبلی را به همراه دارد . [۱۱] برای چاپ‌های چندمادهای مبتنی بر SLA ، نرم افزار برش باید درجات آزادی اضافی ناشی از امکان جابجایی چاپ از یک سینی رزین به سینی بعدی را کنترل کند. [۷] روش برش برای پرینترهای جت مواد شامل تولید تصاویر بیت مپ متعددی است که وکسل های شی را نشان می دهد.
پس پردازش
[ویرایش]اجسام پرینت سه بعدی شده امکان دارد قبل از استفاده به عنوان نمونه اولیه یا محصول نهایی نیازمند به پس پردازش باشند. اینگونه مراحل پس پردازش ممکن است شامل سنباده زنی سطح جسم برای صاف‌تر کردن آن یا رنگ‌آمیزی آن برای مطابقت با رنگ‌های طرح باشد. بسته به روش پرینت و هندسه اجسام، ممکن است لازم باشد که ساختارهای پشتیبانی حذف شوند. [۱۰] استفاده از پرینت سه بعدی چندمادهای باعث کاهش میزان پس‌پردازش مورد نیاز برای نتیجه مشابه می‌شوند، چراکه رنگ‌ها می‌توانند مستقیماً چاپ شوند. به علاوه ، می‌توان از مواد محلول در آب برای چاپ ساختارهای نگهدارنده استفاده کرد، زیرا حذف آنها فقط شامل قرار دادن جسم در حمام آب است. [۱۲]
برنامه های کاربردی
[ویرایش]چاپ سه بعدی مواد غذایی
[ویرایش]روند صعودی چاپ سه بعدی مواد غذایی [۱۳] از سفارشی سازی شکل، رنگ، طعم، بافت و تغذیه وعده‌های غذایی مختلف پشتیبانی می‌کند. چاپ سه بعدی چندمادهای امکان استفاده از چندین ماده مانند کره بادام زمینی، ژله یا خمیر را در فرآیند چاپ فراهم می‌سازد که برای تولید بیشتر غذاها ضروری است.
کاربردهای پزشکی
[ویرایش]فناوری پرینت سه بعدی چندمادهای معمولا در تولید پروتزهای پرینت سه بعدی استفاده می شود. [۱۴] این فناوری ، استفاده از مواد مختلف مانند TPU نرم در نقاط تماس با بدنه و مواد فیبرکربن سفت برای بدنه پروتز را امکان‌پذیر می‌کند. بنابراین، پروتز را می‌توان به گونه‌ای تنظیم کرد که مطابق با نیازها و خواسته‌های مختلف فرد باشد.
از دیگر موارد استفاده پزشکی، تولید ساختارهای بافت مصنوعی می‌باشد. این تحقیق بر ایجاد بافتی که از نظر احساس، کشش و ساختار ، بافت انسان را تقلید می کند تمرکز دارد. اینگونه بافت‌های مصنوعی می‌توانند توسط جراحان برای آموزش و یادگیری مدل‌های واقعی مورد استفاده قرار گیرند که در غیر این صورت دستیابی به آن سخت یا پرهزینه خواهد بود. [۱۵]
تمرکز تحقیقات جاری روی سیستم‌های تحویل دارو با چاپ سه بعدی [۱۶] برای استقرار مؤثر دارو یا واکسن می‌باشد. با استفاده از پرینت چندمادهای، ساختارهای زیست سازگاری ایجاد می‌کنند که می‌توانند با بدن انسان در سطح سلولی تعامل داشته باشند.
مشخصات فیزیکی
[ویرایش]قابلیت جابه‌جایی بین مواد مختلف برای کنترل خواص فیزیکی یک جسم چاپ شده سه بعدی ضروری است. علاوه بر اینکه می‌تواند مقاومت یک جسم را توسط ریزساختار ها دستکاری کند، کاربر می‌تواند بین مواد سخت‌تر یا نرم‌تر در فرآیند چاپ جابه‌جا شود تا بر استحکام جسم تأثیر بگذارد. از ترکیب مواد سخت و نرم نیز برای ساخت ساختار بیومیمتیک با خاصیت های مطلوب استفاده میشود. [۱۷] استفاده از موادی با رنگ یا کشسانی متفاوت می‌تواند بر ظاهر و هپتیک جسم به وجود آمده تأثیر بگذارد. به علاوه، امکان پذیر است که با انتخاب ماده مناسب برای سازه‌های نگهدارنده یا بدنه بیرونی قطعه، میزان پس پردازش مورد نیاز را کاهش داد. [۱۸]
نمونه سازی سریع
[ویرایش]چاپ سه بعدی چندمادهای به طراحان امکان میدهد تا به سرعت نمونه های اولیه خود را تولید و آزمایش کنند. استفاده از چندین ماده در یک قسمت، به طراح این توانایی را میدهد تا نمونه‌های اولیه کاربردی و جذاب بصری ایجاد کند. به عنوان یک مثال از اینکه چگونه پرینت سه بعدی می‌تواند در فرآیند طراحی گنجانده شود، می‌توان به طراحی خودرو اشاره کرد. [۱۹] در آنجا، باید سریعا یک نمونه اولیه آزمایش و تأیید شود تا طرح برای تولید تأیید شود. کاهش مراحل پس پردازش ناشی از فناوری پرینت سه بعدی چندمادهای منجر به زمان ساخت کوتاه‌تر می شود. افزون بر آن، پرینت سه بعدی چندمادهای تعداد قطعات نمونه‌های اولیه تولید شده را در مقایسه با روش های ساخت سنتی مانند فرزکاری یا قالب گیری کاهش میدهد، چراکه دیگر نیازی به مونتاژ چندین قسمت با مواد مختلف نمی‌باشد.
فرمت های فایل
[ویرایش]چندین فرمت فایل برای نمایش اجسام سه بعدی وجود دارد که برای چاپ سه بعدی مناسب میباشند. با این حال، تمام آنها از تعریف مواد متفاوت در یک فایل مانند هندسه پشتیبانی نمی‌کنند. جدول زیر رایج‌ترین فرمت‌های فایل و قابلیت‌های آنها را فهرست می کند:
| فرمت فایل | حالت عملیات | پشتیبانی چند ماده ای | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| STL | سطح مثلثی خام و بدون ساختار | خیر | پشتیبانی چند ماده ای را می توان با ذخیره یک مش STL در هر ماده به دست آورد که منجر به ایجاد چندین فایل برای همان اشیاء سه بعدی می شود. |
| OBJ | رئوس ، نگاشت بافت، نرمال ها و وجه ها | خیر | پشتیبانی چند ماده ای را می توان به راحتی با فرمت فایل همراه MTL به دست آورد. |
| 3MF | رئوس و مثلث ها به صورت XML ذخیره می شوند | آره | توسط کنسرسیوم 3MF به عنوان یک فرمت فایل استاندارد جدید برای چاپ سه بعدی پشتیبانی می شود. |
| VRML | راس ها و لبه ها ، بافت های نقشه برداری شده با اشعه ماوراء بنفش | آره | به ویژه برای شبکه جهانی وب طراحی شده است. سلف فرمت فایل X3D . |
| X3D | راس ها و لبه ها ، بافت های نقشه برداری شده با اشعه ماوراء بنفش | آره | دارای قابلیت هایی برای گنجاندن انیمیشن ها. |
| PLY | رئوس ، چهره ها و موارد دیگر | خیر | جانشین STL با پشتیبانی از رنگ ها. |
منابع
[ویرایش]- ↑ Rafiee, M.; Farahani, R. D.; Therriault, D. (2020), "Multi‐Material 3D and 4D Printing: A Survey", Advanced Science, 7 (12): 1902307, doi:10.1002/advs.201902307, PMC 7312457, PMID 32596102
- ↑ Gibson, Ian; Rosen, David W.; Stucker, Brent (2010), Gibson, Ian; Rosen, David W.; Stucker, Brent (eds.), "Extrusion-Based Systems", Additive Manufacturing Technologies: Rapid Prototyping to Direct Digital Manufacturing (به انگلیسی), Springer US: 160–186, doi:10.1007/978-1-4419-1120-9_6, ISBN 978-1-4419-1120-9
- ↑ "Mosaic Platte 2". Retrieved 2020-01-31.
- ↑ "Original Prusa i3 Multi Material 2.0". Prusa3D - 3D Printers from Josef Průša (به انگلیسی). Retrieved 2020-01-31.
- ↑ ۵٫۰ ۵٫۱ ۵٫۲ ۵٫۳ ۵٫۴ خطای یادکرد: خطای یادکرد:برچسب
<ref> غیرمجاز؛ متنی برای یادکردهای با نام:2وارد نشده است. (صفحهٔ راهنما را مطالعه کنید.). - ↑ خطای یادکرد: خطای یادکرد:برچسب
<ref> غیرمجاز؛ متنی برای یادکردهای با نام:3وارد نشده است. (صفحهٔ راهنما را مطالعه کنید.). - ↑ ۷٫۰ ۷٫۱ ۷٫۲ Choi, Jae-Won; Kim, Ho-Chan; Wicker, Ryan (2011-03-01). "Multi-material stereolithography". Journal of Materials Processing Technology. 211 (3): 318–328. doi:10.1016/j.jmatprotec.2010.10.003. ISSN 0924-0136.
- ↑ "Technology". Xjet (به انگلیسی). Retrieved 2020-01-31.
- ↑ خطای یادکرد: خطای یادکرد:برچسب
<ref> غیرمجاز؛ متنی برای یادکردهای با نام:5وارد نشده است. (صفحهٔ راهنما را مطالعه کنید.). - ↑ ۱۰٫۰ ۱۰٫۱ ۱۰٫۲ Evans, Brian (2012), "3D Printer Toolchain", in Evans, Brian (ed.), Practical 3D Printers (به انگلیسی), Apress, pp. 27–47, doi:10.1007/978-1-4302-4393-9_2, ISBN 978-1-4302-4393-9
- ↑ "Get started with Cura: Printing with two colors". ultimaker.com (به انگلیسی). Retrieved 2020-01-31.
- ↑ Ni, Fei; Wang, Guangchun; Zhao, Haibin (2017). "Fabrication of water-soluble poly(vinyl alcohol)-based composites with improved thermal behavior for potential three-dimensional printing application". Journal of Applied Polymer Science (به انگلیسی). 134 (24). doi:10.1002/app.44966. ISSN 1097-4628.
- ↑ Sun, Jie; Peng, Zhuo; Zhou, Weibiao; Fuh, Jerry Y. H.; Hong, Geok Soon; Chiu, Annette (2015-01-01). "A Review on 3D Printing for Customized Food Fabrication". Procedia Manufacturing. 43rd North American Manufacturing Research Conference, NAMRC 43, 8-12 June 2015, UNC Charlotte, North Carolina, United States. 1: 308–319. doi:10.1016/j.promfg.2015.09.057. ISSN 2351-9789.
- ↑ Mohammed, Mazher Iqbal; Tatineni, Joseph; Cadd, Brenton; Peart, Greg; Gibson, Ian (2017-02-09). "Advanced auricular prosthesis development by 3D modelling and multi-material printing". KnE Engineering. 2 (2): 37. doi:10.18502/keg.v2i2.593. ISSN 2518-6841.
- ↑ "Medical Visualization Part 2 of 3: Uses". GarageFarm (به انگلیسی). 2018-02-08. Retrieved 2018-02-08.
- ↑ Gregory, David A.; Zhang, Yu; Smith, Patrick J.; Zhao, Xiubo; Ebbens, Stephen J. (2016). "Reactive Inkjet Printing of Biocompatible Enzyme Powered Silk Micro-Rockets". Small. 12 (30): 4048–4055. doi:10.1002/smll.201600921. ISSN 1613-6829. PMID 27345008.
- ↑ Islam, Muhammed Kamrul; Hazell, Paul J.; Escobedo, Juan P.; Wang, Hongxu (July 2021). "Biomimetic armour design strategies for additive manufacturing: A review". Materials & Design. 205: 109730. doi:10.1016/j.matdes.2021.109730.
- ↑ Altenhofen, Christian; Luu, Thu Huong; Grasser, Tim; al, et (2018). "Continuous Property Gradation for Multi-material 3D-printed Objects". Solid Freeform Fabrication 2018: 1675–1685.
- ↑ "How Audi uses full color multi-material 3D printing in automotive design - Make Parts Fast". www.makepartsfast.com. Retrieved 2020-01-29.