پرینت سه بعدی SLS چیست؟

پیشرفت‌های فناوری باعث شده‌اند که پرینترهای سه‌بعدی SLS (سینترینگ لیزری انتخابی) به‌صرفه‌تر و جمع‌وجورتر شوند. تا چند وقت پیش همه ماشین‌های SLS حجیم و گران بودند، اما اکنون تعداد زیادی از پرینترهای SLS مناسب برای دفتر کار و به اندازه میزکار در بازار موجود است. حتی ماشین‌های صنعتی امروزه هزینه کمتری دارند و استفاده از آن‌ها در مقایسه با روش‌های سنتی ساخت مانند تزریق پلاستیک و ماشین‌کاری CNC آسان‌تر شده است.

با توجه به اختلالات زنجیره تأمین و افزایش هزینه‌های تولید و حمل و نقل، پرینت سه‌بعدی SLS به‌عنوان جایگزینی که به کسب‌وکارها امکان می‌دهد نمونه‌های اولیه، قطعات یدکی و حتی تولیدات را در محل خود انجام دهند، مطرح شده است.

پرینت سه‌بعدی SLS به دلیل توانایی در ایجاد قطعات با کیفیت مهندسی و خواص مکانیکی عالی و وضوح بالا به سرعت مورد توجه مهندسان و طراحان صنعتی قرار گرفته است. این تکنولوژی برای نمونه‌های سریع کاربردی و تولید حجم بیشتری از قطعات نهایی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

یکی از قطعات چاپ‌شده با SLS که اخیراً خبرساز شده، توپ بسکتبال 3D Airless Prototype شرکت Wilson Sporting Goods است که در مسابقه اسلم دانک NBA 2023 رونمایی شد. این توپ نمونه توانایی تکنولوژی در چاپ قطعات به‌صورت یکپارچه و با مواد انعطاف‌پذیر را نشان می‌دهد و ممکن است در آینده در فروشگاه‌های ورزشی عرضه شود.

اگر با این تکنولوژی آشنا نیستید، به‌طور خلاصه، این فناوری از لیزرها برای ذوب پودر پلاستیک به‌صورت لایه‌به‌لایه استفاده می‌کند تا اشکال سه‌بعدی ایجاد کند. (برخی ماشین‌ها می‌توانند قطعات فلزی نیز بسازند، در ادامه بیشتر توضیح می‌دهیم). این فناوری به‌عنوان یکی از دسته‌های پرینت سه‌بعدی با بستر پودری شناخته می‌شود.

صنایعی که به فناوری SLS علاقه خاصی دارند عبارتند از:

• خودروسازی (جیگ‌ها و فیکسچرها، نمونه‌های اولیه خودرو، قطعات خودروهای مسابقه)
• هوافضا (نمونه‌های اولیه، ابزارها، کانال‌های هوا)
• پزشکی و بهداشت (پروتزها، بریس‌ها)
• الکترونیک مصرفی (پوسته‌ها، نمونه‌های اولیه)
• نظامی (قطعات جایگزین، دستگیره‌ها)
• صنعت سنگین (الگوهای ریخته‌گری شن، ابزارها)

پرینت سه‌بعدی SLS امروزه به‌طور گسترده‌ای استفاده می‌شود زیرا محصولات تولیدی آن از نظر استحکام، سطح نهایی و دقت با محصولات تزریق پلاستیک رقابت می‌کنند، اما هزینه تولید کمتر و سرعت بیشتری برای تولید مقادیر کم دارند. علاوه بر این، در مقایسه با تزریق پلاستیک، پرینت سه‌بعدی می‌تواند قطعاتی را تولید کند که تزریق پلاستیک قادر به ساخت آن‌ها نیست، مانند قطعات با کانال‌های داخلی، ساختارهای شبکه‌ای و ویژگی‌های هندسی پیچیده.

در دیجی ساز بخوانید: نحوه سفارش پرینت سه بعدی در دیجی ساز

چگونه یک پرینتر SLS کار می‌کند؟

SLS یک تکنیک فیوژن بستر پودری است که از یک لیزر برای سینترینگ انتخابی (نه ذوب) ذرات پودر پلیمر استفاده می‌کند، با استفاده از گرما و فشار، این ذرات را به هم متصل می‌کند و به صورت لایه‌به‌لایه تا ساختن یک طرح سه‌بعدی پیش می‌رود. یک پرینتر SLS می‌تواند دارای یک یا چند لیزر با انواع مختلف (لیزر فیبر، لیزر دیود، CO2 و غیره) و قدرت‌های مختلف (10 وات، 60 وات، 100 وات، 1000 وات) باشد.

فرآیند با گرم کردن مخزن پودر تا دمایی درست زیر نقطه ذوب پلیمر آغاز می‌شود. یک تیغه روکش‌دهنده یک لایه نازک از پودر را بر روی پلتفرم ساخت پخش می‌کند. سپس، لیزر (یا لیزرها) کانتور لایه را اسکن کرده و ذرات پودر را سینتر می‌کند. برای اطمینان از اینکه قطعه به‌طور کامل جامد است، تمام مقطع عرضی قطعه مورد نظر اسکن می‌شود. پس از اتمام یک لایه، پلتفرم ساخت به پایین حرکت می‌کند و تیغه سطح را با یک لایه تازه از پودر پوشش می‌دهد. این فرآیند تکرار می‌شود تا زمانی که قطعه یا قطعات کامل شوند.

پس از اتمام فرآیند چاپ، مقدار زیادی پس‌پردازش وجود دارد. وقتی محفظه ساخت خنک شود، که ممکن است چند ساعت طول بکشد، متوجه می‌شوید که قطعه سه‌بعدی جامد در داخل بستر پودر سینتر نشده قرار دارد. برای استخراج قطعات، محفظه ساخت را به یک ایستگاه پاکسازی منتقل می‌کنید. با استفاده از برس، دمنده هوا فشرده یا روش‌های دیگر پاکسازی، پودر شل را از روی قطعات برداشته و آن را برای استفاده در چاپ بعدی جمع‌آوری می‌کنید. واحدهای پاکسازی اضافی موجب کاهش به‌هم‌ریختگی می‌شوند، اما به طور طبیعی هزینه کلی سرمایه‌گذاری در SLS را افزایش می‌دهند.

برخلاف برخی دیگر از فناوری‌های چاپ سه‌بعدی، پودر باقی‌مانده را می‌توان برای چاپ بعدی دوباره استفاده کرد. بسته به ماشین، شما نیاز به اضافه کردن 10٪ تا 70٪ پودر تازه برای چاپ بعدی خواهید داشت.

مزایای فناوری پرینت سه بعدی SLS

دلیل اصلی انتخاب فناوری SLS نسبت به پرینترهای سه‌بعدی که از فیلامنت‌های پلیمر استفاده می‌کنند (که به آن‌ها پرینترهای FDM گفته می‌شود) به‌دست آوردن چاپ‌هایی با عملکرد مکانیکی عالی و سطح کیفیت یکنواخت است. قطعاً FDM برای قطعات صنعتی استفاده می‌شود و می‌تواند قطعات فوق‌العاده قوی تولید کند، به ویژه با استفاده از مواد درجه مهندسی مانند PEEK و نایلون پرشده با فیبر کربن، اما SLS به دلیل کیفیت سطح، که به راحتی می‌توان آن را رنگ و پرداخت کرد، سرعت و توانایی تولید تعداد کم قطعات در یک چرخه چاپ، اغلب انتخاب می‌شود.

در دیجی ساز بخوانید: پرینت سه بعدی FDM: [تاریخچه، نحوه کارکرد، مقایسه و پیشنهاد خرید دستگاه]

ویژگی‌های مکانیکی پرینت سه بعدی SLS

لیزرهای استفاده شده در SLS ذرات پلیمر را به یک جامد پیوند می‌دهند به طوری که لایه‌ها به سختی قابل مشاهده هستند. استحکام و دوام قطعات با قطعات تزریق پلاستیکی برابری می‌کند یا حتی بهتر از آن است. چاپ سه‌بعدی SLS با مواد صنعتی مانند نایلون پرشده با فیبر کربن قطعاتی به‌قدر کافی قوی برای استفاده در شرایط سخت تولید می‌کند.

فرصت‌های طراحی در پرینت سه بعدی SLS

دلیل دیگری که مهندسان به چاپ سه‌بعدی SLS روی می‌آورند این است که این فناوری می‌تواند قطعات با طراحی‌های پیچیده‌ای تولید کند که با روش‌های تولید معمولی ممکن یا عملی نیستند. طراحان می‌توانند مجموعه‌های پیچیده‌ای را که به طور معمول نیاز به چندین قطعه دارند، یکپارچه کنند. این امر به کاهش نقاط ضعف و زمان مونتاژ کمک می‌کند. قطعات می‌توانند با ساختارهای شبکه‌ای داخلی برای کاهش وزن و حفظ استحکام ایجاد شوند.

سرعت و بهره‌وری در پرینت سه بعدی SLS

چاپ SLS به طور کلی یک فناوری تولید افزایشی سریع برای نمونه‌های اولیه کاربردی و بادوام و قطعات نهایی است، اما سرعت آن بستگی به پرینتر دارد. یک پرینتر SLS صنعتی با 12 لیزر سریع‌تر از یک ماشین تک‌لیزری چاپ می‌کند. با این حال، SLS سریع‌تر از روش‌های لایه‌گذاری مورد استفاده در FDM است.

شما همچنین محدود به چاپ یک قطعه در یک زمان نیستید. در واقع، می‌توانید محفظه ساخت خود را تا سر حد ظرفیت با قطعات پر کنید، که برای چاپ چندین تکرار به‌طور همزمان مفید است.

صرفه اقتصادی در پرینت سه بعدی SLS

به‌ویژه برای قطعات یدکی با حجم کم، نمونه‌های اولیه و ابزارهای سفارشی، چاپ سه‌بعدی SLS از نظر هر قطعه ارزان‌تر از روش‌های تولید سنتی است زیرا نیازی به ابزار یا قالب ندارد. حتی پس از خرید ماشین و مواد، چاپ سه‌بعدی SLS به‌طور کلی به‌صرفه‌تر از روش‌های سنتی تولید است اگر کسب‌وکار شما به محصولات کم‌حجم، نمونه‌های اولیه و قطعات منحصر به فرد مانند جیگ‌ها و فیکسچرها نیاز دارد. با این حال، سفارش قطعات SLS از یک سرویس بورو تولید افزایشی همیشه مقرون‌به‌صرفه‌تر است.

مواد اولیه پرینت سه بعدی SLS

آیا همه پرینترهای SLS می‌توانند با همه مواد SLS چاپ کنند؟ متأسفانه خیر. برخی از پرینترهای SLS فقط می‌توانند با دو ماده رایج (PA 12 و PA 11) چاپ کنند، در حالی که برخی دیگر قابلیت چاپ با مواد بیشتری را دارند. برخی پرینترها لیزرهایی با توان کافی برای برخی مواد ندارند، در حالی که بسیاری از سازندگان مواد، مواد خود را به نحوی تنظیم کرده‌اند که بهترین عملکرد را در پرینترهای خود داشته باشند.

همیشه با تولیدکننده پرینتر خود بررسی کنید که کدام مواد برای استفاده تأیید شده‌اند، زیرا اگرچه ممکن است برخی مواد به طور کلی کار کنند، اما چاپ شما ممکن است استحکام یا انعطاف‌پذیری وعده داده شده را نداشته باشد مگر اینکه روی دستگاه تأیید شده چاپ شود.

پرینتری با سیستم باز می‌تواند قطعات با کیفیتی از مواد متنوع تولید کند که توسط سازندگان مختلف عرضه می‌شود، بنابراین شما در خرید مواد گزینه‌های متعددی دارید. یک دستگاه SLS با سیستم بسته فقط برای استفاده از مواد توصیه‌شده توسط یک سازنده (معمولاً سازنده پرینتر) تأیید شده است. معمولاً چاپ‌های SLS سطحی مات و خشن دارند که می‌توان آن را با پس‌پردازش صاف کرد.

در زیر مروری بر محبوب‌ترین مواد چاپ سه‌بعدی SLS امروزی آورده شده است (اگرچه مواد دیگری نیز وجود دارند)، اما همچنین راهنمای خرید پودر SLS ما را برای تولیدکنندگان، انواع، کاربردها و قیمت‌ها بررسی کنید.

محبوب‌ترین مواد پودری پرینت سه بعدی SLS

• PA 12 (نایلون)
• PA 11 (نایلون)
• الاستومرها (TPU, TPE, TPC)
• PA 12 CF (نایلون پر شده با فیبر کربن)
• PA 12 – GF (نایلون پر شده با شیشه)
• آلومید (نایلون پر شده با آلومینیوم)
• بیومدیکال
• PEEK
• PEKK
• PP

در دیجی ساز بخوانید: بررسی انواع متریال نایلون Nylon (PA) در پرینت سه بعدی

قطعات فلزی از یک پرینتر سه بعدی SLS

در اواخر سال 2022، یک سازنده مواد به نام Headmade Materials ماده خاص و اختراعی را معرفی کرد که به پرینترهای SLS امکان تولید قطعات فلزی را می‌دهد. این ماده فقط بر روی چند پرینتر SLS موجود (Nexa3D, Sinterit, EOS) تأیید شده است، اما شرکت می‌گوید که تکنولوژی آن، که به نام Cold Metal Fusion شناخته می‌شود، می‌تواند با تقریباً هر پرینتر SLS کار کند.

نرم‌افزار و جریان کاری پرینتر سه بعدی SLS

شما می‌توانید از هر نرم‌افزار CAD (مانند Fusion 360, SolidWorks, Onshape و غیره) برای طراحی قطعه یا محصول خود برای چاپ سه‌بعدی SLS استفاده کنید. پس از داشتن طراحی، آن را به یک فرمت فایل قابل چاپ سه‌بعدی مانند STL, OBJ یا 3MF صادر کنید و به نرم‌افزار پرینتر SLS خود آپلود کنید. هر پرینتر SLS با نرم‌افزار اختصاصی خود کار می‌کند تا فایل دیجیتال شما را به کدی تبدیل کند که پرینتر می‌تواند برای تولید قطعه دنبال کند.

برخلاف دریای گزینه‌های نرم‌افزاری رایگان و عمومی برای ماشین‌های FDM، پرینترهای سه‌بعدی SLS معمولاً با نرم‌افزار خاص خود همراه هستند، بنابراین این یک بخش مهم از ملاحظات خرید پرینتر شماست زیرا برخی دارای ویژگی‌های منحصربه‌فردی هستند.

نرم‌افزار پرینتر SLS جایی است که شما تنظیمات چاپ مختلفی را مشخص می‌کنید، قطعات را در داخل محفظه ساخت مرتب و جهت‌دهی می‌کنید و مدل دیجیتال را به لایه‌های جداگانه برای چاپ تقسیم می‌کنید. ماشین‌های SLS پیشرفته‌تر معمولاً دارای ویژگی‌های نرم‌افزاری پیشرفته‌تری هستند که به شما امکان می‌دهد تنظیمات را به‌طور دقیق تنظیم کنید تا نتایج مطلوب را بدست آورید. بسیاری نیز دارای پروفایل‌های پیش‌فرض چاپ هستند که کل فرآیند را به‌طور خودکار انجام می‌دهند.

پس از تکمیل تنظیمات، نرم‌افزار آماده‌سازی چاپ دستورالعمل‌ها را از طریق اتصال بی‌سیم یا کابل به پرینتر ارسال می‌کند. نرم‌افزار زمان‌های تخمینی چاپ را به شما می‌دهد. اگر از بیش از یک پرینتر SLS استفاده می‌کنید، برخی از راه‌حل‌های نرم‌افزاری اطلاعات مربوط به همه کارهای چاپی شما را از یک داشبورد ارائه می‌دهند، از آماده‌سازی چاپ تا وضعیت کار و عملکرد واقعی پرینتر.

اگر چندین پرینتر سه‌بعدی دارید و می‌خواهید یک داشبورد کلی برای مدیریت همه چیز داشته باشید، برخی از راه‌حل‌ها مانند Materialise Magics و Siemens از طریق API امکان مدیریت کارهای چاپ SLS در چندین ماشین و همچنین مدیریت سایر فناوری‌های چاپ شما را فراهم می‌کنند.

رنگ‌آمیزی و پس‌پردازش قطعات SLS

پرینترهای سه‌بعدی SLS می‌توانند مجموعه‌ای از قطعات را برای تسریع تکرارها و توسعه محصول ارائه دهند، اما پس از چاپ، بسیاری از شرکت‌ها با وظیفه زمان‌بر پس‌پردازش مواجه می‌شوند. استخراج قطعات از بستر پودر، جمع‌آوری پودر استفاده نشده و تمیز کردن هر قطعه به صورت دستی یا با استفاده از دستگاه‌های هوای فشرده و آب‌پاش استاندارد می‌تواند ساعت‌ها به تولید قطعه اضافه کند. اگر تعداد قطعات شما بالا باشد، این وظایف می‌توانند بدون راه‌حل‌های خودکار پس‌پردازش به سرعت به یک مشکل تبدیل شوند. پس از تمیز کردن اولیه، می‌توان مراحل بیشتری را برای رسیدن به رنگ و بافت سطح مطلوب انجام داد.

بسیاری از ابزارها، ماشین‌ها و محصولات برای تمیز کردن و تکمیل قطعات چاپ سه‌بعدی SLS منحصر به فرد نیستند. در بیشتر موارد، قطعات چاپ سه‌بعدی SLS می‌توانند مانند هر نوع قطعات پلاستیکی دیگر پس‌پردازش شوند، با توجه به نوع پلاستیک. با این حال، شرکت‌هایی نیز هستند که در پس‌پردازش چاپ سه‌بعدی تخصص دارند که ما در تکنیک‌های ذکر شده در زیر به آن‌ها اشاره می‌کنیم.

تمیز کردن و بازیابی پودر

اگرچه حذف پودر شل از قطعه چاپ شده می‌تواند با هر تعداد ابزار استاندارد انجام شود، بازیابی پودر استفاده نشده برای استفاده مجدد یک فرآیند منحصر به فرد برای تولید افزایشی است. بسیاری از سازندگان پرینتر SLS نیز ایستگاه‌های مدیریت پودر را ارائه می‌دهند که به کاهش آشفتگی و خطرات احتمالی جمع‌آوری پودر شل کمک می‌کنند. برای بدست آوردن پودر قابل استفاده مجدد با کمترین مقدار گرد و غبار و آلاینده‌های محیطی، به دنبال یک ایستگاه تمیز کردن یا مدیریت پودر بسته باشید.

یک مدل که در زیر نشان داده شده از Sinterit چندین فرآیند مدیریت پودر را در یک واحد واحد ترکیب می‌کند تا مرحله را ساده کند. این ایستگاه دارای یک سوراخ مکش برای تسریع تمیز کردن و یک شلنگ مکش جداشدنی دو متری متصل به یک جاروبرقی است. پودر سینتر نشده به طور خودکار به یک ماژول غربالگری زیر میز کار منتقل می‌شود که آماده مخلوط شدن با پودر تازه برای کار بعدی است.

بلاستینگ با مواد ساینده

اگرچه بلاستینگ هوا برای جدا کردن پودر شل از قطعات SLS عالی است، بلاستینگ با مواد ساینده یک گام جلوتر می‌رود. در این فرآیند، مواد ساینده مانند شن یا دانه‌های شیشه‌ای با فشار بالا به قطعه پاشیده می‌شوند تا پرداخت سطحی دلخواه ایجاد شود. این فرآیند نیز با دیگر انواع تولید استفاده می‌شود، بنابراین انتخاب‌های تجهیزات شما گسترده است.

تومبلینگ با مواد ساینده

تومبلینگ با مواد ساینده یک فرآیند صاف‌کاری است که فراتر از بلاستینگ با مواد ساینده می‌رود یا می‌تواند به جای بلاستینگ دستی استفاده شود. در طی فرآیند تومبلینگ، قطعات به یک سطل تومبلینگ اضافه می‌شوند که شامل سایر مواد، مانند توپ‌های پلاستیکی است. قطعات با هم تومبل شده و در نتیجه سطحی ساتنی مانند به دست می‌آورند. این تکنیک برای قطعات با لبه‌های تیز یا ویژگی‌های شکننده توصیه نمی‌شود. تومبلرها با دیگر تکنولوژی‌های تولید نیز استفاده می‌شوند و از چند صد دلار شروع می‌شوند.

صاف‌کاری با بخار

در طی صاف‌کاری با بخار، لایه بالایی قطعات توسط حلال‌های شیمیایی در یک محفظه بخار حل می‌شود. نتیجه سطحی صاف، براق و یکنواخت است که خواص مکانیکی قطعه را حفظ می‌کند. اثر صاف‌کاری محدود به خارج نیست. قطعات پیچیده با کانال‌های داخلی یا دیگر ویژگی‌های پیچیده می‌توانند از این تکنیک بهره‌مند شوند.

رنگ‌آمیزی

دنیای سینترینگ لیزری انتخابی سیاه و سفید نیست. در واقع، قطعات SLS شما می‌توانند به هر رنگی رنگ شوند و سطح‌های مختلفی دریافت کنند که آن‌ها را از قطعات تزریق پلاستیکی متمایز نمی‌کند. تکنیک‌های دستی برای رنگ‌آمیزی و تکمیل وجود دارد، اما راه‌حل‌های خودکار برای سرعت و حجم ایده‌آل هستند.

نام برجسته در رنگ‌آمیزی قطعات SLS، DyeMansion است. این شرکت دستگاه DM60 را برای رنگ‌آمیزی عمیق قطعات در دسته‌های مختلف در هر رنگی ارائه می‌دهد. اگر آماده سرمایه‌گذاری در دستگاه DM60 خود نیستید، طیف وسیعی از ارائه‌دهندگان خدمات رنگ‌آمیزی DyeMansion را ارائه می‌دهند.

متأسفانه، رنگ‌آمیزی فقط در یک رنگ برای هر قطعه در دسترس است، اما چاپ‌های SLS قابل رنگ‌آمیزی هستند. پس از یک پوشش شفاف برای محافظت از رنگ، هیچ محدودیتی در گزینه‌های رنگ‌آمیزی وجود ندارد.

پوشش‌دهی

همانند دیگر انواع قطعات پلاستیکی، پوشش‌های مختلفی می‌توانند به قطعات چاپ سه‌بعدی SLS اعمال شوند، از جمله آبکاری فلزی برای ایجاد ظاهری فلزی به قطعات، پوشش‌های سرامیکی برای مقاومت شیمیایی.