پرینتر سه بعدی بایندر جت Binder Jet چیست؟

قبلا درباره تکنولوژیهای متنوع پرینتر سه بعدی همچون SLS و SLA که در کشورهای صنعتی در حال استفاده هستند، صحبت کرده بودیم. اکنون نوع دیگری از چاپگرهای سه بعدی موسوم به Binder Jetting را معرفی میکنیم. در این مقاله، اطلاعات پایه و موارد کاربردی و مزایا و محدودیتهای مربوط به تکنولوژی پرینت سه بعدی بایندرجت را توضیح خواهیم داد.

• چاپ سه بعدی بایندرجتینگ Binder Jetting چگونه کار میکند:

این فناوری نیز جزء خانواده ساخت موسوم به لایه افزایشی یا additive manufacturing و پلتفرم Drop On Demand میباشد. نامهای انگلیسی مشابه همگی به یک شیوه اشاره میکنند:

Powder bed and inkjet head 3D printing یا drop-on-powder همان Binder Jetting هستند. تکینک BJ اولین بار در انستیتو ماساچوست آمریکا (وابسته به دانشگاه MIT) سال ۱۹۹۳ توسعه یافته است.

Emanuel “Ely” Sachs و Mike J Cima

« ایلای ساچز» در سال ۱۹۹۳ تکنیک ساخت لایه افزایشی بایندر جت را به کمک همکارش در انجمن فناوری ماساچوست آمریکا ابداع کرد. در سال ۱۹۹۵ لایسنس تجاری آن به شرکت Z Corporation فروخته شد؛ شرکت Z Corporation سال ۲۰۱۲ به تملک کمپانی ۳D Systems درآمد (بنیانگذاری توسط چاک هال و مخترع چاپگر۳بعدی SLA). پس از آن به نامهای Z Printers یا Z Corp معرفی شد و رکورد سریعترین چاپگر سه بعدی جهان را کسب کرد. (سه برابر سریعتر از تمامی سازندگان)

Ely Sachs سال ۲۰۱۵ شرکت پیشرفته خود بنام Desktop Metal را تجاری کرد که اکنون سازنده پرینترهای سه بعدی فلزی رومیزی و صنعتی سایز بزرگ با روشی ابتکاری است.

در تکنیک بایندرجت، بر خلاف استفاده از لیزر، مایع شیمیایی همبستی با توجه به مختصات ریاضی مدل سه بعدی روی بستر پودری چاپ رسوب کرده و باعث همبستگی و سخت شدن متریال پودر (هر زمان یک لایه) میگردد. بدین ترتیب به تدریج کل مدل فیزیکی تکمیل میگردد.

متریالهای مرسوم در فناوری بایندرجت (همبست پرفشار) انواع پودر پلیمر و فلز، پلاستیک، شن و سرامیک در حالت گرانولار هستند. این نوع پرینتر سه بعدی کاربردهای وسیعی همچون نمونه سازی (پروتوتایپ) تک رنگ یا تمام رنگی از تندیس و قطعات صنعتی ثابت، ساخت قالبهای ریخته گری (شنی) بزرگ صنعتی و ساخت ارزان قطعات فلزی را فراهم کرده است.

با توجه به پیچیدگی فرآیند ساخت در پرینتر سه بعدی بایندرجت و کاربردهای متغیر آن، یک طراح یا مهندس که می خواهد از این نوع فناوری استفاده کند، نیازمند درک موارد پایه، محدودیتها و نحوه عملکرد آن میباشد. در زیر فرآیند چاپ به روش بایندرجت را مرحله به مرحله توضیح میدهیم:

1. ابتدا یک تیغه پوشش دهنده، لایه ای نازکی از متریال پودری را روی بستر چاپ پاشش میکند.
2. سپس، یک کاتریج با نازلهای inkjet (شبیه نازلهای جوهرافشان پرینترهای رومیزی کاغذی) روی بستر پودر شروع به حرکت میکند. حین این حرکت، قطرات چسب (ماده همبست دهنده) به صورت انتخابی (یعنی بر اساس مختصات مدل سه بعدی) روی لایه نازک پودر، نشست میکند. بدین ترتیب، ذرات پودر به یکدیگر پیوند یافته و سخت میگردند. در حالت رنگی، جوهر با رنگهای CMYK و ترکیب آنها، رنگ لازم را روی بستر قرار میدهد. قطر هر قطره همبست دهنده برابر با ۸۰ نانومتر میباشد که رزولوشن چاپ خوبی را فراهم میکند.
3. با تکمیل یک لایه، بستر چاپ در پلتفرم خود کمی پایینتر رفته و تیغه پوشش دهنده دوباره لایه نازک جدیدی را روی لایه تکمیل شده ریخته و فرآیند تکرار میشود.
4. پس از تکمیل فرآیند پرینت، قطعه ساخته شده، توسط متریال پودر بلااستفاده محصور شده است (encapsulated). بنابراین نیاز به حذف پودر از ظرف ساخت و استخراج قطعه از آن میباشد. این کار توسط دستگاه متراکم کننده هوا انجام میشود.

بر اساس نوع متریال استفاده شده در پرینت سه بعدی بایندرجت، فرآیند پس از چاپ (post-processing) نیز انجام میشود. چون قطعات پس از تکمیل در این نوع پرینتر، اصطلاحا در حالت خام (green state) بوده و بسیار شکننده، کم استحکام و مملو از خلل و فرج می باشند (خواص مکانیکی ضعیفی دارند).

مقاله مرتبط: معرفی تکنیکهای پرینت سه بعدی material Jetting

برای مثال در بایندرجت فلزی، قطعه ساخته شده از پرینتر خارج گشته و سپس به یکی از دو روش زیر پرداخت حرارتی میشود:

• Infiltration (با فلز برنز خلل و فرج پر می شود)
• sintering (حرارت بالا تا آلیاژ فولاد در قطعه همجوشی شده و خلل و فرج از بین برود.

قطعه تکمیل شده با بایندرجت رنگی نیز با ابرچسبها تقویت شده و سپس توسط اپوکسی درخشان میشوند. برعکس، بایندرجت قالبهای ریخته گری شنی بدون نیاز به این مراحل، سریعا آماده استفاده میباشند.

• خصوصیات پرینتر سه بعدی بایندر جت:

پارامترهای پرینتر BinderJet:

در فناوری Binder Jetting، تمامی شاخص های مرتبط با فرآیند ساخت، توسط کارخانه سازنده از تنظیم شده است.

ارتفاع لایه یا layer height بستگی به نوع متریال مورد استفاده دارد. پرینت سه بعدی رنگی بایندرجت، ارتفاع لایه معمول ۱۰۰ میکرون، برای قطعات فلزی ۵۰ میکرون و قالبهای ریخته  گری شن ۲۰۰ تا ۴۰۰ میکرون میباشد. بنابراین فعلا انتظار رزولوشن بسیار بالا در بایندرجت را نداشته باشید، اگر مزیت رنگی بودن آن را در نظر نگیریم.

یک مزیت پرینترهای سه بعدی بایندرجت نسبت به دیگر تکنولوژی های چاپ سه بعدی در تکمیل فرآیند سخت شدن و پیوستگی ذرات در محفظه حرارتی است که مشکلات بدریخت شدگی مثل جداشدن لایه، wrapping، رشته ای شدن و غیره را کاملا مرتفع کرده است.

در نتیجه ابعاد چاپ با فناوری Binder Jetting نسبت به دیگر تکنیکها، یک سر و گردن بالاتر است. بزرگترین سایز چاپ بایندر جت تا زمان نگارش این مقاله ۲۲۰۰x1200x600 میلیمتر میباشد. به تازگی ماشینهای بایندرجت عمدتا برای تولید قالبهای ریخته گری شنی بزرگ در کشورهای صنعتی استفاده میشوند.

مزیت دیگر «بایندرجت» همانند فناوری SLS، عدم نیاز به ساپورت گذاری (بافتهای نگهدارنده) حین چاپ است. چون متریال پودری احاطه شده همان عملکرد support را ایجاد میکند. پس بی نیازی به ساپورت، امکان ساخت ساختارهای پیچیده را بدون محدودیت زیاد فراهم میکند.

نکته: ممکن است هنگام فرآیند پس از چاپ بایندرجت، نادرستی فرم هندسی در طرحهای خیلی پیچیده اتفاق بیافتد (به ندرت).

با توجه به اینکه در Binder Jet قطعه حین ساخت نیازی به چسبیدن به بستر چاپ ندارد میتوان کل مخزن را مورد استفاده قرار داد (bin packing Problem). البته این فناوری بیشتر برای تولید گروهی با کیفیت معمول تا متوسط میباشد.

• چاپ سه بعدی بایندرجت رنگی:

همانطور که قبلا هم گفتیم، فناوری چاپ سه بعدی بستر پودر و نازل جت، امکان ساخت قطعات تمام رنگی را نیز فراهم کرده است. این مزیت در کشورهای صنعتی به خوبی برای تولید حجمهای توپوگرافیک رنگی با هزینه کم استفاده میشود.

متریال تمام رنگی بایندرجت، پودر ماسه سنگ یا PMMA powder میباشد. طبق توضیحی که در بالا هنگام شرح دادن مراحل ساخت بایندرجت دادیم، نازل جت ابتدا ماده چسبناک را پاشیده و سپس جوهر رنگی ریخته میشود. رنگهای جوهر همانند پرینترهای رومیزی کاغذی جوهرافشان  حالت CMYK بوده که  ترکیب رنگی متنوعی ایجاد میکند.

پس از اتمام پرینت رنگی، قطعه خام با ماده cyanoacrylate یا مواد مشابه که همگی نوعی ابرچسب (super glue) هستند، پوشیده میشود. هدف از این کار افزایش استحکام و درخشندگی قطعه نهایی میباشد. پس از این مرحله لایه اپوکسی هم اضافه میشود تا بار دیگر استحکام و صافی سطح افزایش یابد.

نکته: حتی با تمامی این پوششکاری ها، باز هم قطعه خواص مکانیکی ضعیفی داشته و شکننده هستند. پس بایندرجت رنگی برای تولید قطعات با کارکرد مکانیکی به هیچ وجه توصیه نمیشوند.

برای تولید بی نقص یک قطعه تمام رنگی با پرینتر سه بعدی بایندرجت، فایل CAD حتما باید شامل اطلاعات رنگی باشد. این داده های رنگی با دو متد در نرم افزار Cad قابل تنظیم است:

per face approach – texture map

حالت face approach مزیت سادگی و آماده سازی سریع را دارد در حالی که داده گذاری رنگی در حالت texture map کنترل پذیری بیشتری را فراهم میکند. برای گرفتن خروجی اطلاعات رنگی مدل سه بعدی باید به دستورالعمل و راهنمای نرم افزار CAD خود مراجعه شود.

• کاربرد بایندر جتینگ در قالبسازی و ریخته گری:

ساخت قالب شنی بزرگ برای ریخته گری فلزی از مهمتری کاربردهای چاپگر سه بعدی بایندرجت میباشد. هزینه پایین و سرعت ساخت بالا و ابعاد بزرگ و امکان قالبگیری حجمهای پیچیده هندسی (که در روشهای سنتی غیرممکن میباشد) از مزیت های بایندرجت برای قالبسازی است.

متریال مورد استفاده در این تکنیک، شن و سلیکا (سیلیس: ترکیبی از دی اکسید سیلیسیم) بوده و پس از اتمام پرینت، نیازی به عملیات اضافه ای نیست و قطعه سریعا امکان قالبسازی را دارد.

• پرینت سه بعدی بایندرجت فلزی:

پرینت سه بعدی فلز با تکنیک بایندرجت به میزان ۱۰ برابر اقتصادیتر از روشهای چاپ سه بعدی لیزر SLS یا SLM میباشد. ابعاد چاپ در این روش بزرگتر بوده و به ساختار ساپورت نیازی نیست، بنابراین ساخت فرم های هندسی پیچیده ممکن شده است و اثرات بدی روی قطعه باقی نمیماند. البته فراموش نکنید که رزولوشن به ۵۰ میکرون محدود است و برای قطعات تا کیفیت متوسط مناسب خواهد بود. پس بایندرجت کاربردی در تولید پارتهای فلزی اصطلاحا high-end ندارد.

• مراحل پالایش و هم جوشی (Infiltration & Sintering):

در بخشهای قبلی این مقاله گفتیم که بایندرجت با توجه به متریال مورد استفاده (فلزی، پلاستیک یا رنگی) قطعه ای اصطلاحا خام (green state) تولید کرده و نیاز به انجام مراحل تکمیلی (post processing) دارد. هدف بهبود خواص مکانیکی قطعه تولیدی میباشد و دو متد با توجه به متریال به کار میرود:

Infiltration: پس از اتمام کار پرینت سه بعدی، قطعه در کوره دمای پایین قرار داده شده و تا ماده چسبنده اضافه خارج گردیده و خلل و فرج ۶۰ درصدی قطعه به کمیت کمتری کاهش یابد. همچنین استحکام نیز بهبود می یابد. ماده پوششی عمده در این مرحله، ترکیبی از برنز میباشد.

Sintering: پس از اتمام پرینت، قطعه در کوره دمای بالا قرار داده میشود، ماده چسبنده سوخته و ذرات فلز باقی مانده در هم جوش میخورند. بنابراین نفوذپذیری نیز کاهش یافته است.

• خواص و کمیتها در بایندرجت فلزی:

شاخص دقت و مقاومت در این تکنیک بسته به فرمت هندسی مدل تنوع زیادی ایجاد میکند و نمی توان به قطعیت ضریبی عمومی برای آن تعریف کرد. به طور مثال اشیایی با طول ۲۵ تا ۷۵ میلیمتر ضریب آبرفتگی یا shrink به میزان ۰٫۸ تا ۲ درصد خواهند داشت؛ در پارتهای بزرگتر ضریب shrink تا ۳ درصد تخمین زده میشود. بنابراین تعیین ضریب shrink یکسان، مسئله پرچالشی در بایندرجتینگ فلزی میباشد و برای داشتن قطعه ای مناسب، همکاری فنی طراح مدل سه بعدی با اپراتور ماشین بایندرجت ضروریست.

قطعات بایندر جت هم جوشی شده یا پالایش شده (مراحل پس از پرینت) با وجود کاهش خلل فرج بیرونی، از قسمت داخل نفوذپذیر هستند. (sintering تراکم یا چگالی ۹۷ درصد و infiltration تراکم یا چگالی ۹۰ درصد دارد). به همین علت بود که در بخشهای قبل گفتیم قطعات بایندرجت نباید برای کارکردهای مکانیکی به کار روند. چون نفوذپذیری داخلی خواص مکانیکی قطعه را کاهش میدهد: ترک خوردگی، فرسودگی، ضریب شکستگی و کشسانی به خاطر خلل و فرج درونی در این قطعات ضعیف میباشد.

نکته: میتوان با فرآیندهای پیشرفته فلزکاری مثل Hot isostatic pressing:HIP نفوذپذیری داخلی را حذف نمود که هزینه و زمان بیشتری را می طلبد. کار راحتتر استفاده از پرینترهای سه بعدی فلز SLS و SLM میباشد. در عکس زیر کمیتهایی که توضیح دادیم را در پلتفرمهای BJ و SLS  مقایسه کرده ایم.

 

• متریال متداول تکنولوژی پرینتر سه بعدی بایندرجت:

پودرهای گرانول Binder Jetting متنوع هستند. تعیین نوع متریال با توجه به کارکرد نهایی قطعه چاپ شده انتخاب میشود. مثلا پودر سرامیک بایندرجت قیمت پایینی در کشورهای صنعتی دارد. پودر فلز قیمت بالاتری دارند (البته نسبت به متریال SLS فلزی بسیار ارزان تر هستند). همچنین مثل چاپگر سه بعدی SLS، پودر مازاد در مخزن چاپ بایندرجت قابل استفاده دوباره میباشد.

• جمع بندی مزایا و محدودیت های پرینت سه بعدی Binder Jet:

1. فناوری بایندرجتینگ، قطعات فلزی و تمام رنگی را با هزینه بسیار کمتری نسبت به تکنیکهای SLS و SLM تولید میکند.
2. فناوری بایندرجتینگ امکان چاپ سه بعدی قطعات بسیار بزرگ، حجمهای پیچیده هندسی بدون خطاهای مرسومی مثل wrapping را به طراحان و مهندسین اعطا نموده است.
3. فناوری بایندرجتنیگ برای تولید و نمونه سازی گروهی قطعات تا کیفیت متوسط ایده آل است.
4. قطعات چاپ شده با بایندرجت خواص مکانیکی ضعیف تری نسبت به SLS‌ دارند (چون ضریب تخلخل درونی آنها بالاتر است).
5. بهترین کاربرد بایندرجت در تولید قالبهای ریخته گری بسیار بزرگ شنی با جزییات بالا و هزینه کم و زمان سریع میباشد.
6. با وجود توانایی خوب بایندرجتینگ در ارائه جزییات چاپ، فراموش نکنید که فرمهای هندسی باید سخت و مقاوم بوده تا حین عملیاتهای پس از پرینت همچون sintering و infiltrated دچار شکستگی نشوند.
7. در برخی صنایع، فناوری پرینت سه بعدی بایندرجتینگ با محدودیت متریال مواجه میشود.
8. در کشور ایران، فناوری بایندرجتینگ توسط شرکتهای دانش بنیان در حال توسعه یافتن میباشد.

خرید پرینتر سه بعدی رومیزی >>