چاپگرهای رزینی

برای اغلب علاقمندان، چاپگرهای ذوب فیلامنت یا FDM شناخته شده است اما چاپگرهای دیگری نیز وجود دارند که در سطح وسیعی استفاده می‌شوند، و با فناوری پخت رزین با تابش نور UV کار می‌کنند.

با آن که هیچ قانون مشخصی برای انتخاب روش مناسب برای ساخت یک قطعه حرفه‌ای وجود ندارد، اما در موارد زیر چاپگرهای رزینی مورد توجه هستند:

• قطعاتی با کیفیت مشابه روش تزریق
• قطعات با جزئیات پیچیده، هندسه‌های پیچیده و جزئیات زیاد
• قطعات با سطح بسیار صاف یا بافت نرم
• چاپ قطعات با مواد مختلف (یکبار چاپ قطعه انعطاف پذیر و یکبار قطعه سفت)
• ساخت قطعات از پلیمرهای زیست سازگار
• ساخت قطعات شفاف

فن آوری های مختلف چاپگرهای رزینی

فرض کنیم با توضیحات داده شده، شما به این نتیجه رسیده‌اید که چاپگر رزینی برای شما مناسب است، حالا چه؟ ابتدا نگاه مختصری به اصول چاپ نوری رزینی داشته باشیم. در این چاپگرها، یک ظرف حاوی رزین حساس به نور UV وجود دارد که توسط یک صفحه شفاف از جنس پلی‌اتیلن-پروپیلن فلورینه شده یا شیشه پوشش داده شده با سیلیکون، از منبع تابش جدا شده است. نور از این لایه شفاف عبور داده شده و به لایه رزینی بین صفحه شفاف و صفحه ساخت تابانده می‌شود تا آن را پخت کند. پس از پخت این لایه، صفحه ساخت بالا رفته و یک لایه بالاتر می‌ایستد و از آنجا که رزین پخت شده به صفحه ساخت چسبیده است، تابش نور، لایه جدید بین  لایه پخت شده چسبیده به صفحه ساخت و صفحه شفاف را پخت می‌کند. این چرخه آن قدر تکرار می‌شود تا کل قطعه لایه به لایه ساخته شود.

این فناوری، در شکل‌های مختلفی مانند استریولیتوگرافی (SLA)، پردازش نور دیجیتال (DLP)، صفحه نمایش کریستال مایع (LCD) ظهور پیدا کرده است که نتایج متفاوتی را از توازن بین سرعت و کیفیت ایجاد می‌کنند. در اینجا البته، اصطلاحات فناوری ممکن است گیج کننده باشند. امروزه استریولیتوگرافی (SLA) به طور کلی همیشه به استریولیتوگرافی لیزر اشاره دارد و اصطلاح کلی استریولیتوگرافی ماسک دار (MSLA) اغلب مترادف با LCD است. در SLA از اشعه لیزر و آینه‌های دقیق برای هدایت نور به یک مکان دقیق استفاده می‌شود. در DLP از یک پروژکتور برای تابش تصویر مقطع قطعه تابانده می‌شود تا رزین در آن نواحی پخت شود. در فناوری LCD نیز پیکسل‌های نور با عبور از ماسک انجام شده توسط کریستال مایع، نواحی تعیین شده را پخت می‌کند.

اگرچه چاپگرهای قابل مقایسه زیادی در بازار وجود دارد، تعداد کمی از تولیدکنندگان از فناوری منحصر به فرد و غالباً انحصاری برخوردارند که نتایج چشمگیری را به همراه دارد. به عنوان مثال، در فرآیند چاپ سه بعدی سنتز نور دیجیتال شرکت کربن (DLS)، از تابش دیجیتال، اپتیک نفوذپذیری اکسیژن و “رزین‌های مایع قابل برنامه ریزی” برای تولید قطعاتی استفاده می‌شود که بعد از چاپ با وقوع یک واکنش شیمیایی ثانویه در آون پخت می‌شوند و باعث تقویت خواص مکانیکی ماده می‌شود. روند چاپ در این فناوری بسیار سریع است و شرکت کربن می‌گوید می‌تواند در عرض چند دقیقه جسمی را چاپ کند که با فرایندهای استاندارد مبتنی بر رزین، ساعت‌ها طول بکشد.

فناوری نسبتا جدید P3 شرکت Origin مبتنی بر فناوری کنترل نور، دما و سایر شرایط درون چاپگر است تا قطعات سه بعدی دقیق‌تر و قابل تکرارتری تولید کند.

شرکت Incus در سال 2019 از یک فناوری چاپ رزین فلزی استفاده کرد، که در آن پودر فلز به طور همگن در رزین پراکنده شده و با قرار گرفتن در معرض نور پلیمریزه می‌شود. این شرکت می‌گوید، این روش ساخت قطعات فلزی مبتنی بر لیتوگرافی، قطعاتی با همان خصوصیات مواد تولید شده توسط قالب تزریق فلز ایجاد می‌کند.

با توجه به هزینه کم واحدهای LCD، استریولیتوگرافی ماسک دار MSLA به فناوری رایج در بخش چاپگرهای رزین رومیزی ارزان قیمت تبدیل شده است، اما چاپگرهای حرفه ای Structo و Peopoly این فناوری را به سطح بالاتری رسانده‌اند.

مقایسه فناوری‌ها

همانند DLP، چاپگرهای LCD نیز بسیار سریع‌تر از انواع SLA هستند، چرا که کل لایه در آن واحد پخت می‌شود و لازم نیست اشعه UV سطح را روبش کند تا یک لایه رزین پخت شود. در عین حال ضعف‌هایی نیز در آن وجود دارد. مثلا اینکه صفحه LCD در چاپگرهای مبتنی بر آن یک جزء آسیب‌پذیر محسوب می‌شود که بین آن و رزین، تنها یک لایه پلیمری قرار دارد و هر آن ممکن است با پارگی صدمه ببیند. علاوه بر این، نوری که اکثریت قریب به اتفاق این چاپگرها استفاده می‌کنند، نور ماورا بنفش با طول موج بین 350 تا 420 نانومتر است. این نور ماورا UV بنفش به سرعت LCD را از بین می‌برد، به این معنی که ماژول LCD به یک کالای مصرفی تبدیل می‌شود، و به همین دلیل است که اغلب دستگاه های SLA ماسک دار در بازار بیش از 3 ماه ضمانت LCD ندارند. نکته دیگر در مورد دستگاه‌های LCD آن است که برخلاف SLA، اینجا قوس به معنای واقعی نداریم و هر انحنایی تشکیل شده از پیکسل‌های ریز کنار هم است. البته اثر  پیکسلی این چاپگرها، در مقایسه با فناوری FDM ناچیز است.

اگر بخواهیم فرآیند پخت رزینی را با FDM مقایسه کنیم، باید گفت یکی از بارزترین نکات اختلاف بین FDM و Masked SLA وضوح قابل توجه بالاتر دستگاه SLA یا DLP است. به عنوان مثال، چاپگر FDM شما با قطر نازل 400 میکرونی، هر لایه را با ضخامت حدود 100 تا 300 میکرون چاپ می‌کند. حال آن که با استفاده از چاپگر سه بعدی LCD، ارتفاع لایه به مقدار باورنکردنی 25 تا 100 میکرون کاهش می‌یابد. برای مقایسه، باید دانست قطر موی انسان به طور متوسط 65 میکرون است. این بدان معناست که نه تنها این چاپگرها قادر به چاپ مدل‌هایی با وضوح قابل توجهی بالاتر هستند، بلکه چندین برابر توانایی چاپ جزئیات بالاتری را دارند که چاپ FDM به سادگی قادر به ایجاد آن نیست.

نکته بسیار جالب دیگر تفاوت بین FDM و LCD نحوه کار ساختارهای پشتیبان یا حامی (support) است. معمولا عادت داریم مدل‌ها را دقیقاً مشابه مدل‌های FDM، به صورت صاف بر روی سطح ساخت قرار دهیم تا نیاز به مواد پشتیبان را کاهش دهیم. اما گاهی بهتر است که کل مدل از لمس صفحه ساخت محروم باشد و توسط مواد پشتیبانی کاملاً معلق باشد. این کار، مدل‌های بسیار سازگارتر و بدون انبوهی از رزین پخته شده اضافی در پایین مدل تولید می‌کند. هرچند این کار، به طور قابل توجهی کارایی استفاده از دستگاه را کاهش می‌دهد و باعث اتلاف بیشتر مواد می‌شود، زیرا مواد پشتیبان باید به طور فیزیکی برداشته و دور ریخته شود. با توجه به این نکات، چاپ قطعات در زاویه 45 درجه (تقریباً) بهترین نتیجه را دارد و میزان مواد پشتیبان را کاهش می دهد.

بهتر است مواد پشتیبانی قبل از عملیات نهایی ترمیم برداشته شود، زیرا این قسمت در صورت پخت کامل، کاملاً شکننده می‌شود. به این ترتیب می‌توانید لکه های نگهدارنده را به راحتی با چاقوی جراحی تمیز کرده و نتیجه نهایی را بهتر کنید. نکته دیگر این که می‌توانید و باید، مدل‌هایی را که روی دستگاه‌های LCD چاپ می‌کنید توخالی کنید. این دستگاه‌ها پرکننده جزئی را در داخل نمونه چاپ نمی‌کنند بنابراین مدل به طور پیش فرض با پر شدن 100٪ چاپ می‌شوند. این موضوع نه تنها به طرز باورنکردنی مواد را هدر می‌دهد، بلکه می‌تواند از پخت درست مدل هنگام استفاده از رزین های غیرشفاف جلوگیری کند.

برخلاف چاپ سه بعدی با فناوری FDM، فرآیند SLA قبل از دریافت محصول نهایی خود به چند مرحله دیگر نیاز دارد. در FDM، ساخت، اساساً پایان فرآیند است (البته با نادیده گرفتن حذف مواد پشتیبان). در SLA باید ابتدا مدل در یک حلال تمیز شود تا تمام رزین های پاک نشده مدل شسته شود. این کار معمولاً در الکل ایزوپروپیل 95٪ یا متیلال انجام می‌شود. پس از شستشوی دقیق قطعه، باید آن را در طول موج مشخص شده در معرض نور قرار داد تا پخت آن کامل شود. همچنین لازم به ذکر است که این قطعه همیشه نسبت به نور در طول موج پخت خاص و نزدیک به آن حساس خواهد بود. این بدان معنی است که قطعاتی که احتمالاً به طور منظم در معرض نور UV قرار دارند باید رنگ آمیزی یا پوشش داده شوند تا از تابش بیش از حد نور ماورا بنفش به مدل جلوگیری شود.

رزین مورد استفاده در فرایند تولید افزودنی SLA ماده‌ای سمی است و باید با دقت بسیار بیشتری نسبت به سایر مواد مورد مصرف چاپ سه بعدی در سطح سرگرمی، با آن کار شود. اگرچه درست است که رزین مورد استفاده در چاپ سه بعدی SLA سمی‌تر از وسایل متداول خانگی، مانند تمیز کننده اجاق گاز یا محلول‌های بازکننده لوله نیست، اما به طور متوسط فرد عادی نمی‌تواند تماس چشمگیری با این مواد شیمیایی داشته باشد. بر همین اساس اطمینان از اینکه افراد تازه وارد این فناوری از خطرات ذاتی آن آگاهی دارند، مهم است.

در صفحه اطلاعات ایمنی مواد برای رزین‌های SLA آمده است که هنگام دست زدن به مواد، کاربر باید از دستکش و عینک استفاده کرد. اگر قطره‌ای از رزین روی قطعه چاپ شده اما شسته نشده، روی بدن بریزد، احساس سوزش و سوختگی جزئی شیمیایی حاصل می‌شود، هرچند باید دانست، هر فرد نسبت به مواد شیمیایی، حساسیت خاص خود را دارد و از قرار گرفتن مکرر در معرض رزین باید به هر قیمتی جلوگیری شود. اکیداً توصیه می‌شود دستورالعمل‌های MSDS رزین، چاپگر یا هر ابزاری را که قبلاً در چاپگر استفاده شده است، دنبال کنید.

این فناوری در طی مراحل چاپ، بخارهای کاملاً مضر تولید می‌کند و نباید در محل زندگی منزل یا فضاهای بسته انجام شود. اگر قصد استفاده از این فناوری را در خانه دارید، اطمینان حاصل کنید که بخارات را خارج می‌کنید. همچنین نگرانی‌های زیست محیطی قابل توجهی در مورد این ماده رزینی وجود دارد. در هیچ نقطه‌ای، رزین های پخته نشده نباید دفن شوند یا بدتر از آن به آب، راه پیدا کنند.

انتخاب چاپگر رزینی

برای فهمیدن اینکه کدام دستگاه به بهترین وجه نیازهای شما را برآورده می‌کند و با بودجه‌تان می‌خواند، ابتدا باید ابعاد قطعات، نوع مواد (انعطاف، وضوح) و سرعت مورد نیاز خود را تعیین کنید.

اگر در صنعت دندانپزشکی هستید، تعداد فزاینده‌ای از چاپگرهای رزینی به خصوص برای ایجاد محافظ‌های شبانه، مدل‌ها و ایمپلنت‌های شفاف به بازار عرضه می شوند (به بخش دندانپزشکی مراجعه کنید). به همین ترتیب بازار در حال رشد چاپگرهای رزینی در موضوعات تخصصی‌تر در حال گسترش است.

اگرچه در لیست اینجا محدوده قیمت چاپگرها ارایه می‌شود، اما قرار نیست که این تنها راهنمای شما باشد. باید در نظر بگیرید که این چاپگرها چقدر سریع چاپ می‌کنند، کیفیت چاپ آن‌ها چقدر است و مهمتر از همه با چه موادی می‌توانند کار کنند. و مانند هر خرید تجهیزاتی، دوام و سهولت نگهداری، ضمانت‌ها و پشتیبانی، و نیز بلوغ فن‌آوری و سطح پذیرش صنعت را با دقت ارزیابی کنید.

تولیدکنندگان چاپگرهای رزینی، موضوعاتی مانند یکنواختی و طول عمر منابع نوری، سهولت در کالیبراسیون صفحه ساخت، تصویری-لمسی بودن رابط کاربری و ویژگی های خاص مانند نظارت هم‌زمان بر تصویر و کنترل نرم افزاری بر شرایط داخل مخزن و یک منوی قوی از مواد سازگار را مورد توجه قرار داده‌اند. از دیگر ویژگی‌های جذاب دیگر چاپگرهای رزینی می‌توان به مخزن رزین بدون دردسر (کثیف‌کاری)، یکپارچه‌سازی چاپ و شستشو بصورت خودکار و چاپ دردمای متغیر اشاره کرد. این ویژگی ها و بسیاری موارد دیگر -بسته به مورد استفاده شما- تفاوت های ظریف یا قابل توجهی در روند کار، کارایی و نتیجه نهایی شما ایجاد خواهند کرد.

برخی از تولیدکنندگان فقط در مورد وضوح صحبت می‌کنند، در حالی که برخی دیگر از وضوح و دقت آن. وضوح به ضخامت لایه احتمالی اشاره دارد، به عنوان مثال 50 میکرومتر یا 100 میکرومتر. دقت به پنجره خطا برای چاپ قطعه اشاره دارد. به عنوان مثال ، دقت 20± میکرومتر به این معنی است که وضوح چاپ شما می تواند 20 میکرومتر بیش از یا کمتر از آنچه برنامه ریزی کرده اید باشد.

برای بیشتر کاربردهای دندانپزشکی، متخصصان معمولاً به دنبال دقت 50 میکرومتر هستند. برای جواهرات خوب، افراد حرفه‌ای به دقت 25 میکرومتر نیاز دارند و برای برخی از برنامه های پزشکی و الکترونیکی، شرکت‌ها به وضوح چاپ XY 5 میکرومتر و حتی کمتر نیاز دارند.

قاعده کلی این است که هرچه وضوح تصویر بالاتر باشد، چاپ قطعات شما بیشتر طول می‌کشد، و این جایی است که ماشین آلات صنعتی و حرفه‌ای با چاپگرهای رزینی مصرفی تفاوت دارند: چاپ سریع قطعات با وضوح بالا.

مراجع

ا.م. رضادوست، درس فناوری پیشرفته پلیمرها، پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران، 1399.

https://all3dp.com/1/resin-printer-decision-makers-guide/

https://diyodemag.com/education/exploring_3d_masked_stereolithography_3d_printing