چاپ سه بعدی سفال و سرامیک

شکل 1- ساخت قطعه حاوی ذرات سرامیکی به روش DLP و حذف پلیمر و سینترینگ در کوره

اما اینجا منظور از چاپگرهای سرامیکی، با تمرکز بر روش‌های پایه اکستروژن است که مستقیما یک فرمولاسیون سرامیکی یا سفالی را با فناوری مشابه FDM چاپ می‌کنند. با همه مزایا، یکی از محدودیت‌های روش اکستروژن عمودی بودن آن است که در ساخت اشیاء منحنی مسطح خوب نیست، نسبتاً کند است و خیلی دقیق نیست.

شکل 2- دو نوع چاپگر سرامیکی رباتیک

وقتی صحبت از چاپگرهای نوع اکستروژنی سرامیک می‌شود، می‌توان آنها را به سه بخش سازه، کلگی چاپ و پمپاژ سرامیک تقسیم کرد. منظور از سازه، ماشین کنترل سی ان سی است که کلگی چاپ را در فضای سه بعدی حرکت می‌دهد. کلگی چاپ مکانیزمی است که سرامیک یا سفال را روی سطح تغذیه می‌کند و تغذیه فرآیند رساندن توده مواد سرامیکی به سر چاپگر است. هیچ دستگاه کاملی وجود ندارد و روشهای مختلف کار با مکانیزم‌هایی متناسبند که با توجه به بودجه موجود انتخاب می‌شوند. مثلا بازوی ربات با شش درجه آزادی می‌تواند به عنوان سازه استفاده شود اما لزوماً متناسب با بودجه نخواهد بود. چاپگر رباتیک سه بعدی متعارف از اتصال پروفیل‌های فلزی ساخته می‌شود، مگر اینکه لازم باشد از تمام محورهای بازوی ربات استفاده شود (شکل 2).

اگر از استفاده از بازوی ربات برای چاپ سه بعدی صرف نظر کنیم، به سازه استاندارد مکعبی کارتزینی (شکل 3 – الف) یا سازه سه دکل دلتا (شکل 3 – ب) می‌رسیم. در مدل‌های دلتا، صفحه ساخت حرکت نمی‌کند و از این جهت برای ساخت قطعات سنگین مناسب‌تر است.

شکل 3- (راست) دو نوع چاپگر کارتزینی کلگی متحرک و صفحه ساخت متحرک. (چپ) چاپگر سرامیکی دلتا با مخزن تغذیه جانبی

دو نوع کلگی چاپ برای سرامیک‌ها مرسوم است. اولین مدل آن کلگی‌های دارای مخزن است که کار تغذیه مواد را هم به نازل چاپ انجام می‌دهد. این نوع کلگی‌ها هم در انواع متحرک و هم ثابت موجودند. در انواع ثابت، قطعه روی صفحه ساخت حرکت داده می‌شود تا نقطه لایه نشانی زیر نازل قرار گیرد. نوع دوم کلگی، فقط دارای نازل لایه نشانی است و تغذیه سرامیک توسط یک مخزن بیرونی انجام می‌شود که سرامیک از آن توسط فشار باد یا توسط یک پمپ به کلگی انتقال می‌یابد.

شکل 4- دو نوع سیستم تغذیه در چاپگرهای سرامیکی

نکته‌ای که باید در اینجا مورد توجه قرار گیرد، آن است که کلگی با مخزن یکپارچه، محدودیت حجم مواد دارد و برای چاپ اشیاء بزرگ، بایستی چندین بار مخزن را شارژ کرد. این موضوع را باید توجه داشت که در صورت بزرگ شدن قطعه چاپ، مواد مورد نیاز چندین برابر بیشتر می‌شود. فارغ از یکپارچه بودن کلگی یا جانبی بودن سیستم تغذیه، تغذیه می‌تواند توسط هوای فشرده یا سیستم سیلندر-پیستون سرنگ مانند انجام شود (شکل 4). 

شکل 5- انواع سیستم‌های تغذیه دو مرحله‌ای

 برخی سیستم تغذیه هوای فشرده را ترجیح می‌دهند چرا که ساده‌تر است، به راحتی تمیز می‌شود و نیازی به تنظیمات نرم‌افزار اسلایسر ندارد. فشار 4 تا 6 بار آن هم صدمه‌ای به اجزا نمی‌زند و در صورت گرفتگی، فقط جریان سفال متوقف می‌شود. ایراد آن هم نیاز به تجهیز اضافی کمپرسور هوا است. سرنگ‌های مکانیکی قادر به فشار دادن خاک رس سفت‌تر هستند که می‌تواند با توجه به سبک کار و طراحی چاپگر مفید باشد. رس تحت فشار آب خود را از دست می‌دهد و فشار بالاتر آب بیشتری را خارج می‌کند و برای فشرده سازی رس سفت‌تر شده، فشار بیشتری لازم است که خود مشکل را تشدید می‌کند. همچنین استفاده از خاک رس سفت روی فرم‌های خمیده، می‌توااند منجر به جدایی لایه‌ها یا ترک خوردگی شود. روش اصلاح این ایراد آن است که از خاک رس نرم استفاده شود و با استفاده از لامپ‌های حرارتی یا هوای گرم آن را سفت کرد.

  تنظیمات چاپ سرامیکی

اولین نکته‌ای که ممکن است در چاپ قطعات سرامیکی مطرح شود، ضخامت لایه چاپ است. ضخامت لایه برش به عرض دیواره و سلیقه شخصی بستگی دارد ولی به عنوان یک راهنمای کلی، ضخامت لایه به اندازه یک سوم عرض دیواره تنظیم می‌شود. هرچه ضخامت لایه نسبت به عرض دیوار پهن‌تر باشد، چاپ پایدارتری خواهیم داشت و در هر حال باید مطمئن شد که لایه‌ها به خوبی فشرده شده باشند تا به هنگام خشک کردن ترک ایجاد نشود.

عرض دیواره به اندازه نازل بستگی دارد. عرض چاپ کمی بیشتر از قطر نازل می‌شود. مثلا به هنگام استفاده از نازل 1.6 میلی متر، عرض دیواره به 1.8 میلی متر تا 2 میلی متر گسترش می‌یابد و بر این اساس ضخامت لایه در نرم‌افزار روی 0.6 میلی متر تنظیم می‌شود. یک نازل 2 میلی متری منجر به عرض دیواره در حدود 2.2 تا 2.5 میلی متر می‌شود و ارتفاع برش روی 0.8 میلی متر تنظیم می‌شود. در دستگاه بزرگتر با استفاده از نازل 3.5 میلی متر، عرض دیواره حدود 5 میلی متر است و ضخامت لایه روی 1.2 میلی متر استفاده می‌شود. بنابراین ضخامت لایه بیشتر به یک چهارم عرض دیوار نزدیک است.

اندازه نازل با مقیاس چاپ تغییر می‌کند و البته میزان جزئیاتی را که می‌توان ایجاد نمود را تعیین می‌کند. گوشه یا لبه فقط می‌تواند به اندازه قطر اکستروژن سرامیک باشد. نازل بر ضخامت لایه نیز تأثیر می‌گذارد بنابراین اگر به دنبال یک ضخامت لایه خوب هستید احتمالاً از یک نازل کوچک استفاده خواهید کرد. اگر به دنبال جزئیات در چاپ قطعه‌ای با ارتفاع 20 تا 30 سانتی متر هستید، از یک نازل کوچک 1.6 میلی متری استفاده کنید و ضخامت لایه را روی 0.6 میلی متر تنظیم کنید. این چاپ به کندی انجام می‌شود اما به دیوار مقاومت، پایداری و جزئیات خوبی می‌بخشد. نازل 2 میلی متری احتمالاً اندازه اولیه مناسبی برای چاپ اشیا بلند با ارتفاع 10 تا 20 سانتی متر با یک دیواره است. بدیهی است که می‌توانید از هر نازل اندازه ای که می‌خواهید استفاده کنید اما اگر به دنبال اکستروژن بزرگ هستید، ابتدا اطمینان حاصل کنید که دستگاه شما می‌تواند مواد کافی برای اندازه نازل منتخب را عبور دهد چرا که مقدار مواد مورد استفاده بسیار افزایش می‌یابد. برای لایه اول، بایستی کف صفحه ساخت را مرطوب کرد تا از چسبیدن لایه اول اطمینان حاصل شود.

از تنظیمات درصد پرشدگی (infill density) موجود در نرم افزار اسلایسر می‌توان برای چاپ سرامیک استفاده کرد اما ممکن است کاملاً نامرتب شود. برنامه‌های اسلایسر تنظیمات زیادی را ارائه می‌دهند که نیاز به آزمایش دارد. اگر قصد استفاده از این امکان را دارید، توصیه می‌شود دو یا چند دیواره چاپ کنید تا دیواره بیرونی تمیز ساخته شود و احتمالا دیواره داخلی توسط الگوی پر کردن به هم بریزد.

ساختار حامی (support) ارائه شده توسط نرم افزار نیز معمولا نازک‌تر از آن است که با خمیر سرامیکی نرم ساخته شود. کار درست در اینجا این است که قبل از آماده سازی در اسلایسر، در مرحله طراحی، یک ساختار حامی قابل چاپ در مدل خود ایجاد کنید. یا اینکه هنگام چاپ و با دست تکیه گاه را با خاک رس بسازید و در هنگام لزوم آن را در جای مناسب چاپ قرار دهید. همچنین می‌توان از سیم صاف و ظریف در سراسر قطعه استفاده کرد تا محل‌های مشکل‌دار را در قطعه در حال چاپ مهار کند. این سیم‌ها پس از چاپ و پس از سفت شدن سفال و قبل از خشک شدن آن، خارج می‌شوند. حفره کوچک باقیمانده در سطح را نیز، می‌توان با کمی خاک رس پر کرد.

با خشک شدن خاک رس، باید از خشک شدن غیر یکنواخت جلوگیری کرد زیرا این امر می‌تواند باعث ایجاد جمع شدگی و تنش شود که در بدترین حالت ممکن است منجر به ترک خوردگی شود. باید اجازه داد کل قطعه به طور یکنواخت خشک شوند و این کار می‌تواند در دمای اتاق انجام شود، به شرطی که نواحی پرشده داخلی زیادی وجود نداشته باشد. در این حالت، می‌توان یک پلاستیک روی آن بیندازید تا کندتر خشک شود. در هر حال اجسام سفالی قبل از اینکه در کوره قرار گیرند، باید استخوان خشک شوند. چاپ را می‌توان هنگام چاپ خشک کرد تا سفت شود و از خود پشتیبانی کند تا از بین نرود. اگر شکل شما از خود پشتیبانی می‌کند، بهتر است از خشک شدن اجباری جلوگیری کنید. اگر خشک می‌کنید خیلی خشک نشوید. ترجیحاً اطراف چاپ خود را خشک کنید و هنگامی که خشک شدن را شروع کردید، بهتر است خشک شود. این ضروری نیست اما خشک شدن باعث می‌شود تا حد کمی شخصیت سطح تغییر کند و در صورت خالص خشک شدن به دلیل تحریف سطح قابل مشاهده است. لامپ های حرارتی (همانطور که برای دوزیستان حیوانات خانگی گرم می‌شود) یا لامپ های عکاسی خوب هستند زیرا گرمای تابشی خیلی زیاد نیست اما باید به اطراف فرم منتقل شود. هوای گرم برای خشک شدن خوب است اما حرکت هوا نباید آنقدر شدید باشد که دیوار چاپ را حرکت دهد.

شکل 6- سفال‌های ساخته شده به روش باستانی مفتول پیچی

یکی از انواع متداول سفال/سرامیک قابل چاپ، گل رس است و تقریباً از تمام انواع رس می‌توان در چاپ سه بعدی استفاده کرد اما برخی از رسها بهتر از سایرین چاپ می‌شوند. آنچه شما به دنبال آن هستید مخلوطی است که خیلی چسبناک نباشد، دارای بافت ریز باشد و به سرعت خشک شود. اگر از مواد خیلی زبر استفاده کنید، پیچ کلگی چاپ دچار خوردگی می‌شود. فرآیند چاپ سه بعدی سفال خیلی شبیه روش باستانی مفتول پیچی سرامیک است (شکل 6). با این تفاوت که کل عملیات، با کامپیوتر کنترل می‎‌شود.

خاک رس خالص قرمز اغلب چسبناک است و اگر چاپگری دارید که خاک رس از طریق یک لوله نازک بلند تغذیه می‌شود، جریان‌یابی خیلی خوبی نخواهید داشت، بخصوص اگر توقف-شروع زیادی در چاپ قطعه وجود داشته باشد. خاک رس ریز خشک، در خشک شدن نیز آهسته هستند. خاک رس قرمز شنی یا خاک رس قرمز مخلوط شده با خاک رس‌های دیگر عملکرد بهتری خواهد داشت. افزودن مقدار مناسب (30-15%) شاموت (رس نسوز کلسینه) یا گروگ (کائولن کلسینه)، کمک می‌کند که خاک رس چسبنده نباشد و ترکیب بهتر حرکت کند. افزودنی‌هایی مانند الکل (برای زود خشک شدن)، پودر سلولز (برای ایجاد قوام) و غیره نیز می‌توانند در فرمولاسیون چاپ وجود داشته باشند. نمونه‌ای از فرمولاسیون سفال قابل چاپ عبارت است از: 35 واحد Hyplas 71 Ball Clay، 20 واحد Grolleg China Clay، 15 واحد FFF Feldspar، 30 واحد Fine Molochite و 2 واحد Bentonite.

.JK Guide to Clay 3D_Printing , Jonathan Keep, 2020

.3D printing of ceramics- A review, Chen et al., 2019

A review on additive manufacturing of ceramic materials based on extrusion processes of clay pastes