مدلسازی رسوب ذوب شده (FDM) به فرآیند تولید افزودنی استفاده از پلیمر ترموپلاستیک ذوب شده برای ساخت یک شی در مسیر لایه به لایه اشاره دارد [1]. از بین روش‌های مختلف برای چاپ سه بعدی، FDM رایج‌ترین فناوری از زمان اختراع و ثبت اختراع آن در سال 1989 توسط اسکات کرامپ، بنیانگذار Stratasys Ltd. [2] بوده است. FDM یکی از سریع ترین و مقرون به صرفه ترین تکنیک ها است. محبوبیت آن را می توان در صنایع مختلفی از جمله هوافضا، خودروسازی، کالاهای مصرفی و مراقبت های بهداشتی یافت، زیرا شرکت ها از FDM برای نمونه های اولیه، توسعه محصول و نمونه برداری و فرآیند تولید استفاده می کنند [3].

رایج ترین مواد رشته ای مورد استفاده در FDM عبارتند از:

در این مقاله با موارد زیر آشنا خواهید شد:

مدل سازی رسوب ذوب شده چیست؟
چه رشته هایی برای مدل سازی رسوب ذوب شده استفاده می شود
مزایا و محدودیت های این رشته ها چیست
چگونه بازار رشته های مدل سازی رسوب ذوب شده در حال رشد است
برخی از کاربردهای آینده FDM چه خواهد بود؟

مدل سازی رسوب ذوب شده چیست؟

FDM یک فرآیند تولید افزایشی است که در آن از روش اکستروژن مذاب برای قرار دادن رشته‌های مواد ترموپلاستیک و پلی اسیدی با پیروی از یک الگوی خاص برای تولید یک مدل فیزیکی سه بعدی (3 بعدی) استفاده می‌شود. در این فرآیند از پلیمرها به عنوان ماده خام (یا رشته ها) استفاده می شود. رشته ها تا یک حالت ذوب شده گرم می شوند و سپس توسط نازل یک ماشین سه بعدی یا چاپگر اکسترود می شوند تا با قرار دادن لایه ها یک شی را رسوب دهند [4]. این نازل توسط نرم افزار ساخت کامپیوتری (CAM) کنترل می شود و می تواند در هر دو جهت افقی و عمودی حرکت کند. FDM همچنین به عنوان ساخت فیلامنت ذوب شده (FFF) شناخته می شود.

از چه رشته هایی برای مدل سازی رسوب ذوب شده استفاده می شود؟

در طول سه دهه گذشته تحقیقات، دانشمندان و مهندسان انتخاب گسترده ای از مواد را برای استفاده به عنوان رشته برای FDM ارائه کرده اند. همه مواد هم مزایا و هم چالش‌هایی را برای انتخاب کاربر و همچنین سطوح مختلف پیشرفت در فناوری، سخت‌افزار مورد نیاز و بهترین شیوه‌ها برای موفقیت در انتخاب مواد یک پروژه خاص ارائه می‌کنند. در اینجا توضیح مختصری از برخی از رایج ترین رشته های FDM موجود در بازار آورده شده است.

پلی لاکتیک اسید (PLA)

PLA یک پلی استر ترموپلاستیک زیست تخریب پذیر است که از منابع طبیعی تجدیدپذیر مانند ذرت، نیشکر، گندم یا سایر منابع پر کربوهیدرات ساخته شده است. PLA در حال حاضر، پرکاربردترین ماده در پرینت سه بعدی است. به دلیل ویژگی های سازگار با محیط زیست، برای کاربردهای بسته بندی مواد غذایی و برای کاربردهای جراحی و پزشکی مناسب است [4][5].

مواد مختلف PLA را که در حال حاضر در Matmatch فهرست شده است، بررسی کنید.

جدول 1. مزایا و محدودیت های PLA.

مزایای

 

محدودیت ها

 

می تواند توسط پرینترهای سه بعدی کم انرژی و مقرون به صرفه اکسترود شود

 

شکنندگی بالا

 

قابل تجزیه زیستی

 

چقرمگی و دوام کم

 

به دمای چاپ کمتر و جمع شدگی کم نیاز دارد

 

دمای سرویس پایین

 

در انواع رنگ ها و بافت ها در بازار موجود است

 

علت گرفتگی نازل

 

غیر سمی بودن

 

برای غلبه بر محدودیت‌ها، محققان طی دو دهه گذشته، PLA را با سایر پلیمرها، مانند مخلوط‌های پلی L-lactide (PLLA) و poly D-lactide (PDLA) بررسی و ترکیب کرده‌اند [5]. ترکیب PLLA و PDLA منجر به تشکیل بلورهای استریوکمپلکس پلی (لاکتید) (SC) شد [6]. فعل و انفعالات قوی تر در SC باعث دماهای ذوب بالاتر و افزایش سرعت تبلور می شود. بنابراین، بهبود خواص حرارتی مکانیکی [6] [7]. نتیجه این ترکیبات منجر به توسعه بسته بندی های داغ و کاربردهای مایکروویو می شود.

اکریلونیتریل بوتادین استایرن (ABS)

ABS یک پلیمر ترموپلاستیک است که از همجوشی استایرن و اکریلونیتریل در حضور پلی بوتادین تولید می شود [7]. این دومین ماده رایج مورد استفاده برای رشته های FDM بعد از PLA است.

ABS گزینه مناسبی برای قطعاتی است که نیاز به مقاومت در برابر بارگذاری سیکلی و تغییرات دما دارند [9]. برخی از کاربردهای معمولی رشته های ABS در پرینت سه بعدی، مدل های جراحی، نمونه های اولیه، اسباب بازی ها و لوازم آشپزخانه هستند. ویژگی‌های مکانیکی خوب ABS که به آن اجازه می‌دهد برای استفاده و فرسودگی زیاد مقاوم باشد، آن را به انتخابی عالی برای محصولاتی مانند بلوک‌های ساختمانی لگو تبدیل کرده است.

مواد مختلف ABS موجود در Matmatch را بررسی کنید.

جدول 2. مزایا و محدودیت های ABS.

مزایای

 

محدودیت ها

 

مقاومت در برابر ضربه بالا

 

تاب خوردگی، فر شدن و ترک خوردن در حین چاپ

 

مقاومت در برابر سایش و کرنش خوب

 

گازهای سمی تولید می کند

 

مقاومت شیمیایی خوب

 

می تواند در برابر نور خورشید آسیب ببیند

 

مقاوم در برابر دما

 

 

عمر طولانی

 

خواص عایق الکتریکی خوب

 

جنبه سطحی و روشنایی یک ویژگی براق ارائه می دهد

پلی اتیلن ترفتالات (PET)

PET یک ترموپلاستیک مشتق از نفت از خانواده پلی استر است. نسخه اصلاح شده گلیکول PET، PETG، یکی از پرکاربردترین مواد برای FDM در کنار PLA و ABS است. طراحان و مهندسان از ویژگی های منحصر به فرد آن بهره می برند،

از قبیل به عنوان شفافیت، مقاومت در برابر رطوبت و مقاومت شیمیایی، برای ایجاد برنامه های کاربردی جذاب برای ظروف مایع، ذخیره سازی مواد غذایی، نمایشگرهای گرافیکی، نمونه های اولیه و منسوجات [10].

مواد مختلف PET که در حال حاضر در Matmatch فهرست شده اند را بررسی کنید.

جدول 3. مزایا و محدودیت های PET.

مزایای

 

محدودیت ها

 

مقاومت شیمیایی بالا

 

فر شدن احتمالی در حین چاپ

 

مقاومت در برابر رطوبت

 

مقاومت مکانیکی محدود، برای کاربردهای ساختاری مناسب نیست

 

ماندگاری خوب

 

سطح نسبتا نرم آن را مستعد سایش می کند

 

پرداخت سطحی براق و صاف

 

 

حداقل اثر تاب خوردگی

پلی اورتان ترموپلاستیک (TPU)

TPU یک ترموپلاستیک بسیار انعطاف پذیر، مقاوم در برابر سایش و همه کاره است که در کاربردهای صنعتی مختلف استفاده می شود. با توجه به قابلیت کشش و خمش، می توان آن را پلی بین پلاستیک سخت و لاستیک الاستیک در نظر گرفت [11]. معمولاً در کاربردهای خودرو، کالاهای ورزشی، ابزارهای برقی و برنامه های فیلم و ورق استفاده می شود.

مواد مختلف TPU که در حال حاضر در Matmatch فهرست شده اند را بررسی کنید.

جدول 4. مزایا و محدودیت های TPU.

مزایای

 

محدودیت ها

 

انعطاف پذیری و کشش بسیار بالا برای ایجاد طرح های الاستیک پیچیده یا اشکال خاص

 

سختی نسبتاً بالا در طول فرآیند چاپ به دلیل انعطاف پذیری آن

 

دوام و استحکام بالا

 

 

مقاومت بالا در برابر سایش

 

پلی اتر کتون (PEEK)

PEEK یک پلیمر با کارایی بالا، نیمه کریستالی، ترموپلاستیک و عضوی از خانواده پلی آریل اتر کتون (PAEK) است. این ماده دارای ترکیب خاصی از خواص مهندسی است که آن را برای کاربردهای جایگزینی فلز (آلومینیوم یا فولاد) به ویژه در صنایع هوافضا، خودرو و مراقبت های بهداشتی ایده آل می کند. نمونه‌های خوبی از کاربردها، ایمپلنت‌های فلزی و ساخت قطعات جایگزین خارج از زمین، مانند قطعات مورد استفاده در ایستگاه فضایی بین‌المللی (ISS) است [12][13][14].

مواد مختلف PEEK را که در حال حاضر در Matmatch فهرست شده است، بررسی کنید.

جدول 5. مزایا و محدودیت های PEEK.

مزایای

 

محدودیت ها

 

پایداری شیمیایی و بیولوژیکی

 

مقاومت ضعیف در برابر اشعه ماوراء بنفش

 

مقاومت حرارتی برتر

 

پردازش آن به دلیل ساختار نیمه کریستالی آن دشوار است

 

عملکرد مکانیکی بالا

 

برای محدود کردن مسائل چاپ به سطح بالایی از تخصص نیاز دارد

 

قابل استریل شدن (ایده آل برای کاربردهای جراحی و دندانپزشکی)

 

تجهیزات محدود مناسب برای پردازش

پلی فنیل سولفون (PPSU)

PPSU یک پلیمر سولفون با دمای بالا است. عملکرد بالای PPSU اجازه می دهد تا در برنامه های کاربردی برای مراقبت های بهداشتی، دستگاه های هوشمند، ذخیره انرژی و هوافضا استفاده شود [14].

مواد مختلف PPSU را که در حال حاضر در Matmatch ذکر شده است، بررسی کنید.

جدول 6. مزایا و محدودیت های PPSU.

مزایای

 

محدودیت ها

 

مقاومت حرارتی، شیمیایی و ضربه ای عالی

 

برای محدود کردن مسائل چاپ به سطح بالایی از تخصص نیاز دارد

 

مقاومت در برابر اشعه گاما و مقاومت در برابر شعله بالا

 

 

قابلیت عقیم سازی

 

 

استحکام بالا و مدول بالا، حتی در دماهای بالا

 

سایر رشته های FDM

چندین رشته اضافی موجود برای FDM در زیر فهرست شده است [15].

پلی استایرن با ضربه بالا (HIPS): HIPS یک ماده سبک وزن است که قابل حل است و عمدتاً به عنوان ساختار پشتیبانی برای مدل های ABS استفاده می شود.
اکریلونیتریل استایرن آکریلات (ASA): ASA پلیمری با ویژگی های مشابه ABS و مقاومت بالا در برابر اشعه ماوراء بنفش است که آن را به گزینه ای عالی برای کاربردهای خارج از منزل تبدیل می کند.
رشته های پر شده با فیبر کربن: این الیاف ریز هستند که به فیلامنت پایه (PLA یا ABS) تزریق می شوند تا خواص استحکام و سفتی را بهبود بخشند. برخی از رشته ها را می توان با پرکننده های فیبر کربن به دست آورد، از جمله PLA، PETG، نایلون، ABS و پلی کربنات.
رشته های پر از چوب: رشته هایی با کامپوزیت هایی مانند چوب پنبه یا گرد و غبار چوب هستند تا زیبایی چوب واقعی را ایجاد کنند.

بازار رشته های FDM

بازار فیلامنت های چاپ سه بعدی در سال 2018 1.41 میلیارد دلار تعیین شد و پیش بینی می شود پتانسیل رشد آن تا سال 2026 به 9.47 میلیارد دلار برسد. پیش بینی می شود این رشد شتابان توسط تولیدکنندگانی انجام شود که در حال توسعه فناوری های چندگانه هستند. رشته های دارای ویژگی برای استفاده برای نمونه سازی، طراحی محصول، نمونه برداری محصول، مدل سازی، و فرآیندهای ساخت.

انتظار می رود برنامه های کاربردی برای مراقبت های بهداشتی، هوافضا و دفاع با بالاترین نرخ نزدیک به 27٪ رشد کنند. آمریکای شمالی منطقه ای است که بیشترین سهم را به خود اختصاص می دهد، اما به طور کلی انتظار می رود که سایر مناطق نقش مهمی در تقاضاهای رو به رشد کاربران نهایی خود ایفا کنند [16].

برنامه های کاربردی آینده

ما در عصری زندگی می کنیم که انقلاب بزرگ فناوری در تولید است. چاپ سه بعدی در حال حاضر در مقیاس های بی سابقه ای مورد استفاده قرار می گیرد و بازار برنامه های کاربردی FDM با سرعت های باورنکردنی در حال رشد و تکامل است. حوزه‌های مختلف به نوآوری و تحقیقات بیشتری نیاز دارند تا شامل قابلیت چاپ مقرون‌به‌صرفه یا حجم‌های زیاد، ظرفیت چاپ چندین ماده از یک معادله باشد.

uipment، و گسترش دامنه رشته ها با خواص منحصر به فرد و قدرتمند [17]. نسل بعدی برنامه های کاربردی FDM به احتمال زیاد در موارد زیر دیده می شود:

صنعت پزشکی با پرینت زیستی، پروتز و کاربردهای دارویی
صنعت خودرو با قطعات و قطعات مختلف
نمونه سازی برای صنعت هوافضا
کاربردهای متنوع در لوازم الکترونیکی مصرفی

[1] Walker، JL و Santoro، M.، پردازش و تولید داربست های پلیمری قابل جذب برای مهندسی بافت، در پلیمر قابل جذب برای کاربردهای زیست پزشکی، 2017، [آنلاین] موجود: https://www.sciencedirect.com/topics/materials -Science/Fuded-Deposition-Modeling

[2] Pei, E., 2019, Progress in Additive Manufacturing, Editorial PIAM اکتبر 2019, 4, 355-356, Springer, [آنلاین] موجود: https://link.springer.com/article/10.1007/s40964-019 -00103-8

[3] Palermo E.، 2013، مدل سازی رسوب ذوب شده: رایج ترین روش چاپ سه بعدی، LiveScience، [آنلاین] موجود: https://www.livescience.com/39810-fused-deposition-modeling.html

[4] Madaraka Mwema F.، Titilayo Akilabi، E.، 2020، مدل‌سازی رسوب ذوب شده: استراتژی‌هایی برای افزایش کیفیت، خلاصه‌های Springer در علوم و فناوری کاربردی، ساخت و ساز و مهندسی سطح، Springer Nature، 2020

[5] Nofar M., Sacligil D., Carreau P.J., Kamal M.R., Heuzey M-C, 2019, Poly (lactic acid) blends: Processing, properties and applications, International Journal of Biological Macromolecules, Volume 125, Pages 307-360

[6] Lih-sheng Turng، 2021، بهبود در خواص مکانیکی و مقاومت حرارتی PLLA-b-PEG-b-PLLA با ترکیب مذاب با PDLA-b-PEG-b-PDLA برای استفاده بالقوه به عنوان پلاستیک های زیستی با کارایی بالا، پیشرفت ها در Polymer Technologies، جلد 2019، موجود: https://www.hindawi.com/journals/apt/2019/8690650/ (دسترسی در 1 فوریه 2021)

[7] Polyscience, Inc. 2021، پلی (اسید لاکتیک) (PLA، PDLA، PLLA)، [آنلاین]، موجود: https://www.polysciences.com/default/catalog-products/polymers/biodegradable-polymers/ poly-dl-lactic-acid

[8] Rodríguez-Panes A., Claver J., Camacho A.M., 2018, The Influence of Manufacturing Parameters on the Mechanical Behaviour of PLA and ABS Pieces Manufactured by FDM: A Comparative Analysis, Materials (Basel) 2018 Aug; 11(8): 1333. منتشر شده به صورت آنلاین آگوست 2018، موجود: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6119930/

[9] Singh S., Prakash, C., and Singh R., 2020, چاپ سه بعدی در مهندسی پزشکی, افق مواد: از طبیعت تا نانومواد, Springer Nature, 336p

[10] Hohimer C., Christ J., Aliheidari N., Mo C., and Ameli A., 2017، پلی اورتان گرمانرم چاپ سه بعدی با خواص مواد همسانگرد، رفتار و مکانیک مواد و کامپوزیت های چند منظوره، 2017، ویرایش. گولبورن

[11] زنجانیجم، AR، سرگرد، I.، لیون، JG، لافونت، U.، و دیوین، DM، 2020، ساخت رشته فیوز شده از PEEK: مروری بر فرآیند-ساختار-ویژگی، پلیمرها (بازل)، 12( 8): 1665

[12] Garcia-Leiner M., Ghita O., and Mckay R., 2019, Additive Manufacturing of Polyaryletherketones, PEEK Biomaterials Handbook, Elsevier, Inc.  موجود: https://www.google.com/books/edition/PEEK_Biomaterials_Handbook /SimLDwAAQBAJ?hl=en&gbpv=1&dq=PEEK+filament&pg=PA95&printsec=frontcover120

[13] Solvay، رشته ساخت افزودنی، راهنمای پردازش، پلیمرهای تخصصی، موجود: https://www.solvay.com/sites/g/files/srpend221/files/tridion/documents/180424-Solvay-launches-AM-ready سایت-رشته-و-تجارت الکترونیک-EN.pdf.pdf

[14] Soloman S.، 2018، چاپ و طراحی سه بعدی، انتشارات خانا، هند. موجود https://www.google.com/books/edition/3D_Printing_Design/6XQDEAAAQBAJ?hl=en&gbpv=1&dq=petg+filament+properties&pg=PA202&printsec=frontcover

[15] گزارش‌ها و داده‌ها، GlobeNewswire، بازار فیلامنت چاپ سه‌بعدی تا سال 2026 به 9.47 میلیارد دلار می‌رسد،  20 اوت 2019،  [آنلاین] موجود: https://www.globenewswire.com/news-release/2019/08/20 /1904252/0/fa/3D-Printing-Filament-Market-To-Reach-USD-9-47-Billion-By-2026-Reports-and-Data.html

[16] Bar-Cohen، Y.، 2018، پیشرفت‌ها در ساخت و پردازش مواد و سازه‌ها (بیومتریک)، چاپ اول، انتشارات CRC، اکتبر 2018