در این مقاله میخواهیم دو فناوری مهم پرینت سه بعدی رزینی و تفاوتهای آنها را شرح دهیم و به شما کمک کنیم تا بفهمید کدام نوع برای خرید و هدف کاری شما بهتر است. به صورت کلی، اصول پایه DLP و SLA بسیار شبیه بهم است.
هر دو این فنارویها از پرتوی نوری استفاده می کنند تا رزین حساس به نور را وادار به پلیمریزاسیون (بسپارش) کنند. اما روشی که برای انجام این اصول در پیش می گیرند، چیزی است که آنها را از هم جدا می کند؛ در این مقاله به تفاوتهای بین این دو تکنولوژی نگاه دقیقی خواهیم داشت.
مقایسه پرینترهای سه بعدی DLP با SLA :
رویارویی دو تکنولوژی مدعی
– بخشهای مشترک
در میان فرآیندهای پرینت سه بعدی، Stereo lithography Aparatus: SLA (دستگاه استریولیتوگرافی) و digital light processing: DLP (پردازش نور دیجیتال) بعنوان روشهایی محسوب می شوند که توانایی دستیابی به بالاترین استانداردها را در زمینه های پیچیدگی و دقت دارا هستند. هر دو از نوری که معمولا در طیف پرتو UV بین 380 تا 405 نانومتر است، بهره می برند تا رزین چسبناک حساس به نور را پرداخت کنند.
رزینها هم که معمولا از مونومرهای اپوکسی یا اکریلیک و متا اکریلیک تشکیل شده، در برخورد با نور پلیمریزه و سفت می شود؛ درواقع در حین این که تابش نور باعث ساخت شکلها و الگوهای هر لایه می شود، جسم جامد به وسیله رزین مایع ساخته و پرداخته می شود.
برای آشنایی با بهترین برندهای سازنده پرینترهای SLA و DLP ، پیشنهاد میکنیم مقاله «20 مدل از بهترین پرینترهای سه بعدی رزینی» را نیز مطالعه کنید.
تکنیک Stereolitography:
فرآیند Stereolitography یا همان SLA یکی از قدیمیترین و دقیقترین روشهای پرینت سه بعدی است که قدمت آن به اوایل دهه 1980 برمیگردد که توسط «چاک هال» ثبت اختراع گردیده است. این روش با استفاده از لیزر، مقداری نور را به صورت متمرکز (نقطه ای) تولید می کند که باعث پلیمریزاسیون مونومرهای رزین در یک نقطه مشخص میشود (بر اساس مختصات سه بعدی مدل). با رفت و آمد مداوم لیزر بر روی ظرف رزین، یک لایه از پرینت مطابق با طراحی از پیش تعیین شده شکل می گیرد.
بنابراین در این روش از پرتوی لیزر برای رسم متناوب لایه‌های مدل سه بعدی استفاده میگردد و بنام Stereolithography (دستگاه استریولیتوگرافی) معروف‌اند. تکنیک «اس ال ای» محبوب صنعتگران و جواهرسازان و دندانپزشکان بوده و حتی در ایران هم مرسوم هستند (گرچه هزینه سنگینی بابت خرید متریال و نگهداری از دستگاه پیش روی شماست).
دو پلتفرم اصلی از پرینترهای SLA وجود دارد:
در اولی، لیزر بالای ظرف رزین قرار می گیرد و نور را به سمت پایین نشانه می گیرد. با این حال، اغلب لیزر در زیر ظرف قرار می گیرد (ساختار دوم و مرسوم تر) و به سمت رزین، یعنی بالا نور را می تاباند.
معمولا لیزر به صورت مستقیم به رزین نمی تابد بلکه یک گالوانومتر آینه ای به سرعت حرکت می کند و نور را به صورت غیر مستقیم به نقطه مورد نظر می رساند. زمانی که لیزر کار پرینت یک لایه را انجام داد، بستر چاپ ساختارِ پرینت را به اندازه ارتفاع یک لایه جابجا می کند تا لایه بعدی آماده پرداخت شود.
تکنیک Digital Light Processing:
فرآیند Digital Light Processing یا همان DLP (نوعی دیگر از Stereolitography)، به عنوان یک تکنولوژی چاپ سه بعدی که ریشه در یک تکنیک تصویرسازی دارد، در اواخر دهه 1980 در Texas Instruments به وجود آمد. در این روش یک سطح نورانی وجود دارد که باعث ایجاد پلیمریزاسیون و ساخت هر لایه می شود.
برخلاف روش SLA، در روش DLP نور تنها در یک نقطه منحصر به فرد به رزین برخورد نمیکند، بلکه تمام سطح یک لایه همزمان شکل میگیرد (به عبارت دیگر، در این روش به کمک یک پرژکتور نوری، برشی کامل از مدل سه بعدی، یکباره تابیده میشود). در اینجا، الگوی روشنایی برای رسیدن به شکل مورد نظر در هر لایه امری حیاتی است؛ این اتفاق توسط یک ماسک که به وسیله یک آینه کوچک دیجیتالی (DMD) ساخته شده، رخ می دهد. این ماسک بین مسیر نور UV و رزین قرار می گیرد.
در واقع DMD یا digital micromirror device، یک ماسک دینامیک است که از حرکت آینه های بسیار کوچک به وجود می آید که نور را به رزین می رسانند یا از آن دور می کنند. این کار امکان ایجاد روشنایی (و پلیمریزاسیون) رزین در نقاط مختلف یک لایه را فراهم می کند.
دستگاه های مدرن DLP معمولا از هزاران LED بسیار کوچک به عنوان منبع نور استفاده می کنند. حالت روشن و خاموش آنها را می توان جداگانه کنترل کرد و به همین دلیل میتوان رزولوشن XY را افزایش داد. برخی از پرینترهای DLP به جای DMD از یک صفحه LCD استفاده می کنند که البته تاثیر نسبتا قابل توجهی در افزایش قیمت آن داشته است.
مقایسه DLP با SLA؛ موارد مشترک:
با توجه به حالت پایه مشترک عملیاتی، اصلا عجیب به نظر نمی رسد که رزین های آنها بسیار شبیه به هم هستند. هر دو به یک ماده اولیه حساس به نور (یا ترکیبی از چند ماده متفاوت) نیاز دارند که در تعامل با نور، گونه هایی واکنشی (رادیکال های آزاد، کاتیون ها، ترکیبات کربن مانند) را شکل دهند. اینها باعث فعال شدن فرآیند پلیمریزاسیون مولکولهای مونومر یا اولیگومر می شوند. در ضمن به نور حساس هستند و قابلیت پیوند متقابل برای ساخت یک جسم جامد را دارند.
نکته: با این وجود، رزین های DLP و SLA لزوما قابل تعویض با یکدیگر نیستند. توجه داشته باشید که قدرت چگالی که در طول پرینت به وجود می آید در دو روش مذکور متفاوت است و رزین ها باید بتوانند به آن واکنش نشان دهند.
همچنین، در هر دو مورد اندازه مولکول های مونومر در تعیین استحکام جسم تاثیر دارند. مونومرهای زنجیره کوتاه معمولا اجسام سخت تری می سازند، در حالی که مونومر های رنجیره بلند باعث قابلیت انعطاف بیشتری می شوند.
وقتی در مورد مقایسه 3D Print با روشهای قالب گیری تزریقی صحبت می شود، یکی از موضوعاتی که معمولا پیش می آید تفاوت در خواص مکانیکی است:
برای نمونه، برخلاف قطعاتی که به روش قالب گیری تزریقی تولید می شوند، قطعات پرینت شده به روش FDM دارای خواص ناهمسانگردی مکانیکی هستند؛ به این معنی که آنها نسبت به این که بارگذاری مواد در لایه ها به صورت موازی یا پشت سر هم انجام شود، خواص مکانیکی متفاوتی از خود نشان می دهند.
با این وجود، بر خلاف FDM، هیچ کدام از روش های SLA و DLP، خواص ناهمسانگردی از خود بروز نمی دهند و عملکرد آنها بیشتر شبیه به قالب گیری تزریقی است.
چاپگر SLA دستگاهی بسیار هزینه بر رده بندی میشود؛ قطعات آن گران و اختصاصی است (مثل تابنده لیزر، سینک و …) مطمئنا به تعمیرات دوره ای نیاز دارید که حسابی باید از جیبتان پول بابتش بدهید. بنابراین در صورتیکه بودجه محدودی دارید همان DLP برایتان بهتر است و خرج کمتری دارد.
مقایسه SLA با DLP؛ تفاوت ها:
با یادگیری اصول ساختاری و عملکردی این دو تکنولوژی، شاید برای شما این سوال پیش بیاید که کدام یک برای خرید و اهداف کاری بهتر است؟! اما حقیقت اینجاست که وقتی در مورد DLP و SLA صحبت می کنیم، جواب این سوال بیشتر به نیاز شما بستگی دارد:
1- اولین و مهمترین تفاوت پرینتر سه بعدی DLP با SLA در ابعادشان است. به علت قرارگیری پروژکتور نوری در DLP، اندازه دستگاه بیشتر از نوع SLA خواهد بود. دومین تفاوت در میزان محبوبیت تکنولوژی است: پرینترهای سه بعدی SLA قدمت بسیار بیشتری نسبت به DLP دارند و در صنعت کاملا جاافتاده‌اند؛ تکنولوژی stereolithography در SLAها از دهه ۸۰ میلادی تجاری شده‌اند. بنابراین برخی صنایع قابل پیش‌بینی بودن آن را به DLP نوظهور و البته ارزانتر ترجیح می‌دهند.
اگر اولویت شما در پرینت سه بعدی دقت و رزولوشن بسیار بالا باشد، احتمالا SLA انتخاب اول شما خواهد بود. با این حال، همه چیز در حال تغییر است؛ بازار پرینترهای SLA و DLP بسیار ناهمگون است، به خصوص در مورد پرینترهای DLP:
این روزها شما می توانید چاپگرهای SLA را پیدا کنید که به راحتی رزولوشن محور Z آن به 25 میکرون می رسد، در حالی که بسیاری از دستگاههای DLP به دشواری میتوانند به کمتر از 50 میکرون دست پیدا کنند. اما پیشرفت های اخیر به سمت قرار دادن DLP در مقام اول حرکت می کند. شرکتهایی مانند Kudo3D و Gizmo3D از پرینترهایی صحبت می کنند که سطح دقت آنها در محور های X و Y و Z بسیار بالا است که این امر حتی در پرینترهای خوب SLA هم به سختی دیده می شود.
2- از طرف دیگر، به دلیل نورپردازی پیکسلی لایه ها در روش DLP، این تکنیک همواره در بخش لبه های لایه دچار ایراد نامحسوسی شبیه به «پله ای شدن» می شود. در حالی که این اتفاق در مورد بعضی از پرینترهای موجود در بازار صحت دارد، شرکت هایی مانند EnvisionTec با ثبت اختراع تکنولوژی خودشان به نام Continuous digital light manufacturing:CDLM، به همراه دیگر پیشگامان تکنولوژی DLP در تلاش برای پیاده سازی روشی ضد- شکستگی یا تغییر پیکسل، جهت اصلاح این مشکل هستند.
3- یکی دیگر از بزرگترین تفاوتها بین DLP و SLA ، فاکتور سرعت است؛ روش SLA به دلیل ماهیت متمرکز بالایی که در پلیمریزاسیون دارد، معمولا بسیار کند است. برای جبران این نقص، پرینترهای سه بعدی SLA بخشهای پرشوندگی (Infill) را سریع تر از قسمت های بیرونی پرینت می کنند:
این کار زمان پرینت را کاهش می دهد اما اگر میخواهید قطعات پرینت شده از لحاظ مکانیکی ثبات بیشتری داشته باشند، اغلب باید پرداخت نهایی به وسیله نور UV را نیز انجام دهید (آنچنان که کمپانی مشهور آمریکایی Formlab که سازنده برتر SLA میباشد، دستگاه جداگانه ای برای پرداخت و شستشوی قطعات به همراه چاپگر خود عرضه کرده است).
4- مزیت اصلی روش DLP این است که پرداخت کل سطح یک لایه به صورت همزمان انجام می شود. همینطور هیچ تفاوتی بین پرینت بخشهای داخلی و خارجی وجود ندارد و پرداخت نهایی نیز چندان لازم نیست. به عنوان مثال، یک فایل سه بعدی که پرینت آن با DLP نیم ساعت زمان می برد، انجام آن با روش SLA نزدیک به 4 ساعت زمان لازم دارد.
برای کسانی که با توجه به مقاصد کاری خود دنبال این تکنولوژیها هستند، قابل اطمینان بودن سیستم و ثبات قطعات پرینت شده فاکتورهای مهمی هستند:
5- پرینترهای DLP قسمتهای متحرک کمتری نسبت به دستگاه های SLA دارند. به همین دلیل، پرینترهای DLP کمتر دچار اشکال در عملکرد می شوند و سطح کیفی قطعات ثبات بیشتری دارد.
در کل، بدانید این نوع چاپگرها، دستگاه های پیچیده ای هستند که شامل مقدار قابل توجهی وسایل الکترونیکی و عناصر ضروری دیگر برای انجام عملیات می شوند. یعنی اگر طراحی یا مونتاژ آنها به درستی انجام نگیرد، صرف نظر از این که از کدام تکنیک استفاده می کنید، دچار دردسرهای زیادی خواهید شد (برخی برندها همانند Prusa که سازنده منبع باز چاپگر است مدل SLA خود را عرضه کرده که به صورت غیرمونتاژ نیز فروخته میشود).
6- نگهداری و هزینه های مربوط به آن نیز جزو مواردی است که باید در نظر بگیرید: دستگاههای SLA به دلیل طراحی پیچیده نیاز به مراقبت حرفه ای دارند، مثلا در مواردی که یکی از قطعات چشمی دچار مشکل شود یا زمانی که لیزر نیاز به تعویض دارد. کالیبره کردن سیستم ضروری است و اغلب این کار تنها از عهده افراد حرفه ای بر می آید، به این معنی که برای این کار معمولا آنرا به شرکت سازنده میفرستند یا وقتی برای حضور کارشناس در نظر گرفته میشود. مزیت DLP این است که اجزای آن ساده تر هستند:
(مثلا، ساختار پرژکتور نوری DLP همانند پرژکتورهای نمایشگر دیواری بوده و بنابراین هزینه سرویسکاری کمی دارند در حالی که تابشگر لیزری SLA گرانقیمت و بسیار خاص است.)
7- در نهایت، باید در مورد مبحث شیرین قیمت صحبت کنیم! برای کاربران عادی، پرینترهای DLP معمولا ارزانتر از پرینترهای SLA هستند. در حالی که یک پرینتر مناسب SLA حدود 3000 تا 4000 دلار قیمت دارد، شما می توانید یک پرینتر DLP را با مبلغی بین 500 تا 1000 دلار تهیه کنید. (در ایران نیز ساختار قیمتی همینطور است). طبیعتا، دستگاههای حرفه‌ای در هر دو نوع به راحتی برچسب قیمتی 10 هزار دلاری یا بالاتر خواهند داشت.
آینده فناوری لیزر
پیش بینی این که آینده دنیای تکنولوژی چگونه خواهد شد، همیشه کار دشواری است. اما آنچه به این کار کمک می کند این است که ببینیم در حال حاضر چه پیشرفتهایی در آزمایشگاه های سراسر دنیا در حال رخ دادن است. همچنین بد نیست که ببینیم برنامه هایی که امیدوارانه پیشرفت می کنند چه زمانی به محصولات مصرفی راه پیدا خواهند کرد.
در پرینترهای حال حاضر DLP و SLA، تابش هر فوتون به رزین به طور بالقوه می تواند فرآیند پلیمریزاسیون را شروع کند. اکنون، یک مدل جدید از تابش لیزر به نام 2-photon polymerization: 2PP به وجود آمده که در تحقیقات و برای اهداف آینده در حال آزمایش شدن است. این تکنیک تا حدودی شبیه به SLA است اما به جای یک لیزر از دو لیزر استفاده می شود که هر دو بر روی یک نقطه مشترک، متمرکز می شوند.
در 2PP، انرژی لازم برای واکنش پلیمریزاسیون تنها از محل برخورد دو لیزر با یکدیگر به دست می آید. بر خلاف اتفاقی که در SLA رخ میدهد یعنی جایی که تنها یک فوتون برای شروع پلیمریزاسیون کافی است، در 2PP همانطور که از نام آن پیداست، وجود دو فوتون لازم است. به دلیل ماهیت غیر خطی فرآیند، رزولوشن تقریبی 0.1 میکرومتر به دست می آید. این کار با کنترل پالس انرژی لیزر و پالس بسامد (فرکانس) انجام می شود. البته این تکنولوژی هنوز به مرحله عرضه در بازار حتی نزدیک هم نشده، اما موفقیتهای تجاری همینطور شروع میشوند.
آینده رزین چاپگر سه بعدی
بد نیست بدانید همه چیز به رزولوشن منتهی نمیشود و پیشرفت ها در 3D Print در زمینه افزایش تنوع متریال قابل استفاده نیز صورت میگیرد. اینجاست که تکنیکهایی مانند SLA و DLP در مقابل تکنیکی مانند FDM عقب می افتند.
نکته: کمپانی Formlab، سری رزینهای اختصاصی با خواص مکانیکی متفاوت مثل کشسانی یا استحکام عرضه کرده ولی قیمت آن بسیار گران است و متاسفانه در بازار کم‌جان ایران هیچ کاربردی ندارند.
در FDM، ما به راحتی به طیف وسیعی از متریالها با رنگها و خاصیتهای مختلف مانند خواص اپتیکی، مکانیکی، بیولوژیکی، الکتریکی و مغناطیسی دسترسی داریم. بر عکس، در فرآیندهای فتوشیمیایی مانند SLA و DLP دسترسی ما به متریال محدود می شود.