HSS نوعی روش پرینت سه بعدی پودر پلیمری بسیار سریع است – یک فناوری انقلابی که در حال تغییر بازیست و هدف آن کاهش زمان 3DPrinting میباشد. روش HSS انرژی مادون قرمز را با فناوری جوهرافشان صنعتی بمنظور بهبود سرعت چاپ سه بعدی ترکیب و هزینههای قطعهسازی پلاستیکی را کاهش میدهد. hss پتانسیل تغییر افق تولید را دارد زیرا در چند ثانیه از فرآیند پخت پودر پلیمریاش میتواند اشیایی به اندازه انگشت ایجاد نماید؛ علاوه بر این، اشیاء در این تکنیک، نسبت به سایر روشهای پرینت پودر پلیمری دارای سطح صافتری هستند.
ذوب پلیمری سرعت بالا (HSS) حاصل تلاش دانشگاه لافبوروی انگلستان (Loughborough) و چندین دانشکده و موسسه تحقیقاتی دیگر دنیاست. پروژه دانشگاه لافبورو در این زمینه به سال 2001 باز میگردد که پروفسور نیل هاپکینسون (Neil Hopkinson) در تلاش برای کاهش هزینههای تولید و مجوز طراحی قطعات انعطافپذیر، تحقیق روی روش جایگزین لایه افزایشی (Additive Manufacturing) را بجای قالبگیری تزریقی آغاز کرد. در ابتدا، او و تیمش یک فرایند همجوشی را که بتازگی ثبت شده بود، کاوش کردند. این تیم روند کار خود را ادامه داد و در سال 2004، بودجه EPSRC را برای ساخت اولین دستگاه HSS بتا، تأمین کرد (مرحله بتا، آزمایش سیستماتیک و پالایش پارامترهای تولید کلیدی را تسهیل میکند). بودجه پروژه تحقیق و توسعه مشارکتی از Innovate UK، توسعه این فناوری را تسریع و دانشگاه در سال 2011 حق ثبت اختراع فرآیند را ثبت نمود. فقط 3 سال پس از آن، ماشینهای HSS از نظر تجاری در دسترس قرار گرفتند.
تاریخچه توسعه فناوری HSS
HSS، با استفاده از سختافزارهای کمپانی XAAR، سریعترین فرآیند پودر پلیمری را روی فناوری جوهرافشان صنعتی ارائه میدهد. شرکتهای بزرگی مانند VoxelJet و BAE Systems و Unilever (یونیلیور) و … در حال تجاریسازی این فناوری هستند. تکنولوژی HSS توسط محققان دانشگاه شفیلد (Sheffield)، دانشگاه لوفبرو (Loughbrough)، انجمن علمی فرانهوفر (Fraunhofer)، دانشگاه بایروت (Bayreuth) و کمپانی XAAR (شرکتی متخصص در فناوریهای پیشرفته جوهرافشان: InkJet) توسعه شده است.
از سال 2016، فروش جهانی فرآیندهای HSS، تحت مجوز چندین شرکت، باعث ایجاد انبوه قطعات پلیمری شده و در حال تسریع حرکت تولید دیجیتال است که منجر به تأثیرات اقتصادی جهانی، زیست محیطی و بهداشتی میشود.
بسیاری از صنایع، HSS را در زنجیرههای تأمین محصولات نهایی خود – از جمله هوافضا، خودرو، کالاهای مصرفی، مراقبتهای بهداشتی و پزشکی اتخاذ و تعداد فزایندهای از مارکهای مشهور، تکنولوژی پلیمری HSS را برای ایجاد محصولات خود اتخاذ نمودهاند.
سال 2019 شرکت StrataSYS که خود فناوری رقیب SAF : Selective Absorption Fusion (همجوشی جذب انتخابی پلیمر) را با همکاری XAAR توسعه داده، روی بهبود فناوری HSS نیز سرمایهگذاری نموده است.
شرکای تحقیقات دانشگاه لافبورو:
- 3D Systems
- BAE Systems
- Cobham
- Evonik
- Farapack Polymers
- Glasgow Caledonian University
- New Balance
- Queen’s University Belfast
- Sebastian Conran Associates
- TNO Industries
- University of Sheffield
- UK Sport
- Unilever
- Xaar
سرمایهگذاران تحقیقات دانشگاه لافبورو
- EPSRC
- HEFCE / HEIF
- Innovate UK
فناوری همجوشی سریع پلیمری چگونه کار میکند؟
HSS نوعی روش چاپ سه بعدی بایندرجت (بهمراه گرما) میباشد؛ بر خلاف فرآیندهای مرسوم بستر پودری، ذوب با استفاده از تکنولوژی پیچیده لیزری انجام نمیشود، بلکه با استفاده از چسبهای واکنشگر حرارتی (RAM) و بصورت پیکسلی دقیق در یک رندر بزرگ انجام میشود (حداکثر سرعت پرینت 54.000 میلیمتر مربع در ثانیه).
- ابتدا لایهای از پودر پلیمرها (مثلا نایلون PA12) توسط یک غلتک توزیع و در سراسر سکوی ساخت پخش میشود.
- سپس یک هد جوهرافشان، تصویری تکرنگ (monochromatic image) از جسم را با استفاده از مواد جاذب تابش (radiation absorbent material : RAM) روی لایه پودر بازتاب میدهد.
- آنگاه یک لامپ مادونقرمز، کل سکوی ساخت را با انرژی فروسرخ (infrared) روشن میکند.
- با این تابش، متریال Ram بمنظور تشریح سطح مقطع جسم ردیابی شده و از نظر شیمیایی به انرژی حرارتی واکنش نشان میدهد و سبب ذوب شدن لایه پودر میشود.
- این فرآیند لایه روی لایه آنقدر تکرار میشود تا یک شیء کامل سه بعدی تشکیل شود.
مزایا و محدودیتهای پرینت سه بعدی HSS
همانطور که در بالا اشاره کردیم، همجوشی سرعت بالا (HSS) شبیه به روش ذوب لیزری پودر پلیآمید (SLS) است اما بدون زمان طولانی Cure تکنقطهای لیزر. HSS، مزایای پلیمرها را با سرعت تولید بسیار بالاتر، تنوع مواد ادغام نموده است. کیفیت سطح خوب و تعریف دقیق لبه هندسی در تکنولوژی HSS جایگزینی برای قالبسازی تزریق پلاستیک ارائه میدهد: حتی در تولید اجزای کوچک یا قطعات عملکردی با هندسههای پیچیده (حجم کم تا متوسط). فرآیند اختصاصی Greyscale (ابداعی شرکت وکسلجت) باعث میشود خواص قطعه در هر سه بُعد متغیر گردد؛ مثلا تغییر جزئی قدرت مکانیکی، کشش یا چگالی مواد در محصول، بهینهسازی ارگونومی، وزن و مرکز ثقل. «ذوب فوق سریع پلیمری» اولین سیستم پرینت سه بعدی متریال پودریست که فرآیندهای Greyscale و Dethering (ترکيب نقطههاى رنگارنگ براى يک رنگ جديد و روش گرافيکى کامپيوتر بمنظور افزودن شدت نور نمايش) را در امکانات اختصاصی ترکیب تا بر خصوصیات مواد ساختارهای مشبک و جامد تأثیر بگذارد.
هر قطعهای چه نرم و چه سخت را در یک جزء، با کیفیت سطح خوب و در سرعت باورنکردنی با روش HSS بسازید. قطعات کاملاً کاربردی که با پلیمرها پخته شدهاند را میتوان در سرعت بالا تولید کرد – حتی مجموعههای متحرکی که بطور جدانشدنی بهم متصل هستند. تولید محصولات جدید پیشگامانه با خواص مواد نوآورانه که میتوانند آزادانه در هر 3 بُعد هندسی تعریف شوند.
- زینتر سریع انواع پلیمرها و محصولات نوآورانه
سیستمهای HSS برای قطعات پلیمری عملکردی و پروتوتایپ، طیف عظیمی از برنامهها را پوشش میدهد. آنها بعنوان ابزاری یکپارچه در تحقیقات مواد و توسعه محصول، برای تولید سریع و اقتصادی محصولات بسیار شخصی تا تولید سری متوسط قابل استفاده هستند. با استفاده از فرآیند HSS میتوانید محصولات خاص فیزیکی و بازارهای کاملاً جدیدی را توسعه دهید. از آزادی شخصیسازی تولید که قبلاً هرگز حاصل نشده، بهرهمند گردید. تولید کارآمد بعنوان مثال در ساختارهای شبکهای، خصوصیات مکانیکی بهینه را تجربه کنید و از نظر اقتصادی در فرآیند پروتوتایپینگ با پرینتر سه بعدی پیشگام شوید.
- طیف مواد
فرآیند پلاستیکی hss میتواند پودر پلیآمید 12 را بعنوان ماده استاندارد و سایر پلیمرها مانند PP، TPU، PEBA و EVA را در صورت سازگاری پرینتر، تولید کند.
- فناوری در حال توسعه
روش hss (ذوب سریع پلیمری) بر خلاف تکنیک مرسوم sls (ذوب انتخابی لیزر) در بازار تجاری تازه جای خود را باز کرده و تولیدکنندگان محدود، پیچیدگی و هزینههای بیشتری دارد. البته حجم ساخت آن بزرگترین روش پرینت پودر پلیمر در جهان است و در بین صنایع قالب ریختهگری محبوب شده است. در هر صورت مستندات و رفرنسهای آموزشی در این تکنیک هنوز گستردگی پیدا نکرده است.
- ماشینکاری
قطعات HSS نسبت به روش تزریق پلاستیک کمی زبرتر بنظر میرسند و میتوان آنها را پس از پرینت رنگی و صاف نمود. تمام فناوری چاپ سه بعدی مبتنی بر پودر از جمله hss، به مراحل پسپردازش قطعات نیاز دارد مثل حذف مصالح ساختاری باقیمانده و پودرهای بدون اتصال از سطح قطعات. ابزار بلاست شن و ماسه یا با مخلوط ریز پودر پلاستیک، مرسومترین روش است. پردازش دیگر میتواند رنگآمیزی یا اسپری پوشش و جلادهنده باشد.
مقایسه زینترینگ HSS با زینترینگ SLS
- لایهگذاری بسیار سازگارتر
- زمان پرینت بسیار کمتر و مدیریت حرارتی آسانتر
- آزادی طراحی برای ایجاد گسترده محدوده هندسههای تودرتوی مجاور هم در یک فرآیند چاپ (PrintJob): یعنی اجزای بزرگ را میتوان مستقیماً در کنار اجزای ظریفتر با سطح پیچیدگی بالا چاپ کرد.
- حداکثر استفاده از ظرفیت جعبه پرینت و افزایش بهرهوری اقتصادی
- سرعت چاپ بسیار بالاتر HSS بعلت هدهای پرینت جوهر افشان عریض: 54.600 میلیمتر مربع در ثانیه در مقایسه با 1.750 میلیمتر مربع همجوشی لیزری.
- دمای بسیار بالاتر HSS: تنوع بیشتری از مواد؛ زیرا پلاستیکهای دمای بالا مانند پلی اتر اتر کتون (PEEK) و پلی آریل اتر کتون (PAEK) را میتوان زینتر کرد (پس از سازگاری پرینتر HSS با این پودر پلیمرها).
خواص و کمیتهای پرینت سه بعدی HSS
فناوری سینترینگ سریع پودر پلیمر در حال تبدیل شدن به راهحل معتبر تولید حجم بالای قطعات صنعتی است زیرا حاصل تحقیقات معتبرترین موسسات علمی جهان در زمینه ادغام فناوریهای «تولید لایه افزایشی» و «هِد جوهرافشان صنعتی» میباشد. سر چاپ HSS بویژه پیشرفتهترین InkJet صنعتی ساخت کمپانی XAAR است که قبلا در محیط تولید حجم بالای کاشی سرامیکی اثبات شده است.
hss اکنون قادر به رقابت با قیمت و سرعت قالب تزریقی در تعداد و بدون محدودیت طراحی، ابزارسازی جانبی یا هزینه حمل و نقل میباشد. پرینتر پلیمری HSS بطور معمول 10 تا 100 برابر سریعتر از سایر فرآیندهای چاپ صنعتی فعلیست و با پتانسیل تولید حداکثر 100.000 قسمت در روز، موجب تولید حجم بالای پروتوتایپ گروهی (در سازههای ساده یا پیچیده مرکب)، محصولات خاص روزمره، زنجیرههای عرضه مسطح و حرکت نزدیکتر به بازارها شده است. برخی از ویژگیهای چاپگرهای hss شرکت VoxelJet عبارتند از:
- قابلیت پیکربندی جداگانه منابع دمایی.
- پلتفرم اوپنسورس: سرعت پوشش مجدد، ضخامت لایه و غیره قابل تنظیم بمنظور پیکربندی دقیق فرآیند چاپ.
- پودرهای مختلف با اندازه دانههای 30 میکرومتر تا 1.3 میلیمتر قابل پردازش هستند.
- پاسهای لامپ IR را میتوان برای ویژگیهای قطعات سفتتر یا نرمتر تعریف کرد.
- تغییر در مقادیر اعمال شده جوهر جذب انرژی.
- دادههای فرآیند را میتوان بصورت جداگانه تجزیه و تحلیل، ارزیابی و برنامهریزی کرد.
- دسترسی کامل به دادههای تلهمتری سیستم چاپ.
- چاپ مبتنی بر بیتمپ (Bitmap-based printing) که به کاربر اجازه میدهد به لایههای چاپی مجزا دسترسی داشته باشد (بهینهسازی).
- صرفنظر از تراز بودن اجزا در جعبه کار، قطعات دارای سطوح همسانگرد در جهت محورهای X، Y و Z هستند.
وایتپیپر همجوشی سرعت بالا (HSS) از VoxelJet
WhitePaper مستنداتی را در مورد تولید افزودنی پلیمری و تغییرات آن در آینده ارائه میدهد. چاپگرهای سه بعدی Voxeljet High Speed Sintering امکان پروتوتایپینگ یا تولید سریالی قطعات پلاستیکی را در یک فرآیند کاملاً کنترل شده ارائه میدهند. شما میتوانید هر دو اقلام پروتوتایپ و سریهای کوچک مصرف نهایی را در یک دستگاه تولید کنید. به لطف استفاده از مواد پلیمری، محصولات نهایی با ساختار هندسی پیچیده و در حالت مونتاژی، حتی در سریهای متشکل از صدها قطعه، بسرعت و اقتصادی تولیدپذیر هستند.
وایتپیپر پروتوتایپ کفش از voxeljet
Whitepaper-HSS-shoe production
چاپ سه بعدی پلیمری امکان پروتوتایپ کفشهای سفارشی را فراهم که میتواند عملکردهای خاصی را به مصرفکنندگان ارائه دهد.
voxeljet.com/additive-manufacturing/case-studies/consumer-goods/3d-printing-for-the-perfect-sneaker
تولیدکنندگان چاپگرهای سه بعدی HSS در بازار جهانی
کمپانی آلمانی Voxeljet از سازندگان برتر ماشینهای hss میباشد اما روند مرسوم بازارهای «ساخت لایه افزایشی» نشان داده با گذشت زمان، تدریجا شرکتهای چینی مونوپولی تجاری این فناوری را از سازندگان پیشروی غربی (اینجا شرکت وکسلجت) خواهند گرفت. در حال حاضر، کمپانی «وکسلجت» از مشتریان خود در تمام مدت پشتیبانی مینماید: از انتخاب ماشین و حجم چاپ مورد نیاز تا تامین مواد فرآیند زینترینگ سرعت بالا (HSS). در طول مرحله قبل از خرید، مشتریان میتوانند قطعات خود را در یکی از مراکز خدمات سه بعدی «وکسلجت» چاپ نمایند تا بدون نگرانی از سرمایهگذاری پرریسک سختافزاری، فرآیند را بطور کامل با شرایط کاری خود آنالیز کنند. در حال حاضر برند VoxelJet بزرگترین سایز چاپگرهای سه بعدی پودر پلیمری جهان را تولید مینماید.
voxeljet یکی از پیشگامان در ایجاد فرآیندهای «تولید لایهافزایشی AM : Additive Manufacturing» در محیطهای صنعتی است. سیستمهای پرینتر سه بعدی voxeljet مجهز به آخرین فناوریهای فوقپیشرفته بمنظور کارکرد 24 ساعته میباشند. ماشینهای زینترینگ پرسرعت این کمپانی، برای چاپ سه بعدی صنعتی توسعه یافتهاند. محصولات وکسلجت، قدرتمندترین و پربازدهترین پرینترهای تولید قطعه در مقیاس صنعتی در جهان میباشند. زمانیکه حجم، کارایی، سرعت و قابلیت اطمینان در تولید مهم است؛ این چاپگرها طیف وسیعی از مواد را پشتیبانی مینمایند.
در ادامه، دو نمونه محصول برند VoxelJet را بررسی مینماییم:
چاپگر VX200 HSS
voxeljet.com/industrial-3d-printer/prototyping/vx200-hss
VX200 HSS یکی از انعطافپذیرترین چاپگرهای3بعدی پلیمری دنیا و راهحلی ایدهآل برای برنامههای تحقیق و توسعه است. با نرمافزار باز و برنامهنویسی سفارشی تمام پارامترها، فرآیند چاپ و مواد را میتوان با بالاترین ظرافت توسعه داد.
- ابعاد پرینت (باکس پودر : JobBox) 290*140*180 mm
- رزولوشن : 360DPi
- متریال : پودر پلیآمید PA12 – pp – TPU – PEBA – EVA
چاپگر VX1000 HSS
voxeljet.com/industrial-3d-printer/serial-production/vx1000-hss
VX1000 HSS نشان میدهد چه شگفتیهایی در پرینت پلیمری صنعتی با کارایی بالا امکانپذیر است. این پرینتر برای تولید مداوم صنعتی سایز بزرگ و سریع عرضه شده است. ابعاد عظیم ساخت آن بمنظور تولید قالبهای ریختهگری مناسب میباشد. این ماشین میتواند خودکار باشد، بسیار مولد است و آنرا جایگزینی واقعی برای قالبگیری تزریق پلاستیک معمولی میکند.
- ابعاد پرینت (باکس پودر : JobBox) 1000*540*400 mm یا 216 لیتر
- رزولوشن : 360DPi
- متریال : پودر پلیآمید PA12 (پس از پیکربندی سختافزاری و نرمافزاری با اکثر پلیمرهای صنعتی سازگار میشود).
نکته: هر دو دستگاه فوق با بهرهگیری از فناوری بایندرجت میتوانند متریال Sand و Ceramic را نیز استفاده کنند که ربطی به این مطلب ما ندارد و بنابراین توضیح نمیدهیم. ماشین VX2000 وکسلجت اختصاصا با متریال Sand برای تولید قالبهای بزرگ در ابعاد 2000*1000*1000 میلیمتر ساخته شده است.
پودر متریالهای فناوری HSS
توسعهدهندگان پرینت سه بعدی hss، بخاطر صرفهجویی بیشتر در هزینه مواد، پلتفرم مواد منبع باز را بمنظور مشارکت هر چه بیشتر تامینکنندگان شیمیایی ایجاد کردهاند (که در بخش بعدی توضیح میدهیم). بنابراین بتدریج مواد جدید و بیشتری در یک رقابت سالم ایجاد خواهد شد. در حال حاضر پودر مواد زینترینگ سریع پلیمر (HSS) به شرح زیر است:
- پلیآمید (PA12)
ترموپلاستیک قوی برای نمونه های اولیه کاربردی و قطعات نهایی با چگالی بالا و خواص فنی بهینه.
- پلیپروپیلن (PP)
مواد بادوام با مقاومت بالا در برابر استرس مکانیکی و تاثیرات شیمیایی و در عین حال سبک با کاربرد گسترده در پزشکی.
- پلیاورتان ترموپلاستیک (TPU)
با انعطافپذیری بالا در طیف وسیعی از دماها مشخص میشود. TPU با مقاومت سایشی بالا و مقاومت شیمیایی خوب.
فرآیند زینترینگ سریع voxeljet بطور فعال توسط تولیدکنندگان جهانی متریال پشتیبانی میشود:
Voxeljet توسط شرکای مشهور صنایع شیمیایی پشتیبانی میگردد. تعامل متریال با کارایی و انعطافپذیری فرآیند HSS عامل تعیینکننده خواص فیزیکی، حداکثر دقت و کیفیت سطح است. «وکسلجت» همراه با شرکای بینالمللی صنایع شیمیایی، بطور مداوم در حال تلاش برای گسترش طیف مواد موجود میباشد.
- AM Polymers GmbH
- Evonik Industries
- Launhardt Gmbh
- Igus
- CRP Technology
- Diamond Plastics
- BASF
- Covestro AG
شبکه HSS Material یک اتحادیه مشارکتی است که هدف آن تولید متریالها و به اشتراکگذاری دانش و تسریع توسعه فرآیند همجوشی سرعت بالا (HSS) است. شرکتهای متوسط اغلب فاقد تجهیزات، مهارتها و منابع برای شیرجهزدن به تحقیقات مواد و بهینهسازی فرآیند پرینت پلیمری هستند. برای بستن این شکاف و ارائه یک مزیت رقابتی سازگار، Voxeljet شبکه مواد HSS را راهاندازی نموده که با همکاری نزدیک موسسات و متخصصان مشهور جهانی، گزینه برونسپاری سریع، انعطافپذیر و بدونریسک را برای توسعه پودرهای این تکنولوژی به مشتریان ارائه میدهد.
خرید پرینتر سه بعدی (تکنولوژی FDM : متریال رشته ترموپلاستیک)
نتیجهگیری و آینده فناوری HSS
در حال حاضر، فناوری HSS سبب ایجاد درآمدهای پایدار و مشاغل جدید جهانی شده است:
- درتئوری قابلیت کاهش 90 ٪ زبالههای شیمیایی حاصل تولیدات صنعتی پلیمری را دارد.
- فرآیندهای همجوشی انتخابی لیزر (SLS) سالانه 1200 تن پودر زباله تولید میکند که روش HSS این معضلات را ندارد و نزدیک به 100 ٪ پودر HSS قابل بازیافت است.
- از دستگاههای HSS برای تولید میلیونها قطعه تجهیزات محافظ شخصی و آزمایشات انبوه همهگیری Covid-19 استفاده شده است.
- کسب بیش از 1 میلیارد پوند درآمد جدید از مجوزها و شرکای زنجیره تأمین hss و همچنین فراهم شدن هزاران شغل با ارزش بالا.
- حدود 2500 پرینتر HSS در آسیا، اروپا و آمریکای شمالی نصب و برای هر دستگاه، تخمین زده میشود که 1 تا 1.5 شغل سطح بالا ایجاد شده است.
- اینگو ادر (Ingo Ederer) مدیرعامل (CEO) کمپانی VoxelJet AG (وکسلجت) اعلام کرده با توسعه ماشینهای HSS توانستهاند بازارهای خود را بمیزان قابلتوجهی افزایش دهند و به حوزههایی وارد شوند که قبلا امکان فکر کردن به آنرا نداشتند.
منابع:
- https://www.highspeedsinteringtechnology.com
- https://www.lboro.ac.uk/research/spotlights/hss
- https://www.voxeljet.com/3d-printing-solution/polymer-sintering
- https://www.3dnatives.com/3D-compare/en/3d-printers/vx200-hss
- makepartsfast.com/what-is-high-speed-sintering-hss
- 3dprintingindustry.com/news/first-high-speed-sintering-3d-printer-unveiled-voxeljet-121033
- 3dees.cz/en/3d-printers/3d-printers-voxeljet/voxeljet-high-speed-sintering
- tctmagazine.com/additive-manufacturing-3d-printing-news/xaar-nottingham-3d-centre-achieving-2020-vision