فناوری چاپ سه بعدی HSS یا زینترینگ سرعت بالای پلیمر چیست؟

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)، کمپانی XAAR (متخصص در فناوریهای ‌پیشرفته جوهرافشان: InkJet) و شرکت آلمانی VoxelJet (سازنده دستگاههای تجاری HSS) توسعه شده است.

کنجکاوی، بینش و سرسختی

اینها سه ویژگی الزامی برای مخترعانی همانند پروفسور نیل هاپکینسون است.

پروفسور هاپکینسون، سمت معاونت فناوری تولید افزودنی در Stratratasys را دارا میباشد. نیل متولد انگلستان، یک ورزشکار و نوازنده با استعداد نیز هست ولی همیشه به “ساختن چیزها” علاقمند مانده؛ آنچنانکه در جوانی آرزویش بعنوان نوازنده گیتار تمام وقت باس را کنار گذاشت و تمام تمرکز خود را روی تکمیل مدرک مهندسی تولید و مدیریت عملیات در دانشگاه ناتینگهام (University of Nottingham) کرد. در اوایل دهه 1990 او اصول تولید پیشرفته صنعتی را آموخت. بعداً، در رساله دکترای خود درباره تولید افزودنی (3DPrinting) و ابزارسازی قالب تزریقی تحقیقات زیادی کرد. وی اعتقاد داشت که نقطه کم‌هزینه قالب‌گیری تزریقی اثبات شده ولی محدودیتهای آنرا نیز باید در نظر گرفت؛ مثلا محدودیت در طراحی هندسی قطعات و زمان طولانی ساخت. این معضل، منجر به ایجاد یک دگرگونی تاثیرگذار در زندگی هاپکینسون شد: ترکیب بهترین ویژگیهای روش تزریق قالب با قدرت ساخت لایه افزایشی AM (پرینت سه بعدی): یعنی آزادی طراحی AM و هزینه قالب تزریقی.

Neil Hopkinson در اوایل دهه 2000، بعنوان محقق دانشگاه لوف انگلستان، شروع به انتشار مقالات مرتبط به اقتصاد AM کرد (عمدتا حوزه هزینه و حجم تولید AM). او آن زمان با شک و تردید زیادی روبرو شده بود، بدبینان معتقد بودند که 3DPrinting فراتر از نمونه‌سازی یا چاپ چند قسمت استفاده دیگری نخواهد داشت و هرگز بعنوان گزینه تولید سریالی قابل تصور نیست.

• در جستجوی یک فرآیند چاپ سه بعدی مقیاس‌پذیر

نیل هاپکینسون اما این تصور را قبول نداشت. وی بدنبال توسعه یک فرآیند چاپ سه بعدی در تولید حجم قابل مقیاس افتاد. در سال 2003 ایده شگفت‌انگیزی در ذهن او ایجاد شد تا اولین اختراعش در زمینه استفاده از سرهای چاپی منتشرکننده مایع جذب مادون قرمز روی بستر پودر و تابنده حرارتی را بمنظور تولید قطعات سریالی و استفاده نهایی یا روش لایه افزایشی AM توسعه بدهد. او اصطلاح “پخت سرعت بالا” (High Speed Sintering : HSS) را برای ایده‌اش ثبت قانونی کرد. حالا آنچه او در گام بعدی نیاز داشت اثبات مفهوم ایده‌اش بصورت عملی بود.

در اولین تلاش، نیل هاپکینسون در یک آزمایش دو باکس از پودر نایلون تهیه کرد. یک باکس پودر نایلون سفید شسته و دیگری پودر نایلون مخلوط با ذرات کربن سیاه. او گرما را از طریق لامپ مادون قرمز روی هر دو اعمال کرد. پودری که حاوی کربن بود ذوب شد، درحالیکه باکس حاوی نایلون سفید بدون تغییر باقیمانده بود. نیل متوجه شد که با اتوماتیک کردن این روش میتوان یک قطعه پلاستیکی سیاه را با هندسه دلخواه ایجاد کرد. بمنظور توسعه بیشتر این ایده، نیل روند دشوار جذب بودجه را آغاز کرد. متاسفانه بسیاری از گزاره‌های تحقیقات AM آنزمان به عقب برگشته بودند اما او خوش‌شانسی آورد چون در اوایل دهه 2000 عضو دانشگاه لوفبورو (Loughborough University) بود و به بلوک بودجه شورای مهندسی و تحقیقات فیزیکی دولت انگلستان (EPSRC) دسترسی داشت. این امر به او اجازه داد تا از روند بررسی طولانی مدت دپارتمانهای نظارتی خارجی جلوگیری شود و مبلغ 50.000 پوند برای اثبات اولیه ایده HSS تأمین کند. وی با دریافت این بودجه سریعا شروع به آزمایش و ساخت اولین دستگاه hss کرد.

• تولد پرینت سه بعدی پودر پلیمر سرعت بالا (HSS)

پس از نتایج رضایت‌بخش آزمایش دستی روی پودر پلاستیک نایلون-کربن، مرحله بعدی استفاده از یک دستگاه با سر چاپ رسوب مواد جذب مادون قرمز روی بستر پودر نایلون و فرآیند تابش گرمایی بود. نیل ابتدا از یک چاپگر SLS قدیمی استفاده و نازل جوهرافشان و لامپ را بجای لیزرها و آینه قرار داد، تا ببیند آیا قطعات سریعتر و ارزان‌تر قابل تولید هستند یا خیر. مشکل این بود که چاپگر HSS باید در یک محیط خیلی گرم با سطح دمای بستر حدود 329 فارنهایت (200 درجه سانتیگراد) فعالیت میکرد. اکثر تولیدکنندگان چاپگر SLS می‌گفتند که محصول آنها در آن دما کار نمیکند، اما شرکت Xaar، یک تولیدکننده برجسته Printhead صنعتی در انگلستان، گفت که آنها آماده هستند تا این کار را انجام دهند. بنابراین، متخصصان باتجربه آنها با دستکاری یک دستگاه قدیمی SLS، پک لیزر را جدا و نازل InkJet خود و یک لامپ اضافه را مونتاژ کردند. با چند بار آزمایش و رفع خطاها نهایتا دستگاه توانست قطعات اولیه پلیمری بسازد.

یک قطعه موفق حاصل از پرینت HSS با آن دستگاه، پروتوتایپینگ یک لوله‌های کوچک صنعت هوافضا بود که قبلا بوسیله فناوری SLS تولید و دارای مجاری ظریفی در هندسه داخلی خود بود (مجاری و هندسه مختص فناوری پرینت سه بعدی که نمیتواند به روش دیگری تولید شود). در هنگام تولید این لوله شیاردار توسط تیم تحقیقاتی نیل هاپکینسون، آنها از ابزار واسطه تبدیل مدل CAD به داده‌های سه بعدی قابل چاپ استفاده نکردند و مجبور شدند مستقیما تصاویر ساده دوبعدیBitmap  را بکار ببرند. آنها چندین لایه از شی را توسط پودر نایلون پشت سرهم رسوب و پیوند دادند.

نیل درباره آزمایشات آنروزها به شوخی میگوید که آن موقع خودمان را قانع کردیم که خوش‌بین بمانیم و فکر کنیم همه‌چیز خوب کار میکند: اما “اولین بیت‌مپی که ایجاد شد، هندسه خشن و خامی داشت چون حاصل یک نرم‌افزار Basic مرحله بتا بود. زبری هندسی در اطراف بیت مپ و قطعه نهایی مشهود بود، اما خوشبختانه این آزمایشات نشان داد که ما وضوح تصویر خوبی در آینده خواهیم داشت. در پایان چند هفته اول آزمایش توانستیم حتی قطعات هندسه مفصلی نیز تولید کنیم”.

• HSS و سرمایه گذاری در صنعت کفش

با موفقیت نتایج و ثبت اختراعات اولیه HSS در دانشگاه Lowborouth، نیل هاپکینسون در سال 2003، روی پروتوتایپ کفی کفشهای ورزشی با فناوری خود کار کرد و در نتیجه یک از اولین کفشهای مسابقات فوتبال دنیا را بوسیله پرینت سه بعدی پودر پلیمر تولید نمود که سر و صدای زیادی ایجاد و برندهای مطرح ورزشی به آن علاقمند شدند. بخاطر این موفقیت، هاپکینسون توانست بودجه 1 میلیون پوندی از EPSRC دریافت کند تا فناوری HSS را بطور خاص برای توسعه کفی کفش با همکاری مارکهای سازنده کفش توسعه دهد.

از آن زمان تاکنون بخاطر این ریسک هوشمندانه، چندین برند تجهیزات کفش، محصولات خود را بوسیله پرینت سه بعدی پلیمری ایجاد و برخی از ورزشکاران مشهور در بازی‌های المپیک با پوشیدن این کفشها رقابت می‌کنند (بعلت امکان سازگاری کامل فیزیولوژیکی کفش با پای ورزشکار تا به بهترین عملکرد دست یابد).

• توسعه تجاری فناوری HSS

نیل هاپکینسون این ضرب‌المثل مشهور را که «آخرین مرحله همیشه مشکل‌ترین روند اختراع یک چیز جدید می‌باشد» عینا تجربه کرده است. خودش در اینباره میگوید: ” توسعه یک محصول نهایی تجاری که قابل اعتماد، تکرارشونده و باارزش باشد تا سرمایه‌گذاران شما سود خوبی از آن کسب کنند، کار واقعا سختی است؛ چون مدتها تلاش می‌کنید و وقتی بنظرتان همه چیز نهایی است ناگهان از زمین و آسمان، بلا سرتان نازل میشود! اگر میخواهید مخترع شوید برای موفقیت علاوه بر اراده قوی باید خوش‌شانس هم باشید. “

تجاری‌سازی HSS روند پرتنشی طی کرده و آسان بدست نیامده است: به دلایل مختلف غیرفنی، تحقیقات HSS به مدت پنج سال متوقف شد. نیل هاپکینسون مجبور شد از حق ثبت اختراعات خود در دادگاه دفاع کند و حتی با محدودیت مجوز روبرو گشت، اما نهایتا در سال 2011 موفق شد تا اولین دستگاه HSS جهان را از پروژه‌ای زمین‌گیر شده بسازد. یک نقطه عطف و یکی از بزرگترین تغییرات حوزه چاپ سه بعدی در 20 سال اخیر. نیل هاپکینسون توانست از طریق دانشگاه لافبورو‌، حق ثبت اختراع HSS را به شرکتهای سازنده پرینتر سه بعدی صنعتی بفروشد.

نیل پس از قانونی‌شدن اعطای مجوزهای متعدد، تصمیم گرفت به یکی از شرکتهایی که در حال توسعه تجاری این فناوری بودند، بپیوندد. او میگوید: “من به Xaar پیوستم، کمپانی‌ای که وابستگی فنی و عاطفی زیادی با آنها داشتم، زیرا نه تنها در تکمیل آزمایشات اولیه به من کمک کردند، بلکه تیم مدیریتی آینده‌نگر آنها نیز مفهوم فناوری انقلابی من را درک نمود: آنها تا آن زمان یک غول در فناوریهای چاپ دو بعدی صنعتی (2D printing) با کارایی اقتصادی بالا بودند پس نسبت به دیگر شرکتها برای من آسانتر بود تا پتانسیل بالای یک فناوری چاپ سه بعدی پیشرفته را به آنها بفروشم”.

در Xaar او با گروهی از مهندسین دانمارکی همراه شد تا با یک چاپگر سه بعدی بستر پودر مناسب کار کند. او به تیم تخصصی ارزشمندی در کنترل دما و کار با پودرها دسترسی داشت. آنها با هم اولین نمونه فرآیند توسعه چاپگر سه بعدی پلیمری را که از اوایل سال 2017 آغاز شد، توسعه دادند.

در سال 2017، نیل هاپکینسون در دفتر مرکزی Stratratasys در شهر Recoievot اسرائیل، بطور اتفاقی شنید که اسکات کرامپ، بنیانگذار Stratasys، آنجا حضور دارد. نیل و اسکات بمدت ده سال با هم دوست بودند و نیل گهگاه روند پیشرفت HSS را با او به اشتراک میگذاشت. این دیدار اتفاقی در Rehovot منجر به یک مهمانی شام شد که در آن هر دو موافقت کردند که برای مذاکرات بیشتر برنامه‌ریزی کنند. نیل می‌گوید: “ما همکاری با Stratasys بمنظور فروش چاپگرهای خود را شروع کردیم و توافق کردیم که اولین پروتوتایپ خود را به آنها نشان دهیم – در اواخر سال 2017 این روند انجام شد.”

تیم Xaar نیز برای همکاری تجاری با Stratasys اشتیاق داشت زیرا XAAR اگرچه توانایی فنی توسعه و فروش محصول را بصورت ارگانیک داشت، اما اگر با یکی از بهترین و معتبرترین برندهای صنعت AM دنیا و کانال فروش جهانی آنها شریک می‌شد، رشد بازار و فروش بهتر پیش می‌رفت. بنابراین کمپانی استرتاسیس نیز سهمی در توسعه روش HSS داشته است.

همکاری مشترک XAAR و Stratasys با پروفسور نیل هاپکینسون منجر به توسعه فناوری SAF یا Selective Absorptive Fusion : همجوشی جذب انتخابی (پودر پلیمر) نیز 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.

فناوری همجوشی سریع پلیمری HSS 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.
• قطعه تکمیل شده پس از خنک شدن از باکس پودر خام اضافی (توسط باد یا سایر روشها) جدا و تمیزکاری میشود.
• در مرحله آخر در صورت نیاز فرآیند ماشینکاری (ساب، سمباده‌زنی، پولیش، عایق‌زنی یا رنگ‌کاری) انجام میگردد.

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 متنوعی از کاربردها را پوشش می‌دهد. 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 میباشد. 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.

نرم‌افزار چاپ سه بعدی HSS

همیشه همان شرکتی که دستگاه چاپگر HSS را عرضه میکند، نرم‌افزار اختصاصی سازگار با آنرا هم تولید مینماید اما در حال حاضر 5 برنامه تخصصی پیشرفته برای انواع روشهای چاپ سه بعدی صنعتی نیز توسعه داده‌ شده‌اند:

AuthoDesk NetFabb  – Siemens NX software – Solid Edge Siemens – Materialise Magics – Polydevs3D

اگر میخواهید پتانسیل کامل پرینت سه بعدی را درک کنید، به مدلسازی سه بعدی باکیفیت نیاز دارید. راه‌حل‌های نرم‌افزاری امروزی نه تنها میتوانند مدلینگ را از پایه ایجاد کنند، اندازه را تغییر داده و به فرمت مناسب تبدیل کنند؛ بلکه ابزارهایی مانند بهینه‌سازی توپولوژیکی و بافت تمام رنگی را نیز ارائه میدهند. قبل از مدلسازی برای چاپ Voxeljet High Speed ​​Sintering، ایده خوبیست که از طریق راهنمای PDF زیر با چند دستورالعمل اساسی آشنا شوید:

Design and Printing guidelines

از ابزارهای نرم‌افزاری متنوعی میتوان برای ایجاد مدلها برای پرینت سه بعدی پودر پلیمری استفاده کرد، (حتی بواسطه رایج‌ترین نرم‌افزارهای CAD). بنیاد توسعه‌دهنده فناوری HSS با چندین تولیدکننده نرم‌افزاری تخصصی همکاری مینماید. این برنامه‌ها با تمام محصولاتی که برای پرینت سه بعدی HSS ارائه میشود بطور موثر کار میکنند. در نتیجه، راه‌حل جامع تولید دیجیتال شامل چاپگرهای سه بعدی، اسکنرهای سه بعدی و پالایش نرم‌افزاری برای صنایع فراهم میشود. این نرم‌افزارهای تخصصی، توانایی کار با فایلهای سه بعدی را بمیزان قابل توجهی افزایش میدهند، خواه برای ویرایشهای سریع قبل از چاپ یا ابزارهای ویرایش پیشرفته تولید باشد. 

نکته: تمامی نرم‎‌افزارهای زیر شامل لایسنس تجاری ماهیانه یا سالیانه میباشند ولی برخی از آنها با کرک فعالساز در دانلودرهای فارسی قابل دسترس هستند.

• نرم‌افزار AutoDesk NetFabb

نسخه‌های پریمیوم اتودسک نت‌فب در حال حاضر یکی از محبوبترین برنامه‌های پرینت صنعتی در حوزه پلیمری و فلزی محسوب میشود. امکانات این نرم‌افزار بسیار جامع و پیشرفته میباشد و هر نیازی را در صنایع پاسخگوست (آموزش اتودسک نت‌فاب پریمیوم).

• نرم‌افزار SIEMENS NX

Siemens-PLM-Additive-Manufacturing-with-NX

نرم افزار Siemens NX محیطی ارائه میدهد که ساخت و ساز برای فناوری چاپ سه بعدی را از طراحی تا بهینه‌سازی مدیریت کند، مثلا: طراحی یکپارچه گردش کار چاپ با استفاده از یک فرآیند مدل هوشمندمحور که تبدیل داده‌ها را بین نرم‌افزارها از بین میبرد – امکان تولید طرحهای بهینه شده و نوآورانه که سبک و کاربردی هستند – توانایی مدیریت پیشرفته هندسه‌های پیچیده مانند مثلث، تودرتو، سطح و مواد جامد که همه با یک محیط نرم افزاری اجرا میشوند – قبل از چاپ سه بعدی، عملکرد طراحی را شبیه سازی کنید – حجم‌پذیری زیاد اجزای موجود در یک سینی پرینت بمنظور بحداکثر رساندن توانایی تولید.

• نرم‌افزار SIEMENS Solid Edge

solidedge.siemens.com/en

زیمنس سالید اج، مجموعه‌ای از ابزارهای نرم‌افزاری پیشرفته و با استفاده آسان است که به تمام جنبه‌های فرآیند توسعه محصول می‌پردازد. Solid Edge سرعت و سادگی مدل‌سازی مستقیم را با انعطاف‌پذیری و کنترل طراحی پارامتریک ترکیب می‌کند که با فناوری سنکرون (synchronous technology) امکان‌پذیر شده است. از این برنامه در فرآیندهای 3DPrinting صنعتی نیز میتوان بخوبی بهره برد.

• نرم‌افزار Materialise Magics

materialise.com/en/industrial/software/magics-data-build-preparation

soft98.ir/software/3d-tools/3872-materialise-magics.html

نرم‌افزار Materialize عمدتا در بازار حوزه اروپا ارائه میشود. Magic یکی از پیشرفته‌ترین ابزارهای پردازش داده برای چاپ سه بعدی در نظر گرفته میشود. با ارائه تعدادی ماژول، امکان مقیاس پذیری عالی را با توجه به نیازهای داده‌ای فراهم میکند. میتوانید قبل از ارسال برای چاپ، با ابزارهای ساده ویرایش مدل اولیه شروع کنید و بتدریج ماژولهای بیشتری را برای ایجاد مدل جامع، از طریق کنترل فرآیند تولید و مرحله کنترل کیفیت قطعات چاپ شده، اضافه کنید.

materialise.com/en/academy/industrial/magics/video-tutorials

Materialize Magic چندین ماژول ارائه میدهد که از طریق آنها اصلاحات جامع داده سه بعدی انجام میگردد، مثلا عملکردهای ویرایش پیشرفته مانند ایجاد بافت لانه زنبوری یا حفره و تقسیم مدلها به چندین قسمت. ماژولهای تخصصی به شما امکان میدهند ضخامت دیوارها را تجزیه و تحلیل کنید و کنترل کیفیت قطعات را انجام دهید. ماژولهای دیگر، برای مثال، تودرتوی پیشرفته قطعات را برای یک کار چاپی و تعدادی از عملکردهای دیگر، فعال می کنند و البته Materialize Magic می تواند هر فایل CAD را وارد نماید.

• نرم‌افزار Polydevs3D

این نرم افزار برای آن دسته از مشتریانی است که به یک ابزار جامع مدیریت فرآیند از ایجاد داده تا کنترل کیفیت خروجی نیاز ندارند. Polydevs3D دو نسخه اصلی را ارائه میدهد: Polydevs Lite برای ویرایش سریع مدل قبل از ارسال برای چاپ سه بعدی و Polydevs Pro که یک ابزار جامع برای اصلاحات و تحلیل‌های پیچیده‌تر مدل ارائه می‌کند و همچنین به مدیریت تولید کمک می‌کند. Polydevs برای ویرایش اولیه داده‌ها، تعمیرات پیش از تولید استفاده میشود و شما میتوانید بطور قابل اعتمادی با توجه به پارامترهای خاص، تودرتو کار را آماده کنید.

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

هنگامیکه به روند چندساله توسعه فناوری HSS نگاه کنیم؛ تلاشهای سرسختانه پروفسور نیل هاپکینسون کاملا برجسته است.

پروفسور نیل هاپکینسون اکنون به درستی اهداف و بینش‌های جسورانه‌اش در اوایل دهه 2000 رسیده است. فناوریهایSAF و HSS سبب شده‌اند حداکثر آزادی طراحی و هزاران پارت پلیمری در روندی اقتصادی و بطور مداوم قابل چاپ گردند. هر دو این روشها برای تولید سریالی قطعات صنعتی سریعتر از روش قالبگیری ترزیقی مفید هستند.

او بسیار احساس غرور میکند که فناوری HSS توانست در طول کابوس همه‌گیری بیماری Covid-19 (کرونا) محصولات واقعی حفاظتی پزشکی را تولید کند تا در زمان کمبود این اقلام در بازار جان صدها نفر نجات یابد. اکثر پرسنل خط مقدم مبارزه با کووید، در ماههای اول شیوع بیماری از دسترسی به تجهیزات حفاظت فردی PPE پزشکی (Personal protective equipment) دچار مضیقه بودند (زنجیره تامین عرضه‌کنندگان جهانی این لوازم در اثر شوک افزایش ناگهانی تقاضا از هم گسست)؛ خوشبختانه فناوریهای پرینت3بعدی بسیج شدند تا به پر کردن این شکاف در زنجیره تأمین کمک کنند. این اتفاق، رهبران مشاغل را از امکانات چاپ سه بعدی آگاه کرد: مزیت شتاب‌دهی به توسعه محصولات و تولید بدون اتلاف زمان ابزارها بجای روشهای سنتی مثل تزریق قالب.

پس از تجربه سال اول شیوع کرونا، در صورت وجود کمبود جهانی تجهیزات پزشکی به هر دلیلی، جامعه مدلینگ سه بعدی با مخزن فایلهای آماده حوزه تجهیزات پزشکی و شبکه‌ای از کارشناسان حوزه AM (پرینت سه بعدی) و مراقبتهای بهداشتی، سازماندهی شده‌اند تا سریعاً برای مدیریت بحران بسیج شوند.

در حال حاضر، فناوری HSS سبب ایجاد درآمدهای پایدار و مشاغل جدید جهانی شده است:

• درتئوری قابلیت کاهش 90 ٪ زباله‌های شیمیایی و آلودگی محیطی حین کار حاصل تولید صنعتی پلیمری (تزریق قالب) 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
• stratasys.com/en/resources/blog/the-story-of-saf
• 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