پرینت سه‌بعدی به عنوان شکلی از ساخت افزودنی، فرآیندی بسیار متنوع است که به مهندسان و طراحان محصول کنترل بالایی بر بافت، ویژگی‌ها و استحکام محصولاتشان می‌دهد. علاوه بر این، مزایای پرینت سه‌بعدی را می‌توان بسیار سریعتر و با مراحل بسیار کمتری نسبت به بسیاری از روش‌های ساخت سنتی به دست‌آورد.

هنگام بررسی مزایای پرینت سه بعدی و تطبیق پذیری شگفت انگیز آن، اغلب این سؤال مطرح می‌شود که چه نوع موادی در زیربنای این فرآیندهای افزودنی قرار دارند. حقیقت این است که انواع مختلفی از مواد پرینت سه بعدی وجود دارند و هر کدام نقاط قوت و ضعف متفاوتی دارند. علاوه بر جنبه‌های عملکردی مواد مختلف پرینت سه بعدی، هزینه نیز برای بسیاری از مهندسان محصول عامل بسیار مهمی است. در این مقاله، نگاهی دقیق تر به برخی از متداول ترین مواد پرینت سه بعدی، از جمله خواص مختلف، ملاحظات هزینه و کاربردهای آن‌ها می‌اندازیم.

رایج ترین مواد مورد استفاده برای پرینت سه بعدی کدامند؟

از بین تمام مواد مختلفی که برای پرینت سه بعدی استفاده می‌شوند، پلاستیک رایج ترین آن‌هاست. پلاستیک برای کاربردهای بسیار زیادی قابل استفاده است – تقریباً برای همه چیز، از وسایل خانه پرینت سه بعدی شده تا اسباب بازی‌ها استفاده می‌شود. مواد پرینت سه بعدی پلاستیکی در رنگ‌های مختلف موجود است و همچنین می‌تواند شفاف باشد. رشته‌های پرینت سه بعدی پلاستیکی به طور معمول در قرقره‌هایی با بافت براق یا مات به فروش می‌رسند.

پلاستیک به دلیل خواص مفید متعدد از جمله انعطاف پذیری، استحکام، صافی و گزینه‌های رنگی متنوع، ماده مطلوبی برای پرینت سه بعدی است. علاوه بر این، مواد پلاستیکی برای پرینت سه بعدی نسبت به سایر مواد مقرون به صرفه هستند. رایج ترین روش پرینت سه بعدی که از مواد پلاستیکی استفاده می‌کند، مدل سازی رسوب گذاری (FDM) است. در پرینت سه بعدی FDM، رشته‌های ترموپلاستیک ذوب شده و به صورت لایه ای شکل می‌گیرند. رایج ترین انواع پلاستیک‌های استفاده شده در پرینت سه‌بعدی FDM عبارتند از:

• اسید پلی لاکتیک (PLA):

PLA نوعی پلاستیک سازگار با محیط زیست است که اغلب از نشاسته ذرت یا نیشکر به دست می‌آید و باعث تجزیه زیستی آن می‌شود. در هر دو شکل سخت و نرم وجود دارد و شیوع آن در پرینت سه بعدی همچنان در حال افزایش است. همانطور که از نامش پیداست، PLA سخت از PLA نرم قویتر است که باعث می‌شود آن را به پلاستیکی همه‌کاره تر برای طیف وسیعی از کاربردها تبدیل کند.

• استایرن بوتادین آکریلونیتریل (ABS): 

ABS به دلیل استحکام و مقرون به صرفه بودن شناخته شده است. رشته‌های ABS سفت هستند، اما به طور شگفت انگیزی انعطاف‌پذیر نیز هستند. علاوه بر این، پلاستیک ABS در رنگ‌های مختلفی عرضه می‌شود که آن را برای کاربردهایی مانند اسباب بازی‌ها عالی می‌کند.  همچنین، ABS برای صنایع دستی مانند جواهرات و دکوراسیون منزل استفاده می‌شود.

سایر مواد رایج مورد استفاده برای پرینت سه بعدی

دومین ماده محبوب برای پرینت سه بعدی بعد از پلاستیک، فلز است. با استفاده از فرآیندهای  ذوب لیزری انتخابی(SLM)  و یا پخت لیزری مستقیم فلز (DMLS)، مواد فلزی برای طیف وسیعی از کاربردها مانند قطعات هوافضا که نیاز به فرآیند تولید سریع، وزن سبک و ساده‌سازی کلی فرآیند تولید وجود دارد، پرینت سه بعدی می‌شوند. علاوه بر این، پرینت سه بعدی با فلز در کاربردهای جواهرات نیز به دلیل اینکه محصولات می ‌توانند بسیار سریعتر و در حجم بیشتر، بدون کار دستی خسته کننده برای انجام کارهای دقیق جزئی ساخته شوند، محبوبیت بیشتری پیدا می‌کند.

استفاده از فلز در پرینت سه بعدی امکان ساخت قطعات قوی تر برای طیف گسترده ای از کاربردها و انواع مختلف فلزات از جمله موارد زیر را فراهم می‌کند:

• فولاد ضد زنگ: 

برای مصارف زیادی از جمله  برای کاربردهای صنعتی، ظروف و سایر لوازم خانگی مقاوم در برابر خوردگی استفاده می‌شود.

• آلومینیوم: 

برای قطعات نازک فلزی عالی است.

• تیتانیوم: 

برای قطعاتی که نیاز به استحکام بالاتری دارند، ایده آل است.

• برنز: 

برای دکوراسیون و وسایل شیک و زیبا استفاده می‌شود.

• طلا: 

برای جواهراتی مانند گوشواره، انگشتر، دستبند و گردنبند استفاده می‌شود.

در طول پرینت سه بعدی DMLS، پودر فلز به گونه ای گرم می‌شود که سفت شود. به این ترتیب، ریخته گری ضروری نیست و به جای آن،  پودر فلز در داخل پرینتر سه بعدی به یک قطعه شکل گرفته تبدیل می‌شود. پس از پرینت، قطعات DMLS را می‌توان با استفاده از فرایندالکتروپولیش سطح آنرا بهبود بخشید.

گرافن:

یکی از مواد پرینت سه بعدی که به طور فزاینده ای رایج می‌شود، گرافن است. گرافن به دلیل رسانایی، انعطاف پذیری و استحکام مورد توجه قرار گرفته است. در نتیجه، این ماده پرینت سه بعدی راه حل مناسبی برای قطعات دستگاه‌های الکترونیکی است که نیاز به انعطاف پذیری دارند، مانند صفحه نمایش‌های لمسی. علاوه بر این، گرافن برای مواد ساختمانی و پنل‌های خورشیدی استفاده می‌شود. همچنین، گرافن سبک است بدون اینکه از استحکام و تطبیق پذیری آن کاسته شود، که باعث می‌شود در طیف وسیعی از صنایع قابل استفاده باشد.

مواد مرکب:

مواد رایج دیگر برای پرینت سه بعدی، مواد مرکب هستند. مواد پرینت سه بعدی مرکب در اشکال مختلفی از جمله رشته‌ها و پودرها وجود دارند. این مواد به دلیل استحکام و پایداری بالا و همچنین نسبت استحکام به وزن بهینه مطلوب هستند. الیاف کامپوزیت بسیار سبک هستند، به این معنی که می‌توان بدون اضافه کردن وزن، استحکام زیادی به قطعه وارد  نمود. مواد پرینت سه بعدی کامپوزیت با درجه مهندسی نیز به عنوان جایگزینی برای مواد فلزی استفاده می‌شوند.

مواد پایه رایج مورد استفاده در کامپوزیت‌ها عبارتند از PLA و ABS که هر دو بسیار مقرون به صرفه هستند. در انتهای دیگر طیف هزینه، پلیمرهای با کارایی بالا مانند PEEK به عنوان مواد پایه برای کامپوزیت‌ها استفاده می‌شوند. در پرینت سه بعدی پخت لیزری انتخابی (SLS)، نایلون ماده پایه ای است که برای پودرهای کامپوزیت استفاده می‌شود.

در مورد مواد تقویت کننده اضافه شده به کامپوزیت‌ها، الیاف کربن به دلیل استحکام برتر بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرند. الیاف کربن نوعی ماده کامپوزیتی است که در پرینت سه بعدی به عنوان پوشش بیرونی روی مواد پلاستیکی استفاده می‌شود. این پوشش‌های بیرونی از الیاف کربن، پلاستیک را محکم تر می‌کنند. این ترکیب قدرتمند مواد به عنوان جایگزینی مناسب تر برای قطعات فلزی مورد استفاده قرار می‌گیرد که منجر به کوتاه تر شدن زمان از سفارش تا تحویل (Lead time) می‌شود. علاوه بر الیاف کربن، سایر مواد تقویت کننده می‌توانند شامل گرافن، فایبرگلاس و کولار باشند.