وقتی صحبت از پرینت سه بعدی می شود، متریال نقش مهمی بازی میکنند. خواص و ویژگی های هر شاخه مواد ( فلزات، پلاستیک یا سرامیک) به طور قابل توجهی بر خروجی پرینتر سه بعدی تأثیر می گذارد. و دانستن اینکه کدام ماده به بهترین وجه مناسب است، گامی حیاتی در ایجاد هر قطعه است. زیرا طراحی نیز تحت تأثیر قرار می‌گیرد، زیرا می‌تواند بر همه چیز، از استفاده از ساپورت گرفته تا نگرانی‌ها و خواص انقباض قطعه تأثیر بگذارد.

اما در مورد زمانی که دو گروه مواد کاملاً متفاوت را می توان هر دو برای قطعات پیشرفته استفاده کرد، چطور؟ بهترین مثال در این مورد بدون شک در مقایسه بین پلیمرهای با کارایی بالا (HPP) و فلزات است. اگرچه بدیهی به نظر می رسد که فلزات و پلیمرها کاملاً متفاوت هستند، اما برخی از پلیمرها وجود دارند که خواص و ویژگی های آنها با بسیاری از فلزات رقابت می کند و آنها را به یک جایگزین عملی تبدیل می کند. اما چرا باید یکی را به جای دیگری استفاده کرد؟ تفاوت عمده این دو چیست؟ هنگام پرینت سه بعدی چه نکاتی را باید در نظر داشته باشید؟ ما در آخرین مقاله خود به این سؤالات و موارد دیگر نگاهی دقیق تر می اندازیم.

خواص و ویژگی های HPP در مقابل فلزات

برای فلزات و پلیمرهای با کارایی بالا، تفاوت ها از مبدأ آنها شروع می شود. در حالی که بیشتر فلزات در طبیعت یافت می شوند (البته به جز آلیاژها)، پلیمرها ساخته می شوند.  علاوه بر این، پلیمرهای خاصی که در پرینت سه بعدی استفاده می شوند با زنجیره های پلیمری متمایز شیمیایی ساخته می شوند که در هم پیچیده شده اند.

اما در حالی که نحوه تشکیل آنها بسیار متفاوت هست،   ویژگی هایی آنچه ما HPP در نظر می گیریم شبیه به فلز است. با این حال، ابتدا باید توجه داشت که عملکرد بالا یک اصطلاح فنی نیست. در عوض به پلیمرهای فنی مهندسی گرید اشاره دارد که تمایل به استحکام، خلوص، سختی و مقاومت بالاتری در برابر سایش و مواد شیمیایی دارند. از این میان می توان ترموپلاستیک هایی مانند ULTEM، PEKK، PEEK را برشمرد.

اگرچه TPE/TPU، PC و نایلون نیز گاهی در میان آنها گروه بندی می شوند، در عوض باید آنها را "ترموپلاستیک های مهندسی" در نظر گرفت، در حالی که ترموپلاستیک های "با عملکرد بالا" دسته خودشان هستند. لازم به ذکر است که مواد مهندسی می توانند برای برآوردن برخی از الزامات کاربردی کافی باشند و ارزان تر هستند، حتی اگر خواص آنها به خوبی فلزات یا HPP نباشد. کاربران باید در هنگام انتخاب دقیقاً به آنچه نیاز دارند فکر کنند.

همچنین انواع مختلفی از فلزات برای پرینتر سه بعدی  استفاده می شود، از جمله فلزاتی که به صورت طبیعی شکل می گیرند و همچنین آلیاژها (فلزی که از ترکیب دو یا چند عنصر برای ایجاد استحکام بیشتر یا خواص خاصی به آن ساخته می شود). برای نام بردن از چند مورد، فلزات رایج شامل آلومینیوم و آلیاژهای آن، فولاد (از جمله فولاد ضد زنگ و فولاد ابزار)، آلیاژهای مس، گالیم، تیتانیوم و آلیاژها، آلیاژهای مبتنی بر نیکل کبالت کروم و در سال‌های اخیر، حتی فلزات گرانبها مانند طلا یا نقره هستند. نوع فلز مورد استفاده بستگی به استفاده مورد نظر از خروجی نهایی دارد زیرا هر کدام دارای خواص متفاوتی هستند. 

خواص نیز بر اساس شکلی که فلز در آن قرار دارد متفاوت است. در حالی که پلیمرهای با کارایی بالا بیشتر رشته هایی با برخی پودرها هستند، انتخاب های بسیار بیشتری برای فلزات وجود دارد. به عنوان مثال، فلز البته به صورت پودر و همچنین به صورت رشته (معمولاً به صورت کامپوزیت با ماتریس پلیمری)، سیم و حتی نانوذرات موجود است. این البته تأثیر مستقیمی بر پرینت سه بعدی دارد زیرا امکان انتخاب بیشتر را فراهم می کند، همانطور که بعداً مورد بحث قرار خواهد گرفت.

خواص چیست؟

کلید HPP و فلزات در پرینت سه بعدی این است که هر دو دارای خواص مکانیکی، حرارتی و شیمیایی باورنکردنی هستند. در واقع، گفته می‌شود که ترموپلاستیک‌های با کارایی بالا با اکثر فلزات رقابت می‌کنند، به‌ویژه وقتی صحبت از پلیمرهای به اصطلاح «فوق‌العاده» مانند PAEK (که شامل تمام مواد خانواده پلی اتر کتون‌ها مانند PEEK و PEKK می‌شود) و PEI (به‌خاطر نام تجاری Ultem معروف‌تر است).  

به عنوان مثال، مواد PAEK به دلیل مقاومت عالی در برابر مواد شیمیایی، سیال، سایش، دما و آتش شناخته می شوند. علاوه بر این، آنها دارای خواص حرارتی و مکانیکی عالی هستند و حتی در دماهای بالا یا زیر صفر از مقاومت ضربه ای بالایی برخوردار هستند. نه تنها این، بلکه یکی از بزرگترین مزایای استفاده از پلیمرهای با کارایی بالا، نسبت استحکام به وزن بسیار بالای آنها است (حتی بهتر از آلومینیوم زیرا حدود 60 تا 70 درصد سبک تر هستند)، که امکان ساخت قطعات فوق العاده قوی اما سبک را فراهم می کند. دمای انتقال شیشه‌ای نیز مانند ازدیاد طول در هنگام شکست زیاد است، اگرچه این دما بین PEI، PEKK و PEEK متفاوت است. مقاومت در برابر خوردگی نیز یک مزیت قابل توجه برای همه پلیمرها بر خلاف فلز است.

از طرف دیگر فلزات واقعاً بسته به نوع مورد استفاده متفاوت هستند. به عنوان مثال، آلومینیوم ضعیف تر از بسیاری دیگر است، اما بسیار سبک تر است، که آن را به دلیل نسبت استحکام به وزن خود می شناسد. در همین حال، مس به دلیل خواص رسانایی الکتریکی و حرارتی و همچنین چکش خواری بسیار معروف است. علاوه بر این، تیتانیوم، که شاید بیشتر به دلیل خواص زیست سازگارش شناخته شده است، و کبالت برای استحکام و چکش خواری مورد علاقه هستند. اگرچه باید گفت که این تنوع به خودی خود یک نقطه قوت است: کاربران می توانند کیفیت هایی را انتخاب کنند که به بهترین وجه با نیازهای آنها مطابقت دارد.

به طور کلی، اگرچه ما می توانیم تفاوت را ببینیم این است که فلزات از نظر استحکام و سفتی محبوب هستند. و اگرچه این در مقایسه با پلیمرهای استاندارد قابل توجه است، اما پلیمرهای با کارایی بالا خواص مشابهی دارند و اغلب چگالی کمتری نسبت به فلزات دارند (به آنها اجازه می دهد سبک تر باشند). اگرچه همانطور که گفته شد، به دلیل گستره قابل توجهی وسیعتر از فلزات موجود برای تولید افزودنی، انتخاب و انتخاب خواص مورد نظر در مقایسه با پلیمرهای با کارایی بالا آسانتر است. فلزات همچنین تمایل دارند بسته به آلیاژ خاص مورد استفاده، طیف وسیع تری از دماها را تحمل کنند. با این حال، قطعات فلزی نیز به انرژی و زمان بیشتری برای ساخت نیاز دارند زیرا محبوب ترین فرآیندها شامل لیزر است.

پرینت سه بعدی با HPP و فلزات

از نظر پرینت سه بعدی واقعی، اینجاست که می بینیم که چگونه HPP و فلزات واقعاً با هم تفاوت دارند. زیرا به دلیل ماهیت مواد، فرآیندهای مورد استفاده یکسان نیست. در واقع، بسیاری از فن‌آوری‌های تولید افزودنی که با فلزات سازگار هستند، نسبت به پلیمرهای با کارایی بالا وجود دارد. 

در واقع، فلزات به اشکال مختلف برای استفاده در ساخت مواد افزودنی در دسترس هستند. به عنوان مثال، برای پودرهای فلزی، می‌توانید فرآیندهای همجوشی بستر پودر لیزری مانند DMLS و EBM را که برای قطعاتی که باید قوی، دقیق و قابل بهینه‌سازی برای حداکثر سبک‌وزن باشند، محبوب هستند. به طور مشابه، فرآیندهای رسوب مستقیم انرژی (DED) (شامل WAAM، EBAM و WAM، در میان بسیاری دیگر) از سیم فلزی یا پودر برای ایجاد قطعات فلزی بسیار بزرگ یا تعمیر آنها استفاده می کنند (تنها فرآیند AM که می تواند این کار را انجام دهد). همچنین بایندر جتینگ وجود دارد که از یک چسب برای ایجاد قطعات استفاده می کند.

در واقع، برای فرآیندهایی که شامل لیزر نمی‌شوند، می‌توانیم اکستروژن فلز و جت بایندر را محاسبه کنیم. در بایندر جتینگ، همانطور که در بالا ذکر شد، یک ماده اتصال دهنده به صورت جت زده می شود و به این ترتیب پودر به هم متصل می شود. اگرچه این فناوری به دلیل ماهیت خود نیاز به پس پردازش قابل توجهی مانند پخت پس از چاپ اولیه دارد. سپس اکستروژن وجود دارد که فقط از طریق شرکت های خاصی در دسترس است که در آن فلز همراه با یک ماتریس پلیمری چاپ می شود. با این حال، قبل از استفاده از قطعه، نیاز به جداسازی و تف جوشی نیز دارد. 

در مقابل، اگرچه پلیمرهای استاندارد با طیف وسیعی از فرآیندهای AM سازگار هستند، پلیمرهای با کارایی بالا سازگار نیستند. در واقع، فرآیند اصلی تولید پرینت سه بعدی که برای این مواد استفاده می‌شود، اکستروژن است، هم با رشته‌ها و هم با گلوله‌ها (اگرچه در حال حاضر از رشته‌ها بیشتر استفاده می‌شود). SLS نیز امکان پذیر است، با این حال راه حل های بسیار کمتری در دسترس است (به ویژه دستگاه EOS P810) حتی اگر می تواند مفید باشد زیرا به ساختارهای پشتیبانی نیاز ندارید. 

با این حال، آنچه باید در نظر گرفته شود این است که چاپ پلیمرهای با کارایی بالا آسان نیست. در واقع، حتی اگر اکستروژن فرآیند اصلی باشد، نه هر چاپگر سه بعدی FDM یا FGF این کار را انجام خواهد داد. بلکه باید با پرینترهایی کار کرد که برای کار با ترموپلاستیک های با کارایی بالا طراحی شده اند. این بدان معناست که آنها همیشه دارای یک محفظه بسته هستند که قادر است تا دماهای بالاتری نسبت به مدل های استاندارد بیشتر گرم کند، همچنین یک تخت چاپ گرم و نازل که همچنین قادر است تا دمای بالا برای چاپ با این نوع ترموپلاستیک ها (به دلیل اینکه نقطه ذوب آنها به طور قابل توجهی بالاتر است) گرم می شود.

نه تنها این، بلکه به دلیل ماهیت پلیمرهای نیمه کریستالی مانند PEEK و PEKK، می توانند در زمان ذوب ناپایدار باشند. دشوار کردن چاپ حتی برای کاربران متخصص با ماشین‌های پیشرفته، به خصوص که همه پلیمرهای با کارایی بالا ممکن است در معرض تاب برداشتن باشند. اگرچه گنجاندن الیاف (به عنوان مثال فیبر کربن، همچنین الیاف شیشه یا کولار) برای سفت‌تر کردن مواد و تثبیت مواد در ذوب (به دلیل نقطه ذوب پایین‌تر و کریستالیزاسیون کندتر) می‌تواند به سهولت چاپ کمک کند. هنوز مشکلات در چاپ را می توان شباهت بین فلزات و پلیمرهای با کارایی بالا در نظر گرفت.

هر دو خانواده مواد برای چاپ موفق به مقدار قابل توجهی کار نیاز دارند، یعنی با محفظه های بسته و دماهای بالا. اما حتی این برای فلزات دشوارتر است زیرا ماشین ها باید در یک محفظه بسته بدون اکسیژن قرار گیرند زیرا در طول فرآیند با فلز واکنش نشان می دهد. برای جلوگیری از این امر، محفظه ها باید با گاز نجیب مانند آرگون پر شوند. علاوه بر این، به دلیل استفاده از لیزر و ماهیت فلزات، برخی معتقدند که چاپ پلیمرهای با کارایی بالا کمی آسان‌تر است، زیرا مراحل کمتری در آن وجود دارد. مثال دیگر این است که با همجوشی بستر پودر لیزری، اقدامات ایمنی و تجهیزات ایمنی اضافی مورد نیاز است، از جمله ماسک‌های تنفسی و لباس‌های محافظ برای اطمینان از اینکه پودر به ریه‌ها نمی‌رود یا با پوست تماس پیدا نمی‌کند.

ملاحظات پس از پردازش

با این حال، پس پردازش، حوزه دیگری است که در آن ما مزایایی را که HPP می تواند نسبت به فلزات در فرآیندهای تولید افزودنی داشته باشد، می بینیم. یعنی به این دلیل که تمام فرآیندهای فلزی قبل از اینکه بتوان بخش نهایی را داشت، نیاز به پس پردازش قابل توجه و اجباری دارد. با DED، همیشه مورد نیاز نیست، اما می تواند برای خلاص شدن از تنش در موادی که در طول ذوب ایجاد می شود، مفید باشد. همچنین استفاده از ماشین کاری برای کمک به زبری سطح بالا رایج است.

حذف ساپورت نیز اغلب ضروری است و می تواند پیچیده تر باشد. به عنوان مثال، برای فلزات، آسیاب یا ماشین کاری مورد نیاز است زیرا تکیه گاه ها در یک ماده هستند. با این حال، با وجود HPP که در ابتدا ساپورت ها از یک ماده بودند، به طور فزاینده ای راه حل های پشتیبانی خاصی در بازار ظاهر می شوند که راحت تر حذف می شوند (البته این به یک دستگاه اکسترودر دوگانه نیاز دارد).

به طور کلی، وقتی صحبت از فلز به میان می‌آید، مراحل دیگری بعد از چاپ اولیه وجود دارد، یعنی پخت و سایر فرآیندهای عملیات حرارتی. با توجه به این فرآیندهای مبتنی بر حرارت نیز، قطعات فلزی می توانند مستعد جمع شدن باشند. بنابراین باید در مرحله طراحی در نظر گرفته شود تا از تاب برداشتن جلوگیری شود. 

در واقع، پس از پردازش از پودرزدایی برای فرآیندهای مبتنی بر پودر گرفته تا جداسازی و تف جوشی لازم برای "چگالش" قطعه (مانند جت بایندر) را شامل می شود. سایر مراحل برای بهبود قطعه شامل عملیات حرارتی مانند پرس ایزواستاتیک داغ و بازپخت برای کاهش تنش باقیمانده و بهبود خواص خاص یا پرداخت نهایی قطعه برای حذف زبر است. اگرچه این مراحل آخر می تواند برای پلیمرهای با کارایی بالا نیز استفاده شود، بازپخت به ویژه اغلب با موادی مانند PEKK برای به حداکثر رساندن خواص مقاومت مکانیکی، حرارتی و شیمیایی استفاده می شود.

برنامه های کاربردی

با توجه به خواص برتر آنها، همپوشانی قابل توجهی بین کاربردهای HPP و فلزات وجود دارد. برای مثال، هر دو در صنایعی مانند هوافضا به‌عنوان قطعات مقاوم و با استحکام بالا برای تغییرات شدید دما و همچنین مطابق با مقررات مربوط به قطعات حیاتی ایمنی، حیاتی هستند. اگرچه لازم به ذکر است که در اینجا HPP به لطف نسبت چشمگیر استحکام به وزن و افزایش سبکی در مقایسه با فلزات که در هوانوردی بسیار مهم است، شروع به نشان دادن ارزش خود می کند. 

همین ویژگی‌ها باعث می‌شود که هر دو ماده برای کاربردهای صنعتی مانند مهارهای یاتاقان و اتصالات لوله و به‌ویژه در بخش خودرو و حمل‌ونقل محبوبیت پیدا کنند. اگرچه، به طور سنتی، آلومینیوم برای ساخت قطعات در همه چیز از وسایل نقلیه لوکس گرفته تا اتومبیل های مسابقه ای استفاده می شود، پلیمرهای با کارایی بالا نیز به دلیل افزایش سبکی آنها به طور فزاینده ای مورد استفاده قرار می گیرند. 

کاربردهای پزشکی نیز مهم هستند، اگرچه لازم به ذکر است که برای همه HPP یا فلزات مناسب نیستند. در عوض، برخی از آنها به دلیل زیست سازگاری استفاده می شوند، به این معنی که می توان آنها را با بدن استفاده کرد. این شامل تیتانیوم در میان فلزات و PEEK و PEKK در میان پلیمرها می شود. در اینجا نیز می توانید تفاوت را مشاهده کنید، تیتانیوم به دلیل زیست سازگاری آن به دلیل مقاومت عمومی در برابر خوردگی ناشی از مایعات بدن، ظرفیت ادغام در استخوان ها و محدودیت بالا محبوب است. در همین حال، PEEK از این نظر جالب است و همچنین این واقعیت که دارای خواص بسیار شبیه به استخوان‌های انسان است، که این ماده را برای ایمپلنت‌های چاپ سه بعدی جالب می‌کند.

با این حال، همانطور که می بینید، به دلیل خواص باورنکردنی این خانواده مواد، تفاوت های کمی در کاربردها بین این دو وجود دارد. بلکه به تک تک مواد و مزایای خاصی که به ارمغان می آورند برمی گردد. مانند استفاده از تیتانیوم در کاربردهای پزشکی و آلومینیوم در خودرو. با این حال، چند ویژگی وجود دارد که آنها را متمایز می کند.  

پلیمرها همیشه برای قطعاتی که باید سبک باشند و نسبت به فلزات در محیط‌هایی که خوردگی عاملی است برتری دارند، بهتر خواهند بود. علاوه بر این، آنها عایق های موثر گرما و برق هستند که آنها را برای کاربردهای الکتریکی ایده آل می کند. در حالی که وقتی صحبت از استحکام به میان می آید، جایی که وزن عاملی نیست، بسیاری از فلزات برتر خواهند بود. همچنین، نمی توان انکار کرد که در مورد فلزات دامنه انتخاب مواد بیشتری وجود دارد، به این معنی که انتخاب آنچه که بر اساس خواص یا ویژگی های خاص مورد نیاز است ممکن است آسان تر باشد. علاوه بر این، فلزات رسانا هستند که اگرچه برای کاربردهای مورد نیاز عایق مناسب نیستند، اما برای استفاده در اجزای الکتریکی و سیستم های سیم کشی یک موهبت واقعی هستند. همچنین عاملی در هنگام ایجاد حسگرها یا دستگاه های زیست پزشکی است.

تولید کنندگان و قیمت

باید گفت که برای HPP و فلزات، قیمت به طور قابل توجهی بالاتر از پلیمرهای استاندارد مانند PLA، ABS و PETG است. به عنوان مثال، فلز بر اساس نوع مورد استفاده و همچنین نوع (سیم، پودر، و غیره) متفاوت خواهد بود، اما برای 1 کیلوگرم پودر بین 70 تا 700 دلار متغیر است، به ویژه به میزان تخصصی بودن ماده (کبالت به طور قابل توجهی گرانتر از فولاد خواهد بود). در همین حال، یک رول 1 کیلوگرمی از فیلامنت PEEK بالای 500 دلار خواهد بود که بسته به کیفیت مواد و افزودن فیبر کربن نیز به میزان قابل توجهی بالاتر خواهد رفت. 

هنوز همه پلیمرهای با کارایی بالا قیمت یکسانی ندارند. 1 کیلوگرم فیلامنت PEI از حدود 200 دلار در دسترس خواهد بود که به طور قابل توجهی کمتر از PEEK است و PEKK نیز مشابه است. اما غیرقابل انکار است که اگرچه قیمت‌ها مشابه است، اما بسیاری از فلزات ارزان‌تر از مواد با کارایی بالا هستند، به خصوص به صورت فله. 

در مورد تولید کنندگان چطور؟ برای پلیمرهای با کارایی بالا، اکثر تولیدکنندگان به طور قابل توجهی، شرکت‌های شیمیایی مانند Arkema، Solvay، SABIC، BASF و Evonik یا شرکت‌هایی با چاپگرهای سه بعدی هستند که برای پلیمرهای با دمای بالا و با کارایی بالا مانند INTAMSYS طراحی شده‌اند. اگرچه باید تاکید کرد که بیشتر مواد HPP هنوز از شرکت‌های شیمیایی می‌آیند، از جمله برخی که راه‌حل‌های پرینت سه‌ بعدی را نیز ارائه می‌دهند، به عنوان مثال Lehmann&Voss. در همین حال، مواد پرینت سه بعدی فلزی عمدتاً از ارائه دهندگان راه حل چاپ سه بعدی مانند EOS، 3D Systems، Trumpf، Sciaky، Desktop Metal و HP در دسترس هستند.

به نظر شما تفاوت بین پلیمرهای با کارایی بالا در مقابل فلزات چیست؟ آیا یکی را بر دیگری ترجیح می دهید؟
منبع:3dnatives