اختصاصی بسپار/ چاپ سه بعدی برای ساخت قطعات پلاستیکی: سریع‌تر و دقیق‌تر
بسپار/ایران پلیمر چاپ سه بعدی الکتروفوتوگرافی از TH Köln و mz Toner Technologies پتانسیلی برای کاربرد در هوافضا و الکترونیک دارد.
تا چند سال پیش، چاپ سه بعدی هنوز یک محصول خاص بود. اما اکنون حجم بازار برای سال 2024 معادل 27.52 میلیارد دلار برآورد شده است و پیش بینی می‌شود با نرخ رشد سالانه 23.6 درصد تا سال 2032 رشد کند. با این حال، محدودیت هایی از نظر سرعت تولید یا دقت چاپ با وجود رشد سریع این بازار وجود دارد. فرایند چاپ سه بعدی الکتروفتوگرافی در TH Köln می‌تواند بر این محدودیت ها غلبه کند.
پروفسور دکتر Danka Katrakova-Krüger در مصاحبه با مجله‌ی K مزایای این فرایند و اینکه کدام صنایع می‌توانند از آن بهره مند شوند را توضیح می‌دهد.
ایده‌ی این پروژه‌ی پژوهشی به عنوان فرایند چاپ نوآورانه چگونه شکل گرفت و مهمترین اهداف پروژه چه بود؟
Danka Katrakova-Krüger: شریک شرکت ما mz Toner قبلاً تجربه چاپ “تخت” در زمینه دکور سرامیک را داشته است. با این حال، برای به دست آوردن اشیاء سه بعدی با این روش، یک مرحله اضافی لازم است که در آن لایه‌های چاپ شده قبلی (چندین لایه) روی هم چیده شده و به هم متصل می‌شوند. تونرهای ساخته شده از مواد بسپاری مناسب برای این منظور باید ساخته می‌شدند. این فرایند پتانسیل زیادی برای کاربرد دارد، به عنوان مثال برای ساخت قطعات یدکی در فضا که گرانش وجود ندارد است، زیرا از پودر نمی توان استفاده کرد.
آیا می‌توانید فرایند چاپ مورد استفاده در روش خود را با جزئیات بیشتری توضیح دهید؟
Katrakova-Krüger: فرایند جدید چاپ سه بعدی الکتروفتوگرافی به شرح زیر عمل می‌کند: اول، یک تصویر بار الکتریکی به طور انتخابی بر روی یک درام عکس شارژ شده و به روشی مشابه چاپ لیزری، تولید می‌شود. مخلوط تونر در نقاط تصویر شارژ جمع می‌شود و لایه ای از تصویر را ایجاد می‌کند. سپس ذرات بسپاری این لایه از درام عکس به بستر انتقال (transfer medium) منتقل شده و از قبل ثابت می‌شوند. در یک ماشین جداگانه، لایه‌های مجزای بستر انتقال روی هم قرار می‌گیرند و ثابت می‌شوند تا شکل سه‌بعدی تمام‌شده ایجاد شود.
در توسعه این فرایند چاپ سه بعدی جدید باید بر چالش های خاصی غلبه کرد؟
Katrakova-Krüger: اساسا سه مانع وجود داشت که باید برطرف می‌شد: تونر، بستر انتقال و دستگاه مهر زنی (stamping machine). در مراحل توسعه، تمرکز ویژه بر روی تونرها، که مخلوط پیچیده ای از مواد برای چاپ هستند وجود دارد. در کار ما بسپار، مواد حامل و بسیاری از افزودنی های دیگر در مقدار و ریخت شناسی (morphology) مناسب تهیه شدند. تنظیم شارژ تریبوالکتریک نیز کار سختی است. چالش بعدی یافتن یک بستر مناسب برای انتقال بود. از یک طرف، این امر باید چسبندگی خوب لایه های چاپ شده را تضمین کند. در طول مهر زنی جنبه های مختلفی وجود داشت، به ویژه دقت موقعیت، توزیع فشار و دما در فضای نصب. سپس فرایند بهینه برای بسپارهای مختلف باید تعیین می‌شد.
اجزای چاپ شده چه خواص و ویژگی های مکانیکی دارند و چگونه با اجزای سایر فرایندهای تولید مانند فرایند لایه ذوب شده (fused layer process) یا قالب گیری تزریقی مقایسه می‌شوند؟
Katrakova-Krüger: یک دمبل ساخته شده با چاپ الکتروفوتوگرافی از جنس ABS دارای استحکام کششی حدود 1900 مگاپاسکال، مدول کشسانی حدود 40 مگاپاسکال و کشامد در نقطه‌ی شکست کمی بیش از 2 درصد است. این یعنی استحکام کششی ما 25 درصد بیشتر از FDM (1627 مگاپاسکال) و 20 درصد کمتر از قالب گیری تزریقی (2300 مگاپاسکال) است. مدول کشسانی نمونه‌ی ما 43 درصد بیشتر از FDM (22 مگاپاسکال) و تنها 12 درصد کمتر از قالب گیری تزریقی (44 مگاپاسکال) برای همان ماده است. کشامد در نقطه‌ی شکست مشابه FDM در حدود 3٪ است، اما به طور قابل توجهی کمتر از مقادیر به دست آمده در قالب گیری تزریقی (12٪) است. با این حال، ما به طور مداوم در حال کار بر روی بهبود بیشتر خواص مکانیکی هستیم.
این فرایند، به عنوان مثال برای کاربردهای صنعتی، در مقایسه با سایر فرایندهای چاپ سه بعدی چه مزایایی دارد؟
Katrakova-Krüger: به لطف سرعت بالای چاپ الکتروفتوگرافی و فرایند دو مرحله ای، می‌توان به نرخ تولید بالایی دست یافت. استفاده از ذرات کوچک بسپاری وضوح چاپ بالایی را امکان پذیر می‌کند. همچنین امکان فراورش مواد مختلف در یک جزء و تولید همزمان چندین قطعه وجود دارد. از آنجایی که این فرایند به گرانش وابسته نیست، کاربرد در فضا نیز ممکن است.
ظرفیت فعلی نمونه اولیه چاپ سه بعدی توسعه‌یافته چقدر است و چه عواملی بر تعداد قطعات قابل تولید تاثیر می‌گذارند؟
Katrakova-Krüger: حداکثر نرخ ساخت بستگی به اندازه چاپگر دو بعدی و تعداد ماشین های مهر زنی دارد. در حالت دو بعدی، سرعت چاپ تا 5 متر مربع در دقیقه در حال حاضر امکان پذیر است. امکان چاپ چندین لایه از یک جزء یا چاپ اجزای مختلف به طور همزمان وجود دارد. حداکثر 8 ماده مختلف تونر در هر لایه را می‌توان به طور همزمان چاپ کرد. سرعت کلی تولید افزایش می‌یابد و واحدهای بیشتری به صورت موازی کار می‌کنند. در اصل، این فرایند از نظر کمیت قادر به رقابت با قالب گیری تزریقی است.
این فناوری چه نقشی می‌تواند در آینده ایفا کند و به ویژه کدام صنایع می‌توانند از آن بهره مند شوند؟
Katrakova-Krüger: چاپ سه بعدی الکتروفوتوگرافی یک رقیب جدی برای قالب گیری تزریقی است. برخلاف قالب‌گیری تزریقی کلاسیک، این فرایند نیازی به ابزارهای گران‌قیمت ندارد. بنابراین، اجزای مختلف را می‌توان با یک دستگاه تنظیم بدون هیچ ابزار دیگری تولید کرد. این امر منجر به صرفه جویی در هزینه های ذخیره سازی، ساخت و ابزارآلات دیگر می‌شود و امکان خودکار شدن کامل فرایند را مطابق با Industry 4.0 فراهم می‌کند. ضمنا، این فرایند در حال حاضر به سایر مواد نیز در حال گسترش است، به این معنی که چاپ سه بعدی الکتروفتوگرافی نیز باید در دراز مدت برای مواد فلزی و سرامیکی در دسترس باشد. بسیاری از زمینه‌های کاربردی قابل تصور است: در هوافضا، در الکترونیک، برای سلول‌های خورشیدی، باتری‌ها و چرا که نه برای کالاهای مصرفی مانند لوازم الکتریکی خانگی – هیچ محدودیتی برای ترکیب مواد و رنگ وجود نخواهد داشت.
