چگونه قطعات را برای پرینت سه بعدی رزینی SLA طراحی کنیم

استرولیتوگرافی(SLA) یک فرایند پرینت سه بعدی رزینی است که از لیزر برای پخت لایه ای رزین فتوپلیمر استفاده می کند. SLA برای پرینت قطعات کوچک و پرجزئیات که به دقت بالایی لازم دارند مناسب است.

اینجا ما به طور خلاصه به پرینت سه بعدی SLA می پردازیم و درمورد محدودیت ها و مزایای پرینت با SLA بحث کرده و همچنین به رایج ترین مواد مورد استفاده در SLA اشاره می کنیم.


پرینت با SLA

1- فرایند پرینت

چگونه قطعات را برای پرینت سه بعدی رزینی SLA طراحی کنیم

یک پرینتر رومیزی SLA معمولی یک لیزر UV دارد که با تانک پر از رزین حساس به نور، مدل مورد نظرتان را به صورت لایه به لایه پرینت می کند. کف تانک شفاف است و لیزر UV دقیقا کنترل می شود تا حاشیه ی دو بعدی شی ای که می خواهید پرینت کنید را دنبال کند. لیزر با پخت رزین و جامد کردن آن لایه ها را تشکیل می دهد.

با هربار رد شدن لیزر، لایه‌ی بسیار نازکی از مدل، پرینت می شود. این لایه‌ی نازک به لایه های قبلی (یا صفحه‌ی ساخت) و کف تانک می چسبد. لایه ی تازه پرینت شده سپس از کف تانک جدا می شود (بسته به نوع پرینتر شاید این فرایند شامل کندن، لغریدن یا تکان دادن تانک شود)، سپس صفحه‌ی ساخت به اندازه‌ی یک لایه کنار می رود و این فرایند دوباره تکرار می شود تا نهایتا مدل شما به صورت کامل پرینت‌ شود.

برای موفق بودن پرینت SLA کاهش دادن نیروی وارده به لایه های تازه پرینت شده در مرحله‌ی جدا شدن از کف تانک، ضروری است. مرحله‌ی جدا شدن لایه باعث ایجاد محدوده‌ی فشار در کنار لبه های مدل که ضخامتشان بسیار کم است می شود که نتیجتا مدلتان می تواند تاب برداشته و پرینتتان ناموفق باشد (قطعه می تواند به جای چسبیدن به صفحه‌ی ساخت به کف تانک چسبیده باشد).

 

.

2- موقعیت قرارگیری مدل

هنگام تعیین موقعیت قرارگیری قطعه در SLA بزرگترین نگرانی مساحت مقطع عرضی محور Z است. فشار موجود در پرینت مدل که به کف تانک می چسبد مستقیما در ارتباط با مساحت مقطع عرضی دو بعدی مدلتان است. به همین دلیل قطعه با یک زاویه ای نسبت به صفحه‌ی ساخت پرینت می شود و کاهش ساپورت نگرانی اصلی نمی باشد(همانطور که در عکس پایین می توان مشاهده کرد). کاهش مساحت مقطع عرضی در امتداد محور Z بهترین راه برای تعیین موقعیت قطعات برای پرینت SLA است.

چگونه قطعات را برای پرینت سه بعدی رزینی SLA طراحی کنیم
مدل در عکس بالا به صورت افقی قرار داده شده است و مساحت زیادی از مقطع عرضی محور Z را اشغال کرده است. در مدل بالا مقدار استفاده از ساپورت به حداقل رسانده شده است اما احتمال ناموفق بودن پرینت به همین دلیل افزایش یافته است. حجم پرینت 33.39mL و زمان پرینت 2 ساعت و 27 دقیقه است.
چگونه قطعات را برای پرینت سه بعدی رزینی SLA طراحی کنیم
برخلاف مدل قبلی قرارگیری مدل بالا به نحوی است که مساحت مقطع عرضی اشغال شده کمتر باشد. افزایش ساپورت استفاده شده باعث افزایش احتمال موفق بودن پرینت می شود. حجم پرینت 36.95mL و زمان پرینت 4 ساعت و 7 دقیقه است.

به عنوان یک طراح دانستن این نکته که چرا موقعیت قرارگیری مدل در پرینت SLA کیفیت پرینت را تحت تاثیر قرار می دهد مهم است. ضرورت قراردادن مدل به نحوی که مساحت مقطع عرضی محور Z را کاهش دهد اغلب باعث افزایش نیاز برای استفاده از ساپورت برای مدل در فرایند پرینت می شود. در بعضی مواقع شاید طراحی شما در حدی به ساپورت نیاز داشته باشد که دیگر پرینت SLA مقرون به صرفه نباشد یا برای ظاهر قطعه‌ی در حال پرینت چنان مخرب باشد که نتیجه‌ی نهایی رضایت بخش نباشد. کاهش تعداد لایه های افقی، توخالی کردن قطعات و کاهش مساحت مقطع عرضی همه مواردی هستند که یک طراح با رعایتشان می تواند پرینت SLA را بهره وری کند و در نهایت پرینت موفق تری ارائه دهد.

3- ایزوتروپی

پرینت های SLA ایزوتروپیک هستند چرا که لایه ها بطور شیمیایی‌ در پرینت به هم چسبیده می شوند که نتیجتا باعث همانند شدن ویژگی های فیزیکی در محورهای X و Y و Z می شود. مدل نسبت به صفحه‌ی ساخت چه افقی پرینت شود و چه عمودی، تاثیر خاصی بر ویژگی های مواد مدل پرینت شده نخواهد داشت.

طراحی برای پرینت SLA

1- خصوصیات پرینت

سطح جزئیاتی که یک پرینتر SLA می تواند پرینت کند وابسته به اندازه‌ی نور لیزر و ویژگی های رزین استفاده شده می باشد. در پایین به دستورالعمل های کلی پرینت SLA اشاره می کنیم:

چگونه قطعات را برای پرینت سه بعدی رزینی SLA طراحی کنیم

دیواره های ساپورت شده: همانطور که در عکس بالا می بینید دیواره هایی که به سازه های دیگری از هر دو طرف وصل هستند دیواره های ساپورت شده نامیده می شوند که این باعث می شود احتمال خم شدن دیواره کاهش یابد و دیواره تاب برندارد. این دیواره باید با ضخامت حداقل 0.4 میلی متر پرینت شود.

چگونه قطعات را برای پرینت سه بعدی رزینی SLA طراحی کنیم

دیواره های ساپورت نشده: دیواره هایی که به کمتر از دو سازه دیگر در پرینت چسبیده باشند که این باعث تاب برداشتن دیواره ها و یا جدا شدنشان از مدل می شود. این دیواره ها باید حتما دارای ضخامت حداقل 0.6 میلی متر باشند و باید پایه هایی که آن دیواره ها را به مدل وصل می کنند گرد شده(Fillet) پرینت شوند تا فشار وارده در محل اتصال کاهش یابد.

چگونه قطعات را برای پرینت سه بعدی رزینی SLA طراحی کنیم

اورهنگ ها: مسئله ی اورهنگ ها در پرینت SLA مشکل بزرگی محسوب نمی شود‌ مگر اینکه از ساپورت های داخلی و خارجی کافی در طول فرایند استفاده نکنید. پرینت بدون ساپورت اغلب باعث تاب برداشتن مدل در حال پرینت می شود ولی اگر پرینت بدون ساپورت ضروری باشد هر اورهنگ بدون ساپورت باید حتما با طول کمتر از 1 میلی متر و حداقل فاصله‌ی 19 اینچ از سطح ساخته شوند.

چگونه قطعات را برای پرینت سه بعدی رزینی SLA طراحی کنیم

جزئیات برجسته روی مدل(ازجمله متن برجسته): هر نوع برامدگی روی سطح یک جسم را برجستگی می گویند. در پرینت سه بعدی SLA ارتفاع این برجستگی ها از سطح باید حتما حداقل 0.1 میلی متر باشد تا مطمئن شوید بعد پرینت برجستگی ها قابل مشاهده خواهند بود.

چگونه قطعات را برای پرینت سه بعدی رزینی SLA طراحی کنیم

جزئیات کنده کاری شده روی مدل(از جمله متن کنده کاری): همانطور که در عکس مشاهده می کنید کنده کاری برعکس برجستگی هست که در آن جزئیات به صورت فرورفتگی در سطح مدل پرینت می شوند. این جزئیات به دلیل بیش از حد ریز بودن احتمال دارد با مدل قاطی شده و آنطور که می خواهید پرینت نشوند. بنابرین این کنده کاری باید حداقل 0.4 میلی متر عریض و حداقل 0.4 میلی متر فرورفتگی در سطح داشته باشند.

چگونه قطعات را برای پرینت سه بعدی رزینی SLA طراحی کنیم

پل های افقی: روی مدل بین دو نقطه می توان به راحتی پل پرینت کرد ولی طراحان باید در نظر داشته باشند که هرچقدر پل عریض تر باشد باید طول پل پرینت شده کوتاه تر باشد. پل های عریض سطح تماس بزرگتری در محور Z دارند که این احتمال خراب شدن پرینت در زمان کندن را زیادتر می کند.

چگونه قطعات را برای پرینت سه بعدی رزینی SLA طراحی کنیم

سوراخ: سوراخ هایی با قطر کمتر از 0.5 میلی متر در محورهای X و Y و Z ممکن است در زمان پرینت بسته شوند و سوراخ شما پرینت نشود.

چگونه قطعات را برای پرینت سه بعدی رزینی SLA طراحی کنیم

اتصالات:
0.5 میلی متر فضای خالی بین قطعات محرک
0.2 میلی متر فضای خالی برای اتصال
0.1 میلی متر فضای خالی یا قطعات را کاملا چفت خواهد کرد و اگر نه باید به صورتی دستی این کار را کنید

2- رزولوشن

SLA می تواند رزولوشن بیشتری از FMD داشته باشد چرا که برای جامد کرد مواد از لیزر استفاده می کند. رزولوشن پرینت SLA در جهت XY(یا رزولوشن افقی) وابسته به اندازه‌ی نور لیزر است و اندازه‌ی آن می تواند بین 30 تا 140 میکرون متغیر باشد. ولی این ویژگی قابل تغییر و تنظیم نیست. سایز جزئیاتی که می خواهید پرینت کنید نمی تواند کوچک تر از اندازه‌ی نور لیزر باشد چرا که در این صورت جزئیات مورد نظرتان پرینت نخواهد شد.

رزولوشن جهت Z یا همان رزولوشن عمودی از 25 تا 200 میکرون متغیر است. انتخاب رزولوشن عمودی یک حالت مبادله ای میان سرعت و کیفیت را بوجود می آورد. در پرینت قطعه ای که چند خمیدگی یا جزئیات ریز دارد پرینت در 25 میکرون با پرینت در 100 میکرون فرق خاصی از لحاظ ظاهری نخواهد داشت. در مقایسه با پرینتر SLA پرینتر رومیزی FDM معمولا لایه های محور Z را در بین 100 تا 300 میکرون پرینت خواهد کرد.

3- توخالی کردن قطعات و پدیده Cupping

پرینترهای SLA مدل های متراکم و محکمی پرینت می کنند اما اگر قطعه ای که پرینت می کنید قطعه‌ی کارکردی نیست می توانید با توخالی کردن آن قطعه نه تنها در مصرف مواد بلکه در زمان پرینت هم صرفه جویی کنید. پیشنهاد می شود دیواره های قطعاتی که توخالی پرینت می کنید را با ضخامت حداقل 2 میلی متر پرینت کنید تا ریسک خراب شدن پرینت را کاهش دهید. (این مورد در پرینترهای DLP صادق نیست چرا که پر و خالی بودن قطعه اهمیتی در زمان پرینت ندارد و کل لایه یکجا خشک میشود).

در قطعاتی که تو خالی اند سوراخی طراحی کنید تا در پایان پرینت اگر درون آن قطعات رزین پخت نشده باقی مانده باشد از آن سوراخ بیرون بریزد و درون آن نماند. این رزین پخت نشده داخل قطعه‌ی توخالی عدم توازن فشار را در درون قطعه بوجود می آورد و چیزی را بوجود می آورد که به آن Cupping می گویند. Cupping پدیده ای است که در پروسه پرینت سه بعدی SLA هنگامی رخ می دهد که یک برش توخالی از قطعه مقداری رزین را به خود جذب می کند. این پدیده مکیدن می تواند باعث ترک برداشتن دیواره های نازک شود. نقص های کوچک (سوراخ ها/شکاف ها) در سراسر قطعه وجود دارند و اگر رفع نشوند باعث خرابی کامل مدل می شوند. قطر این سوراخ ها در قطعات تو خالی باید حداقل 3.5 میلی متر باشد و باید هر بخش توخالی حداقل یک سوراخ وجود داشته باشد.

مواد SLA

در جدول زیر به چند رزین رایج SLA اشاره می کنیم:

نوع رزینشرحکاربرد
رزین استانداردرایج در پرینت معمولی و مناسب برای Surface Finish پرجزئیات با رزولوشن کمتر از 25 میکرون. این رزین ها ویژگی های مادی خاصی ندارند و معمولا شکننده تر از مواد استاندارد FDM هستند.ایده آل برای مدل های
غیرکارکردی
و نمونه های اولیه
رزین مهندسیتولید کنندگان رزین SLA با شبیه سازی پلاستیک های مهندسی اخیرا وارد بخش مهندسی شده اند و رزین های ABS و پلی پروپیلن مانند، انعطلاف پذیر و مقاوم در برابر حرارت بالا ارائه می کنند. این رزین ها بدون آسیب زدن به کیفیت پرینت ویژگی های مهندسی برتری ارائه می دهند ولی خب هزینه‌ی بالایی دارند.کاربرد در موارد سخت،
انعطاف پذیر و حرارت بالا
رزین
دندانپزشکی
برای ارتودنسی معمولی، از رزین های چندکاره استفاده می شود. ارائه‌ی رزین های کلاس 1 و 2 سازگار با بافت های زنده در طول سال گذشته همچنین استفاده از SLA برای ساخت لوازم راهنمای جراحی را ممکن کرده است.کاربرد در دندانپزشکی
رزین
ریخته گری
این رزین ها در دمای پایین به راحتی ذوب شده و هیچ دود یا کربنی از خود به جا نمیگذارد. رزین ریخته گری بسیار دقیق بوده و ابزارهایی به کوچکی 0.2 میلیمتر رو کار میتواند ایجاد کند.جواهرات، مدل هایی با
جزئیات ریز
چگونه قطعات را برای پرینت سه بعدی رزینی SLA طراحی کنیم

پسا پردازش

انواع مختلفی از پرداخت سطح را می توانید در پرینت SLA به دست آورید. پرداخت سطح دلخواه همچنین وابسته به هزینه و کاربرد است.

محدودیت ها

1- حجم مدل پرینت

به استثنای پرینترهای تجاری، معمولا فضای داخلی پرینترهای SLA در مقایسه با پرینترهای FDM خیلی کوچکترند. فضای داخلی پرینتر Formlabs Form 2 (یک پرینتر رومیزی SLA رایج)، 145mm×145mm×175mm است در حالی که +Ultimaker 2 (یک پرینتر رومیزی FDM رایج) فضای داخلی 223mm×223mm×205mm را داراست. اگر مدلی که می خواهید در پرینتر SLA پرینت کنید از فضای داخلی پرینتر بزرگتر است، می توانید آن مدل را به صورت قطعه های کوچک پرینت کنید و سپس قطعات مدل را به هم وصل کنید. بهترین روش برای وصل کردن قطعاتی که جداگانه پرینت شده اند اپوکسی 5-30 دقیقه‌ای است.

2- هزینه در برابر FDM

هزینه‌ی رزین SLA در مقایسه با فیلامنت استفاده شده در پرینت FDM بالاتر است. به همین خاطر پرینت های SLA اغلب گران ترند اما توانایی پرینت جزئیات ریز به این معنا است که SLA گزینه‌ی رقیب خیلی از پرینترهای سه بعدی صنعتی است.

3- ویژگی های مواد

قطعات SLA عموما برای تولید قطعات کارکردی که قرار است در آنها محموله گذاشته شود مناسب نیستند. قطعات پرینت شده با رزین SLA معمولا شکننده هستند و برخلاف مواد پرینت سه بعدی دیگر، در طول زمان با دوام نیستند. بیشتر قطعات پرینت شده توسط SLA نیاز دارند بعد از پرینت در محفظه ی UV پخت شوند. پس پخت این امکان را به قطعات می دهد که به نهایت استحکام ممکن برسند و دوام بیشتری داشته باشند.

قوانین مبتنی بر تجربه

  • پرینت SLA برای پرینت قطعات کوچکی که نیازمند سطح صاف و سطح بالایی از دقت اند، ایده آل هستند.
  • برای پرینت دقیق قطعات SLA استفاده از ساپورت بسیار مهم و ضروری است. اگر می خواهید روی سطح مدلتان بعد پرینت خط و خش نیفتد سعی کنید سطح مدلتان به ساپورت ها نچسبد در غیر این صورت حذف ساپورت از مدل بعد از پرینت باعث خط افتادن روی سطح آن می شود.
  • معمولا قطعات SLA ویژگی های مکانیکی ضعیفی دارند و برای نمونه های اولیه غیر عملیاتی(یعنی قطعاتی که غیر کارکردی اند) و مدل های بصری مناسبند.
مشخصه مشخصات طراحی
دیواره های ساپورت شده با ضخامت حداقل 0.4 میلی متر
دیواره های ساپورت نشده با ضخامت حداقل 0.6 میلی متر
اورهنگ ها با طول کمتر از 1.0 میلی متر و حداقل 19 درجه زاویه نسبت به صفحه چاپ
جزئیات برجسته روی مدل با ارتفاع حداقل 0.1 میلی متر
جزئیات کنده کاری شده روی مدل با عرض حداقل 0.4 میلی متر و حداقل 0.4
میلی متر فرورفتگی
تولرانس اتصالات 0.2 میلیمتر برای مونتاژ، 0.1 فیت (با فشار باید وارد شود) از هر طرف، مثلا در دایره از شعاع نه قطر
سوراخ با حداقل قطر 0.5 میلی متر

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.