دستگاه پرینت سه بعدی پلیمر مذاب/رزین بدون فیلامنت
محور پژوهش
ماشین‌آلات و تجهیزات پیشرفته
پژوهشکده/دانشکده
مهندسی مکانیک
حوزه پژوهش
تجهیزات ساخت و تولید مواد و قطعات فلزی، سرامیکی، پلیمری و كامپوزیتی
عنوان
دستگاه پرینت سه بعدی پلیمر مذاب/رزین بدون فیلامنت هدف از اجرای پژوهش، کاربردها، مزیت‌ها و ضرورت انجام پروژه: هدف این طرح طراحی و ساخت و دستیابی به فناوری پرینت سه بعدی مستقیم پلیمر گرانول/رزین از طریق فرآیند FDM است که در واقع ترکیب فرآیند مذاب اکستروژن و پرینت سه بعدی همزمان بر روی یک سامانه می باشد. در پرینت سه بعدی FDM (نمونه سازی با لایه گذاری ذوبی) علاوه بر محدود بودن جنس و تنوع فیلامنت ها و عدم قابلیت پرینت رزین های ترموستی، بدست آوردن یک پنجره فرآیند موفق یک چالش جدی است. در بسیاری از موارد نیز فقدان خواص فیزیکی/مکانیکی و حرارتی فیلامنت تولیدی استفاده آن را در FDM دچار مشکل می کند چرا که چالش های نظیری تردی فیلامنت و یا محدودیت های نقطه ذوب پلیمرها ساخت خود فیلامنت را نیز دچار مشکل می کند صرف نظر از اینکه اصولاً اینچنین فیلامنتی قابلیت FDM دارد یا خیر. ایده محوری این طرح به حذف نیاز به وجود همزمان دو دستگاه اکسترودر و پرینت سه بعدی پرداخته که در آن بطور مستقیم فرآیند ذوب توسط سر اکسترودر صورت گرفته و نمونه نهایی توسط لایه نشانی سه بعدی مواد اکسترود شده (مذاب و یا رزین) تهیه می شود. با توجه به قابلیت هم افزایی این دو تکنولوژی، پرینت سه بعدی موادی که امکان تولید سیم آن ها میسر نمی باشد صورت گرفته و برخلاف تکنولوژی پرینتر های سه بعدی FDM که ویژه پلیمرهای ترموپلاستیک است، لایه نشانی دیگر انواع پلیمرها نظیر آن در رزین های ترموست، سل ژل و یا دیگر مواد ویسکوز پلیمری توسط این سیستم قابل انجام است. اهداف اصلی طرح دو محور کلیدی دارد: الف) دستیابی به دانش فنی نسل جدید پرینتر های مذاب اکسترودر و ب) توسعه و فرمولاسیون مواد جدید پرینترهای سه بعدی FDM (زیستی، نانوکامپوزیتی و آلیاژی) که توسط پرینترهای رایج میسر نمی باشد. سامانه مورد این طرح روش کم هزینه تری نسبت به FDM بوده (ساخت فیلامنت و پرینت) و بدون حذف قابلیت های مثبت پرینتر های معمولی FDM با حرکت سر اکسترودر، مواد ترکیبی کامپوزیتی و یا پلیمری خالص از طریق کانال های گرم کننده به سمت نازل با قطر متغیر از چند دهم میلیمتر تا چند میلیمتر منتقل می شوند. دستاورد فناورانه در این پروژه حذف نیاز همزمان به دو دستگاه اکسترودر (مورد مصرف و تقاضای چشم گیر در صنعت و تحقیقات امروزی در تهیه پلیمرهای آلیاژی و کامپوزیتی) و دستگاه پرینت سه بعدی بوده که خود یک مزیت مهم برای طرح مورد نظر در این پروژه می باشد. صرف نظر از دقت های ابعادی و قابلیت ساخت قطعات با هندسه پیچیده در این روش، عدم نیاز به مقادیر زیاد مواد پلیمری و تقویت کننده ها، رزین ها و مواد زیستی در این روش یک مزیت غیرقابل رقابت برای این سیستم لایه نشانی مستقیم ذوب پلیمری/رزین است. توسعه پرینتر های سه بعدی در گرو مواد مصرفی آنها خواهد بود که طبیعتاً محدودیت در فرآوری این مواد بطوریکه قابل استفاده در پرینت های سه بعدی باشند استفاده از خود پرینترها را نیز محدود می کند. با توجه به عدم توقف پلیمرها به عنوان یک ماده استراتژیک برای هرکشوری، و از سوی دیگر رشد و توسعه نانوکامپوزیت های پلیمری با گذشت زمان تقاضای رو به رشدی را می توان برای این محصول متصور بود. به ویژه با توجه به توسعه و نیاز به پلیمرهای زیستی و یا پایه زیستی و رزین های ترموست در چشم انداز انقلاب چهارم فناوری در کنار نانوفناوری پیش بینی می گردد بازار محصول در سال های آینده بطور چشمگیری بیشتر نیز گردد. همچنین، یکی از چالش های جدی در نمونه سازی از روش های FDM محدودیت در تنوع فیلامنت های مورد استفاده این نوع پرینترها است. این چالش، نه تنها بازار این نوع پرینترهای را می تواند محدود کند بلکه در بخش تحقیقات نیز بزودی حد اشباع تحقیقات در زمینه پرینتر های سه بعدی FDM و به خصوص از نظر مواد پیشرفته مورد استفاده آن را شاهد خواهیم بود. به عنوان مثال ساخت داربست های استخوانی و یا نمونه هایی که توسط پرینترهای FDM برپایه پلیمرها یا نانوکامپوزیت های مهندسی شده صورت می گیرد شاید تنها محدود به نوع خاصی از فیلامنت PLA و آن هم بصورت خالص است. این موضوع به طور کل وسعت کاربرد پرینترهای سه بعدی بر اساس FDM را محدودتر کرده است چراکه تهیه و یا دسترسی به فیلامنت های FDM آن هم با خواص و مواد هدفمندی شده برای کاربردی خاص آنچنان بسادگی صورت نمی گیرد. شاید تنها چند نوع و جنس از فیلامنت های FDM در کشور شناخته شده اند و یا بطور رایج تر صرف نظر از هزینه های رو به افزایش آنها در دسترس هستند. از دیگر مسائل پیش رو در ساخت نمونه های زیستی یا سازه های پرینت شده نیاز به ایجاد خواص تابعی (FGM1) در نمونه ها است. ساخت فیلامنت توسط اکستروژن و پرینت فیلامنت ساخته شده با خواص تابعی چالش های دیگری را نیز به موارد فوق اضافه می کند. از دیگر مواردی که در تحقیقات پیشین بسیار به چشم می خورد تعارض بین خواص مکانیکی فیلامنت یا نانوکامپوزیت مورد نظر و از سوی دیگر قابلیت پرینت فیلامنت است که خواص مکانیکی بهتر آن معمولا معادل کاهش انعطاف پذیری سیم بوده که همین امر باعث عدم توانایی در انجام پرینت سه بعدی توسط فیلامنت های ترد است. در کنار این دستاوردهای فناورانه، گاهاً تردی قیلامنت های ساخته شده مورد استفاده در پرینت سه بعدی استفاده آنها را اصولاً منتفی کرده و یا عدم یکنواختی قطر فیلامنت در طول مورد استفاده و یا مسائلی همچون نقطه ذوب فیلامنت و خواص مکانیکی و گرمایی آنها، استفاده فیلامنت های ساخته شده را در یک FDM منتفی می نماید. این موارد یعنی محدود کردن کاربردهای پرینترهای FDM علیرغم قابلیت های قابل قبول آنها در توسعه مواد پیشرفته امروز. همچنین، بیشتر مواقع ترموست ها دارای خواص مکانیکی بهتری نسبت به پلیمرهای ترموپلاستیک هستند اما این رزین ها (رزین و هاردنر) قابلیت پرینت سه بعدی با سیستم های FDM رایج را ندارند. این موارد باز هم محدودیت در مواد انتخابی پرینتر های سه بعدی FDM را نشان می دهد. همه این مارد اگرچه از جمله مزیت ها و یا منافع استفاده از یک سیستم همزمان اکستروژن و پرینت سه بعدی FDM است، اما در عین حال چشم انداز تجاری و اهمیت آن را در حوزه های صنعتی و دانشگاهی نشان می دهد. کاربردها: - امکان ساخت سریع تر و امکان پذیر نمونه های ساخته شده توسط پرینترهای سه بعدی FDM در خصوص پلیمرهای جدید و نانوکامپوزیتی و رزین های ترموست و یا زیستی که تهیه فیلامنت آنها اصولاً مقدور نیست. - حذف نیاز به استفاده از مواد گرانقیمت زیستی و یا نانویی و یا پلیمرهای گران قیمت در صورت استفاده مستقیم از پرینت مایع مذاب پلیمری و رزین با روش پرینت سه بعدی - توسعه تحقیقات پرینت سه بعدی FDM در خصوص پلیمرهای رایج مورد استفاده در این تکنولوژی در حالیکه بسیاری از تحقیقات FDM در پرینت سه بعدی پلیمرهای خالص به اشباع رسیده است. - عدم وابستگی علمی در خصوص دانش فنی و فرمولاسیون مواد پرینت سه بعدی FDM - توانایی در ساخت نمونه های صنعتی با خواص مکانیکی مهندسی شده برای کاربردهای هدفمند - عدم محدودیت در زمینه های تحقیقی پرینت سه بعدی مواد زیست سازگار و زیست تخریب پذیر - قابلیت پرینت مستقیم پلیمر مذاب و یا رزین های ترموست در فناوری پوشش دهی بر روی دیگر پلیمرها و یا ایمپلنت های پزشکی با کانتور و یا رویه های پیچیده در حالیکه نیاز به مصرف آنچنانی همین مواد در مقایسه با روش ساخت فیلامنت FDM معمولی نمی باشد. با توجه به روند رو به رشد مبحث پلیمرها و پیشرفت گام به گام فرآیندهای پرینت سه بعدی در کنار حوزه پلیمر به دلیل وابستگی توسعه این فرآوری ها به مواد مصرفی و جنس فیلامنت ها، این دستگاه دارای بازار بالفعل و باالقوه قابل توجهی در حوزه فرآیندهای ساخت افزودنی و پرینت سه بعدی خواهد داشت چرا که همانطور که در بخش ضرورت ها و تحقیقات پیشین ذکر شد، این روش بسیاری از مشکلات توامان اکسترودرهای مذاب پلیمری و پرینت سه بعدی FDM را به خصوص از نقطه نظر حدف نیاز به ساخت فیلامنت که یکی از مهمترین و چالشی ترین مباحث تبدیل گرانول یا مستربچ پلیمری و یا نانوکامپوزیتی به نمونه پرینت سه بعدی است را حل کرده و به دلیل ارائه دامنه وسیع تر انتخاب مواد پلیمری ترموپلاستیک و یا حتی رزین ها و ژل های پلیمری به عنوان یک روش فرآوری نوآورانه انتظار می رود مخاطبان زیادی را در بخش صنعت و دانشگاه به خود جذب کند. گزارش و شرح زیرساخت‌ها، فعالیت‌ها، و دستاوردها طراحی و ساخت پرینتر سه بعدی پلیمر مذاب/رزین- پروژه کارشناسی ارشد 1399 در حال ثبت اختراع تصاویر و محتوای گرافیکی مرتبط: دستگاه پرینت سه بعدی پلیمر مذاب/رزین بدون فیلامنت