چاپ سه بعدی ساختارهای نساجی به روش مدل‌سازی لایه‌ی ذوبی توسط پلیمرهای مختلف

چاپ سه بعدی ساختارهای نساجی به روش مدل‌سازی لایه‌ی ذوبی توسط پلیمرهای مختلف

حمیده نجارزاده

کارشناسی ارشد مهندسی شیمی نساجی و علوم الیاف، دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب

 

چکیده

چاپ سه بعدی، یکی از انواع روش‌های تولید افزایشی (مانند تولید با لایه‌نشانی متوالی) برای فرآیندهای پیش‌ تولیدی و تولیدی محسوب می‌شود. در این روش، پس از تهیه‌ی مدلی سه بعدی توسط برنامه‌ی CAD، از مدل قابل چاپ، برای تهیه‌ی طرحی لایه لایه استفاده می‌شود تا بعد از آن فرآیند چاپ صورت پذیرد. با اینکه روش چاپ سه بعدی اغلب نسبت به روش‌های سنتی مانند قالب‌گیری تزریقی گران‌تر است، اما با استفاده از این روش، می‌توان به میزان قابل توجهی تعداد دفعات تولید قطعات کوچک در تعداد کم را افزایش داد. علاوه بر این، روش چاپ سه بعدی از قابلیت بیش‌تری برای تولید قطعاتی که امکان تولید آن‌ها توسط روش‌های رایج وجود ندارد، برخوردار است. در روش مدل‌سازی لایه‌ی ذوبی، از یک رشته‌ی مذاب استفاده می‌شود که از طریق یک نازل حرارت داده شده و پس از ذوب کردن ماده ، به بیرون هدایت می‌کند. در چاپ سه بعدی، بسته به نوع ماده‌ی مصرفی، امکان ایجاد مشکلات متفاوتی در فرآیند تولید است که قطعه‌ی تولید شده می‌تواند از خصوصیات مکانیکی متفاوتی برخوردار گردد. از این رو،  در این مقاله برخی از مواد استاندارد و همچنین مواد جدید و تاثیر آن‌ها بر قطعات تولید شده توضیح داده می‌شود.

مقدمه

در سیستم‌های ساخت سریع، نمونه‌های اولیه معمولاً از مواد جامد استفاده می‌شود. به عنوان مثال، می‌توان به تشکیل لایه‌‌های برش خورده‌ به صورت متوالی توسط لیزر و اتصال این لایه‌ها به یکدیگر، چاپ سه بعدی مشابه روش جوهرافشان با مواد ترموپلاستیک (گرمانرم)، پخت انتخابی لیزری (SLS) توسط پودر و یا مدل‌سازی لایه‌ی ذوبی (FDM) که برای نخستین بار توسط Stratasys بنا نهاده شده است، اشاره نمود. فرآیند مدل‌سازی لایه‌ی ذوبی، به عنوان ایده‌ای نو در حوزه چاپ سه بعدی، حتی می‌تواند در بسیاری از چاپ‌گرهای سه‌بعدی ارزان‌ قیمت، برای استفاده‌ی شخصی و یا کاربرد در شرکت‌های کوچک، استفاده گردد.

در فرآیند آماده‌سازی برای چاپ سه‌بعدی، ابتدا مدلی هندسی توسط نرم‌افزار CAD تهیه شده و با فرمت STL (زبان موزاییک‌بندی سطح)، OBJ (نرم‌افزار Wavefront) و یا بسته به برنامه‌ی CAD و چاپ‌گر با سایر فرمت‌های مبادله‌ای، از آن خروجی گرفته می‌شود. سپس فایل خروجی به چند قطعه تقسیم می‌شود (به چند لایه تقسیم می‌شود). به هنگام ساخت قطعه باید دقت شود که مدل سه بعدی، آب‌بندی شده باشد (حفره‌ای نداشته باشد)، چند شاخه باشد (لبه‌ها نباید بین بیش‌تر از دو رویه مشترک باشند) و نقاط نرمال سطوح به سمت بیرون باشد و  این خطاها را می‌توان توسط نرم‌افزار netfabb اصلاح کرد.

بسته به این که از چه روشی برای چاپ استفاده می‌شود (مانند SLS یا FDM)، باید ملزومات دیگری را نیز تامین کرد. در مدل‌های FDM، باید موقعیت مدل در چاپ‌گر (بزرگ‌ترین و لزوماً دقیق‌ترین صفحه در زیر قرار بگیرد)، مشکل رویه‌هایی که به شدت کج هستند (با زاویه‌ی بیش از ۴۵ درجه) و به سطوح اتکا نیاز دارند و یا نقاط پُر درون یک شیء بسته، باید مد نظر قرار بگیرند. در مقابل، در روش چاپ SLS مدل‌هایی با حجم بزرگ، باید حفره‌هایی به نام منافذ تخلیه داشته باشند تا بتوان، پودر پلی‌آمید را پس از انجام چاپ از طریق آن‌ها خارج کرد. علاوه بر این، فضاهای بین قطعات متحرک نیز باید به اندازه‌ی کافی بزرگ باشند تا پودر بتواند به هنگام درآوردن طرح از چاپ‌گر سه‌بعدی، خارج شود. در هر دو روش باید به اندازه ضخامت دیواره‌‌ی قطعه دقت کافی کرد؛ چرا که، مدل ساخته شده پس از چاپ، باید پرداخت شود.

تجربیات

در حالی‌که، چاپ‌گرهای سه‌بعدی پیش از این در زمینه‌های مختلفی توسط شرکت‌ها و افراد مختلف مورد استفاده قرار گرفته ‌شده‌اند، اما توجه کمی به چاپ الگوهای نساجی معطوف شده است. چاپ سه بعدی، پیش از این در زمینه‌ی منسوجات فنی و برای تولید کالاهایی مانند سیستم‌های گرم‌کننده‌ی منعطف یا فناوری‌های پوشیدنی مورد استفاده قرار گرفته شده است. همچنین، اقلامی مانند لباس شنا، لباس‌های یک‌سره و کامل و یا کفش‌ها  نیز تحت چاپ سه بعدی قرار می‌گیرد. با این وجود، این لباس‌ها به وضوح تنها برای نمایش ساخته شده‌اند و برای پوشیدن به طور روزانه قابل استفاده نیستند. بنابراین، در تحقیق پیش رو بر روی الگوهای نساجی بیش‌تری که می‌توان آن‌ها را با منسوجات سنتی ترکیب کرده یا حتی آن‌ها را جایگزین این منسوجات کرد، متمرکز شده‌ایم.

پس از طراحی ساختارهای نساجی یا شبه نساجی متفاوت در نرم‌افزار گرافیکی سه بعدی BlenderTM، مدل‌ها بررسی‌ شده و در صورت لزوم با استفاده از نرم‌افزار netfabb ترمیم شدند. سپس، فایل STL ترمیم شده به نرم‌افزار Repetier host منتقل شده و پیش از ارسال به چاپ‌گر سه بعدی، به صورت یک مدل‌ لایه لایه بریده می‌شود.

بسیاری از تجربیاتی که در این مقاله به تصویر کشیده شده‌اند، با استفاده از چاپ‌گر FDM مدل X400 ساخته شده توسط شرکت آلمانی RepRap و توسط پلی‌لاکتیک اسید (با ازدیاد طول تا حد پارگی حدود ۴ درصد، مدول کششی معادل ۱۹۶۸ مگاپاسکال) و یا پلی‌لاکتیک اسید نرم (پلی‌لاکتیک اسید + نرم‌کننده، با ازدیاد طول تا حد پارگی حدود ۲۰۰ درصد)، ماده‌ی تجاری BendLay (بوتادائین، که سخت‌تر از پلی‌لاکتیک اسید است اما مانند اکریلو نیتریل بوتادائین استایرن شکننده نیست، با مقاومت در برابر ضربه‌ معادل ۳کیلو ژول بر متر مربع، مدول کششی ۱۵۵۰ مگاپاسکال) و سایر مواد تجربی و رایج، انجام شده‌اند. با توجه به این که اکریلونیتریل بوتادائین استایرن (ABS) خصوصیات مکانیکی مناسبی در مدل‌های نساجی حاصل ایجاد نمی‌کند، لذا از این ماده استفاده نشده است.

برای انجام مقایسه با فرآیند FDM نیز، از یک چاپ‌گر SLS ساخت شرکت Shapeways  با مواد سفید رنگ، مستحکم و منعطف نایلونی استفاده شده است.

 

 نتایج

پیش از ساخت الگوهای توری و مدل‌های چند ماده‌ای نهایی، آزمون‌های اولیه با هدف تولید ساختارهای نساجی و به ویژه، ساختارهای حلقوی‌بافت پودی یک رو انجام شدند. اگرچه تمامی ساختارها بدون استفاده از یک زیرلایه چاپ شدند، اما بسته به ترکیبات مواد و تنظیمات چاپ‌گر، امکان چاپ سه بعدی روی یک کالای نساجی منعطف نیز وجود دارد.

• چاپ سه بعدی ساختارهای حلقوی‌بافت پودی

برای چاپ سه بعدی ساختارهای حلقوی‌بافت پودی، نخست یک مدل CAD ساخته شد (شکل ۱، تصویر بالا سمت چپ). برای این منظور، از نرم‌افزار BlenderTm برای ورود داده‌های مدل یک حلقه‌ی حلقوی‌بافت ساخته شده در نرم‌افزار Adobe Illustrator استفاده شد تا حلقه‌ها تکثیر شده و با تغییر شکل دادن منحنی بزیر (Bezier) حلقه به آن شکل سه بعدی تبدیل شود. باید توجه داشت که ضخامت ماده و همچنین، فاصله‌ی بین حلقه‌های مجاور باید به اندازه‌ای باشد که به ترتیب برای فناوری‌های SLS و FDM مناسب باشد. قابلیت چاپ شدن طرح‌ها نیز با استفاده از نرم‌افزار netfabb امکان‌پذیر است.

مدل CAD‌ ساخته شده برای چاپ سه  بعدی در روش SLS استفاده شد (شکل ۱، تصویر بالا سمت راست). برای این منظور ضخامت ماده روی ۸/۰ میلی‌متر و حداقل فاصله‌ی بین حلقه‌های مختلف ۴/۰ میلی‌متر تنظیم شد. مدل حاصل تکثیر شد تا نمای پارچه‌ی حلقوی‌بافت پودی یک‌رو بدست بیاید. با این حال، باید متذکر شد که عدم انعطاف‌پذیری ماده، به وضوح منجر به ایجاد خصوصیات مکانیکی کاملاً متفاوتی در مقایسه با ساختارهای حلقوی‌بافت متشکل از نخ‌های نساجی می‌شود. علاوه بر این، در روش SLS معمولاً تنها می‌توان از یک ماده برای هر مدل استفاده کرد؛ بدین معنی که،  مدل‌های چند ماده‌ای باید به طور جداگانه چاپ شده و سپس به هم متصل شوند.

در روش FDM، جهت نشان دادن فاصله کم بین حلقه‌های موجود در شکل ۱، اصولاً باید از ساختارهای تکیه‌گاهی استفاده کرد. این ساختارها می‌توانند از جنس مواد متفاوت یا مشابه مواد مورد استفاده برای مدل باشند. با این حال، همان گونه که در شکل ۱ نشان داده شده است (شکل۱، تصویر پایین سمت چپ)، امکان ساخت ساختارهای تکیه‌گاهی کوچک از جنس مواد مشابه دشوار است. علاوه بر این، برای رسیدن به حداقل ضخامت مورد نیاز ماده (در این جا ۸۸/۱ میلی‌متر) و به منظور جلوگیری از پاره شدن ساختار، طرح باید بزرگ شود. با این وجود، ساختارهای تکیه‌گاهی هنوز ظریف‌تر از آن چیزی بودند که بتوان توسط چاپ‌گر تولید شوند. در عوض، لخته‌های نامطلوبی تولید شدند که بخش‌هایی از مدل را تخریب کردند. در این روش امکان ساخت چنین مدل نسبتاً ظریفی توسط روش FDM وجود ندارد.

چنین ساختار مشابهی با استفاده از پلی‌لاکتیک اسید نرم و بدون ساختارهای تکیه‌گاهی ساخته شد. برخلاف آنچه که تصور می‌شد، این تجربه نتایج مطلوب‌تری را نشان داد (شکل ۱، تصویر پایین سمت راست). برخی اوقات باید خروج ماده از نازل متوقف می‌شد، اما، با بررسی نازل چاپ، مشاهده شد که ماده‌ از نازل خارج می‌شود و همین امر، موجب ایجاد اتصالات نامطلوب ظریفی بین حلقه‌ها می‌گردد، اما، ساختار پایه به وضوح قابل رویت است. بیش‌تر حلقه‌ها از هم جدا هستند و انعطاف‌پذیری ماده نیز، حاکی از وجود خصوصیات بسیار مشابهی با ساختار حلقوی‌بافت نساجی، نسبت به طرح ساخته شده توسط روش SLS می‌باشد

 

شکل ۱- مدل CAD پارچه‌ی حلقوی‌بافت یک رو و تولید شده توسط نرم‌افزار BlenderTM (بالا سمت چپ)، ساختار سه بعدی چاپ شده با روش SLS (شکل بالا سمت راست)، چاپ به روش FDM با ماده‌ی BendLay و ساختارهای تکیه‌گاهی (شکل پایین سمت چپ) و ساختار چاپ شده با FDM و ماده‌ی پلی‌لاکتیک اسید نرم بدون ساختارهای تکیه‌گاهی (شکل پایین سمت راست). (ابعاد با خط‌کش نشان داده شده‌اند.)

 

با این وجود، باید متذکر شد که سطح مدل ساخته شده با پلی‌لاکتیک اسید نرم در مقیاس ماکروسکوپی نسبت به الیاف نساجی و یا بشرساخته زبرتر است. نتایج نشان داده‌ است که تکرار ساده‌ی ساختارهای نساجی، نمی‌تواند روش ایده‌آلی برای تولید کالاهای چاپ شده به صورت سه‌بعدی باشد. با توجه به ساختار لایه به لایه‌ی ایجاد شده در روش FDM، می‌توان انتظار داشت که مدل‌های ساخته شده از لایه‌های مختلف با موفقیت بیشتر و مشکلات کمتری تولید شوند.

• چاپ سه بعدی ساختارهای لایه‌ای

ساختارهای لایه‌ای مختلفی توسط روش FDM قابل تولید هستند. این ساختار جهت بررسی امکان تولید تک‌رشته‌ها بر روی سطح بالایی ساختارهای نسبتاً باز و بدون تکیه‌گاه، تولید شده است. شکل ۲ ساختاری آزمایشی از این روش را نشان می‌دهد.

 

شکل ۲- الگوی آزمایشی برای یک ساختار لایه‌ای، متشکل از سه لایه‌ی انباشته شده روی همدیگر.

چاپ انجام شده به روش FDM (شکل ۳) نشان می‌دهد که علی‌رغم، وجود پارگی در برخی از رشته‌ها، حتی در صورت رعایت حداقل قطر ۴/۰ میلی‌متری رشته‌ها، این روش از موفقیت بیش‌تری برخوردار است. بنابراین، با توجه به روش تولید الگوهای چاپ شده‌ی سه‌بعدی نساجی، ساختارهای توری شکل ساخته شده‌اند. برای این منظور از یک زیرلایه‌ استفاده شده است که بخش‌هایی از آن باز است، اما نواحی شناور آزاد در آن وجود ندارد.

 

شکل ۳- ساختار سه لایه‌ای چاپ شده با روش FDM (با ابعاد ۸×۸ سانتی‌متر مربع).

 

• چاپ سه بعدی الگوهای توری شکل

الگوهای توری‌شکل، از توری Plauen الهام گرفته شده‌اند. با توجه به طرح نشان داده در شکل ۴ (تصویر سمت چپ)، در این ساختارها، از عناصر مدور و گل‌دار بر روی یک زیرلایه استفاده شده است که این بخش‌ها را می‌توان به هم متصل کرد. به دلیل عدم حضور نواحی شناور آزاد، در صورتی که تمامی خطوط اتصال قطر کافی داشته باشند، چاپ این ساختارها با روش FDM بدون مشکل خواهد بود (شکل ۴ سمت راست).

شکل ۴- الگوی توری چند لایه، رسم شده در نرم‌افزار netfabb و چاپ سه بعدی حاصل (شکل راست). ابعاد دقیق حدود ۷×۴ سانتی‌متر مربع.

 

برای جلوگیری از مشکلات مکانیکی محتمل با مواد سخت‌تر که موجب پارگی در اتصالات زیرلایه می‌شوند، علاوه بر پلی‌لاکتیک اسید که برای بیش‌تر الگوهای توری شکل استفاده شده، یک پلیمر تجربی به نام Lay Tekkks نیز، مورد استفاده قرار گرفته شده است. این پلیمر یکی از انواع فیلامنت‌های متخلخل تجاری تحت عنوان PORO-Lay می‌باشد که، فیلامنتی سخت است و توسط Kai Parthy‌ از شرکت CC-Products (کلن آلمان) تولید شده است. این ماده، بدون مشکلاتی که در انتقال فیلامنت‌های خیلی نرم در بسیاری از چاپ‌گرهای FDM وجود دارد، به نازل چاپ‌گر منتقل می‌شود. با این حال، پس از تکمیل فرآیند چاپ می‌توان این ماده را به مدت چند دقیقه یا چند ساعت درون آب گرم قرار داد تا بخش سخت ماده حل شده و نمونه‌ی تولید شده نرم‌تر شود. با طولانی شدن زمان قرار گرفتن در آب، نمونه‌ی تولیدی نرم‌تر خواهد شد (شکل ۵).

 

شکل ۵- الگوی توری شکل تهیه شده از ماده‌ی Lay Tekks قبل (سمت چپ) و بعد از حل بخش سخت ماده در آب داغ به مدت سه ساعت (سمت راست). ابعاد طرح ۸×۸ سانتی‌متر مربع است.

 

• چاپ مدل‌های چند ماده‌ای

با استفاده از چاپ‌گرهای FDM با دو نازل یا تعداد بیش‌تری نازل، می‌توان مواد متفاوتی را در یک قطعه‌ی چاپ شده با هم ترکیب کرد. با توجه به اینکه، لباس‌ها اغلب حاوی بخش‌های سختی همچون سوراخ‌های چشمی، دکمه یا سایر تقویت‌کننده‌ها است، می‌توان ترکیب این قطعات را نیز تولید و چاپ کرد.

 

 

 

شکل ۶- ساختار چند ماده‌ای چند لایه، رسم شده در نرم‌افزار BlenderTM به صورت سه لایه‌ی جداگانه به همراه حلقه‌ای جداگانه از ماده‌ای متفاوت  به رنگ قرمز (شکل سمت چپ)، و چاپ دو ماده‌ای حاصل با حلقه‌ی ساخته شده از ماده‌ی سخت BendLay در ساختار لایه‌ای پلی لاکتیک نرم (شکل سمت راست). ابعاد این طرح ۸×۸ سانتی‌متر است.

 

شکل ۶ (سمت چپ) نمونه‌ای از ساختاری سه‌لایه را نشان می‌دهد که برای چاپ شدن با پلی‌لاکتیک اسید نرم برنامه‌ریزی شده است و حلقه‌ای سخت‌تر (به رنگ قرمز) را نشان می‌دهد که در شکاف لایه‌ی وسطی نرم، قرار گرفته و بخشی از آن، پس از اتمام طرح توسط لایه‌های بالایی و پایینی ثابت شده است. در این حالت، امکان تولید چنین مدل با استفاده از چند ماده‌ نیز وجود دارد (شکل ۶ سمت راست). به طور مشابه، مدل‌های توری با سه یا تعداد لایه‌ی بیش‌تر و ساخته شده از پلی‌لاکتیک اسید نرم، می‌توانند حاوی بخش‌های تقویت‌ شده‌ای باشند که از پلی‌لاکتیک اسید سخت یا BendLay ساخته می‌شوند.

نتیجه‌گیری

در تحقیق اخیر، ساختارهای نساجی با استفاده از روش‌های SLS و FDM به طور سه بعدی چاپ شدند. با توجه به این که اکریلونیتریل بوتادائین استایرن برای تهیه‌ی ساختارهای ظریف بسیار شکننده است، پلی‌لاکتیک سخت و نایلون مورد استفاده در چاپ SLS، جهت کاربردهای نساجی مانند لباس خیلی سخت استفاده شده است. از این رو، ثابت شده است که می‌توان از پلی‌لاکتیک اسید نرم جهت ترکیب با موادی که از انعطاف‌پذیری کمتری برخوردارند، مانند BendLay، برای تولید این ساختارهای نساجی استفاده کرد. این مواد امکان تولید الگوها و روش‌های ساخت جدیدی برای پوشاک و کالاهای مرتبط را فراهم می‌کنند. همچنین، امکان تولید طرح‌های نوین و عملکردهای جدیدی که نمی‌توان با پارچه‌های نساجی متعارف دست یافت را، با این روش امکان‌پذیر است.