پرینت سه بعدی با فناوری MJF
MJF (Multi Jet Fusion) یکی از گونه های فناوری چاپ سه بعدی است که می‌خواهیم در این مقاله با آن آشنا شویم و از زیر و بم آن بدانیم
MJF (Multi Jet Fusion) یا همجوشی با جت چندگانه یک فناوری نوین از دسته فناوری‌های ساخت افزوده است که شرکت آمریکایی hp (Hewlett-Packard Company) سازنده سرشناس دستگاه‌های الکترونیکی آن را پدید آورده است و در انحصار خود دارد. پرینت سه بعدی با فناروی MJF روش نوین پرینت سه بعدی گرچه بسیار نوپا است اما توانسته است خود را درمیان سازندگان از صنایع گوناگون جای دهد و به عنوان روشی اعتمادپذیر و سازگار برای ساخت همه گونه قطعه ها در صنایع گوناگون از خودروسازی و ابزار تا پزشکی و قطعه‌های مصرفی شناخته شود.
MJF
پیشینه MJF
نخستین بار سال ۲۰۱۶ میلادی بود که hp این فناوری را به بازار آورد اما گسترش این فناوری به دهه‌ها پیش بازمی‌گردد، در دهه ۹۰ میلادی بود که پرینت سه بعدی از فاز پژوهشی خارج شد و به سوی تجاری شدن گسترش پیدا کرد. hp با توانایی و پیشینه‌ای که در ساخت پرینترهای جوهرافشان و ساخت مکانیزم‌های دقیق تصویربرداری، دانش مواد و مواد جت پرتاب داشت MJF را پدید آورد و گسترش
MJF چگونه کار می‌کند؟
به گفتاری کوتاه، MJF دربرگیرنده یک گونه ماده پیوند دهنده مایع برای همجوشی لایه‌به‌لایه مواد پلیمری پودری است. این فناوری نام خود را از سرهای جوهرافشان پرشماری که فرایند پخش پلیمر مایع را برعهده دارند گرفته است. این پرینتر به اینگونه کار می‌کند که: چاپگر لایه‌ای از مواد پودری را روی تخته پرینت می‌گذارد و سپس سرجوهرافشان از روی لایه پودر گذر می‌کند و براساس فایل سه بعدی که دستگاه برپایه آن پرینت می‌کند آرایه‌های جوش(fusing agent) و جزئیات(detailing agent) را روی پودر و نقطه‌هایی که باید رسوب می‌دهد. یک یگان گرمایش مادون قرمز در سراسر چاپ جابه‌جا می‌شود و هرجا که یک آرایه جوش یا همان ذوب افزوده شود با لایه زیرین با هم ذوب می‌شوند درحالی که بخش‌های پوشیده از آرایه جزئیات کامل ذوب نمی‌شوند بلکه به عنوان لایه‌ای برای اطمینان از کیفیت سطح رفتار می‌کنند. بخش‌هایی از مواد پودری که به هیچ آرایه‌ای آغشته نشده‌اند به گونه پودری می‌مانند، بخش‌های پودری همانند پایه نگهدارنده بخش‌های ذوب شده هستند و اینگونه در این روش نیازی به پایه گذاری همانند روش های دیگر پرینت سه بعدی نیست.
پس از پایان کار هر لایه بستر کمی پایین می‌آید تا جا برای لایه بعدی باز شود و فرآیند بالا تا کامل شدن ریخت قطعه ادامه می‌یابد.
پس از کامل شدن و به پایان رسیدن فرآیند پرینت، بستر پرینت دارای قطعه و پودرهای اضافی می‌باشد، اکنون بستر دارای قطعه و پودر اضافی به دستگاه جداگانه می‌روند تا پودرهای اضافی و قطعه از هم جدا شوند. پودرها برای این که ذوب نشده‌اند می‌توانند دوباره در فرآیند پرینت بکار گرفته شوند و اینگونه از هدر رفت مواد سودمند پیشگیری می‌شود و دورریز در این روش به کمترین میزان خود می‌رسد.
با بهرگیری از ساب‌پاشی بید بلستینگ پودرهای اضافی چسبیده به سطح پاک می‌شوند و کیفت سطح قطعه نیز بهبود می‌یابد.
MJF با چه متریال‌هایی کار می‌کند؟
در آغاز MJF تنها با پودرهای نایلون PA12 سازگار بود، گرچه این ماده هنوز پرکاربردترین گزینه است اما گستره مواد بکارگیری شده در این روش در چند سالی که این فناوری به بازار آمده است افزایش یافته و هم‌اکنون نیز مواد تازه تری درحال گسترش و پژوهش‌اند.
گرچه که MJF از دسته روش‌های همجوشی بستر پودری است اما این بدان معنا نیست که همه مواد کاربرد پذیر در روش‌های همجوشی بستر پودری در پرینترهای Multi jet fusion کاربرد پذیر باشند و در واقع فهرست موادی که این دستگاه‌ها می‌توانند با آن کار کنند بسیار کوتاه از فهرست مواد بکاررونده در فرآیندهای همجوشی بستر پودری (Powder bed fusion) هستند. تا اندازه‌ای دلیل این پدیده این است که این فناوری در انحصار شرکت اچ‌پی است، اما با این همه سازندگان مواد به افزایش محبوبیت MJF با ساخت مواد سازگارپذیر با آن و همکاری با hp پاسخ داده‌اند. برای نمونه در سال ۲۰۲۰ hp و شرکت BASF برای گسترش یک ماده پلی پروپیلن دیرپای(بادوام) و مقاوم در برابر مواد شیمیایی همکاری کرده‌اند و آخرین دست‌آورد این همکاری یک ماده با بازیافت‌پذیر به نام PA12 W می‌باشد که بندواژه W نشان از رنگ سفید این ماده دارد و می‌تواند در دستگاه‌های سری 5420W اچ‌پی بکار رود.
شرکت کهنه کار آمریکایی لوبریزول(Lubrizol) به تازگی از تازه‌ترین ماده سازگار خود با فناوری MJF به نام Estane 3D M88A TPU خبرداد.
مواد کاربردپذیر در MJF را به دو گونه سخت و نرک می‌توان دسته‌بندی کرد:
سخت
– PA12 Nylon با توانایی بازیافت بالا
– PA 12 Glass Bead (GB) بازیافت‌پذیری بالا
– PA 12 W (white) بازیافت‌پذیری بالا
– PA 11 بازیافت‌پذیری بالا
– PP enabled ساخته BASF بازیافت‌پذیری بالا
نرم
– Estane 3D TPU – M95A از Lubrizol
– Ultrastint TPU01 از BASF
– TPA از Evonik/HP
– Estane 3D TPU M88A
پرینت سه بعدی همجوشی با جت چندگانه
صنایع بکارگیرنده MJF
MJF که اکنون خود را به عنوان روشی کارآمد از دسته روش‌های ساخت افزوده دربازار شناسانده است و توانایی‌هایی از نمونه‌سازی تا ساخت نمونه‌های نخستین برای آزمون‌های میدانی و قطعه‌های نهایی را به کاربرانش می‌دهد، توانسته است جای خود را در میان شرکت‌ها از صنایع گوناگون باز کند، برای نمونه:
خودروسازی
MJF به سازندگان توانایی می‌دهد تا هزینه ساخت قطعه‌ها را کاهش دهند و دهمین حال کارایی عملیاتی را افزایش دهند از همین رو شرکت اسپانیایی سازنده قطعه‌های خودرو (Continental Automotive Spain SA) در ساخت یک گیره پنوماتیکی از آن بهره برده‌اند، یا گروه جگوارلندرور مهندسان پا را فراتر از ساخت براکت‌ها و تزئیات درونی خودرو گذاشته‌اند و برای ساخت تجهیزات حفاظتی نوین برای کارگران کارخانه‌هایشان بهره برده‌اند. در جنرال‌موتورز در بخش ساخت به روش افزودنی که فضایی 15000 فوت مربعی به آن ویژه داده‌اند از دستگاه‌های پرینتر سه بعدی MJF برای ساخت نمونه‌های نخستین، ابزار، وسایل و قطعه‌های نهایی ناوگانی گردآوری کرده‌اند.
پزشکی
بخش‌های پزشکی و دندانپزشکی درحال تجربه بسیار شگرفی در زمینه بکارگیری فناوری پرینت سه بعدی هستند و در همین راستا شرکت SmileDirectClub در شهر نشویل ایالت تنسی در آمریکا شمار ۶۰ دستگاه پرینترسه‌بعدی MJF را به کارگرفته است تا قالب‌های دندان سفارشی را انبوه سازی شخصی کنند. پرینترهای سه بعدی MJF همچنین ساخت و سفارشی‌سازی در صنعت ارتز و پروتزهای پزشکی را نیز دستخوش دگرگونی کرده است. شرکت Invent Medical که کار ساخت ارتزها و پروتزهای خود را با دستگاه MJF شرکت hp و با متریال PA12 سفید انجام می‌دهد، رنگ‌آمیزی قطعه‌های خود برای کودکان را ارائه می‌دهد.
شرکت OVR Technology ابزارهایی می‌سازد که توانایی بوییدن را در واقعیت‌مجازی فراهم می‌کند و بیشتر بخش‌های پزشکی و درمانی را هدف خود قرار داده است، آن‌ها توانسته‌اند با پرینترهای MJF محفظه‌های بسیار بادوام با جزئیات و هندسه‌های بسیار پیچیده برای نمونه‌های نخستین خود بسازند.
کالاهای مصرفی
بسیاری از کالاهای مصرفی نیز نیازمند ساخت قطعه‌های کوچک اما پرجزئیات و با هندسه‌های پیچیده‌اند در یک نمونه شرکت Pepsi سازنده سرشناس نوشیدنی در سراسر جهان هنگامی که در یک کار تبلیغاتی می‌کوشید یک قاب ماسک مانند برپایه فیلم پلنگ سیاه (Black Panther) برای قوطی‌های نوشیدنی‌هایش بسازد برای دست یابی به کیفیت دلخواه خود در جزئیات و رنگ سیاه بسیاری از روش‌های پرینت سه بعدی را آزمود و در پایان این MJF بود که توانست رقبا را کنار بزند و کار را ازآن خود کند.
در نمونه دیگری از همکاری اچ‌پی با مشتریان، در صنعت کالاهای ورزشی و عینک شرکت Oakley توانسته است فرآیند گسترش مجموعه کالاهای خود از عینک تا دیگر تجهیزات ورزشی را کاهش دهد. شرکت Smith Optics در ساخت قاب سفارشی یک عینک اسکی به نام I/O MAG Imprint از فناوری MJF بهره برد و به عنوان یکی از بهترین اختراعات سال ۲۰۲۰ مجله تایمز نام گرفت.
پرینت MJF
دستگاه‌های MJF
درواقع دوسری از مجموعه دستگاه‌های پرینتر سه بعدی MJF وجود دارد، یکی HP 3D Jet Fusion 4200 که در سال ۲۰۱۶ به بازار آمده و تا کنون چند بروزرسانی داشته است و دیگری سری HP Jet Fusion 5200 که در سال ۲۰۱۹ به بازار آمد همچنین سری 5420W که در سال ۲۰۲۳ عرضه شد و درواقع همسان با سری 5200 می‌باشد اما به گونه ویژه برای چاپ قطعه‌های سفید رنگ ساماندهی و بروز شده است. اچ‌پی پرینترهای دیگری نیز داشت که بیشتر برای ساخت نمونه‌های نخستین بکار می‌رفتند اما اکنون بازنشسته شده‌اند که این خود نشان دهنده سرعت پیشرفت این فناوری است.
سری ۴۲۰۰ که نخستین سری بود برای ساخت قطعه در زمان کوتاه و حجم‌های ساختی بود، اچ‌پی می‌گوید که این سرس برای ساخت نمونه‌های نخستین صنعتی و محیط‌های ساخت قطعه نهایی ایده‌آل است. این دستگاه با سیستم اختلاط و بارگیری مواد خودکار جریان کار شما را ساده می کند و نیاز به کارگر را کاهش می دهد. مجموعه ماشین‌ها شامل یک سیستم باز کردن بسته‌بندی و جمع‌آوری مواد و یک ماژول خنک‌کننده است تا بتوانید یک تخت چاپ تمام‌شده را بردارید و آن را با یک تخت جدید جایگزین کنید تا هدر رفت زمان را به کمترین برسانید.
سری ۵۲۰۰ برای حجم‌های ساختی بزرگتر نسبت به سری ۴۲۰۰ بود یعنی ساخت هزاران و حتی صدها هزار قطعه، دارای پیشرفت‌هایی در سرعت و کارایی و یک لامپ با توان بالاتر نسبت به سری ۴۲۰۰. همچنین این سری دارای مدل های 5210 و 5210pro با تفاوت‌هایی در حجم، سازگاری مواد و بروزرسانی درونی نیز هست.
قطعه‌های پرینت شده در دستگاه‌های پرینتر MJF معمولا به رنگ مشکی و یا خاکستری‌اند اما سری ۵۴۲۰ توانا به ساخت قطعه‌های خاکستری یا مشکی رنگ نیست زیرا به گونه ویژه برای ساخت قطعه‌های سفید رنگ با متریال PA 12 W طراحی و سازماندهی شده است. یکی از خوبی‌های این چاپ به رنگ سفید، آسان‌تر شدن رنگرزی آن نسبت به رنگرزی قطعه‌های مشکی یا خاکستری است، باتوجه به این که رنگ کردن قطعه‌های برای بکارگیری پایانی از سوی مشتریان نیازی مطرح بوده است اچ‌پی این سری را برای پاسخ به این نیاز بازار گسترش داده است، قطعه‌های پرینت شده با ماده PA12W آزمون‌های سازگاری زیستی و سمی بودن را نیز با سربلندی پشت سر گزاشته است و همچنین برای استریل شدن تا دمای ۱۳۲ درجه سانتیگراد در چرخه‌های چندگانه تا سی دقیقه نیز پیروز بوده است.
اگر کسی دستگاه سری ۵۲۰۰ را داشته باشد و دوست داشته باشد تا یک دستگاه سری ۵۴۲۰ نیز داشته باشد اچ‌پی در یک حرکت اقتصادی کیت‌های بروزرسانی برای این کار را پیشنهاد می‌دهد.
خوبی‌ها و بدی‌های MJF
خوبی‌ها
– سرعت چاپ بالا
– چرخه های ساخت با حجم بالا
– چاپ دقیق با جزئیات دقیق
– هزینه چاپ پایین در کارهای تک
– آزادی بیشتر در طراحی زیرا نیازی به پشتیبان(ساپورت) نیست
– پسماند کمتر به دلیل بازیافت پودر
– توانایی رنگ آمیزی قطعات در پس پردازش
– پرداخت سطح با کیفیت بالا
– ویژگی‌های مکانیکی ثابت
بدی‌ها
– سرمایه گذاری نخستین گران برای چاپگر
– مواد انحصاری
– توانا به تولید برخی هندسه های منحنی و توخالی نیست
– قطعه خاکستری و بی‌آرایه‌های رنگ دهی است( البته در سری ۵۴۲۰ این چالش هموار شده است)
چاپ سه بعدی MJF
چاپ تمام‌رنگی با MJF
پیشتر اچ‌پی فناوری Multi Jet Fusion را به گونه تمام‌رنگی ارائه می‌کرد اما شوربختانه ساخت سری دستگاه Jet Fusion 380 را که این کار را می‌کرد در سال ۲۰۲۱ کنارگذاشت، هنوز بسیاری از سرویس‌های خدمات پرینت سه بعدی این دستگاه را دارند اما اچ‌پی دیگر آن را پشتیبانی نمی‌کند.
جایگزین‌های MJF
Selective Absorption Fusion (SAF) یا همجوشی جذبی گزینشی(انتخابی) یک روش دیگر از دسته فناوری‌های همجوشی بستر پودری است که شرکت Stratasys که خود سازنده پرینترهای سه بعدی و نرم‌افزار و مواد پلیمری برای پرینترهای سه بعدی است آن را ارائه می‌دهد. این روش از یک مایع جذب مادون قرمز برای ذوب پودر نایلون در لایه‌ها برای ساخت قطعه‌ها بهره می‌برد. هدهای چاپ پیزو الکتریک درجه صنعتی، سیال را در بخش‌های تعیین شده پرتاب می‌کنند تا لایه از قطعه ساخته شود. به دنبال آن با قرار گرفتن در معرض انرژی مادون قرمز که باعث می شود بخش‌های دارای مایع، ذوب شده و به هم جوش بخورند. دنباله تکرار می شود تا همه بخش‌ها ساخته شوند.
SAF و MJF هردو راه سریع تری برای ساخت قطعه‌ها از جنس نایلون‌ها هستند نسبت به فناوری‌هایی که از لیزر بهره می‌برند و هردو دارای شباهت‌هایی با فناوری دیگری به نام High Speed Sintering (HSS) یا تف جوشی با سرعت بالا از شرکت آلمانی Voxeljet دارند اما گستره موادHSS بیشتر از این دو است.