مروری بر فناوری نوظهور چاپ سهبعدی گرانولی
الموضوعات : پلیمرها و چاپ سه بعدیعاطفه نژادابراهیم 1 , زینب اکبریان 2
1 - دانشگاه صنعتی قم
2 - دانشگاه صنعتی قم
الکلمات المفتاحية: پرینت سه بعدی, پرینت سه بعدی اکستروژنی, پرینت سه بعدی گرانولی (FGF), پلیمرهای زیست سازگار.,
ملخص المقالة :
چاپ سهبعدی گرانولی بهعنوان یکی از فناوریهای نوظهور در ساخت افزایشی اکستروژنی، به دلیل استفاده مستقیم از مواد اولیه گرانولی، بهعنوان جایگزینی امیدبخش برای سامانههای متداول فیلامنتمحور مطرح شده است. حذف مرحله میانی تولید فیلامنت، علاوه بر کاهش هزینههای فرایندی و مواد، موجب افزایش انعطافپذیری در انتخاب مواد و توسعه ترکیبات پلیمری و کامپوزیتی متنوع میشود. این مزیت، چاپ گرانولی را به گزینهای مناسب برای تولید قطعات مهندسی، ساختارهای زیستسازگار و کاربردهای بزرگمقیاس تبدیل کرده است.
در این میان، عملکرد سامانههای گرانولی بهشدت تحت تأثیر ویژگیهای ماده اولیه و پارامترهای فرایندی قرار دارد. در کامپوزیتهای پلیمری، نوع فیلر، اندازه ذرات، مورفولوژی، نسبت ابعادی و کیفیت توزیع و پراکنش آن در ماتریس، از جمله عوامل کلیدی در تعیین رفتار رئولوژیکی، پایداری اکستروژن، چسبندگی بینلایهای، دقت ابعادی و خواص نهایی قطعه چاپشده به شمار میروند. بنابراین، طراحی موفق فرمولاسیونهای قابل چاپ، نیازمند درک ارتباط متقابل میان ساختار ماده، ویژگیهای فیلر و شرایط فرایند است.
این مقاله مروری به بررسی مبانی، مزایا، چالشها و کاربردهای چاپ سهبعدی گرانولی پرداخته و آن را از منظر اقتصادی و فنی با چاپ سهبعدی فیلامنتی مقایسه میکند. همچنین، نقش پلیمرها و کامپوزیتهای زیستسازگار، اثر مشخصات فیلر بر چاپپذیری و عملکرد قطعه، و مهمترین چالشهای موجود در توسعه این فناوری مرور شده است. در پایان، مسیرهای آینده برای بهبود کیفیت چاپ، توسعه مواد پیشرفته و گسترش کاربردهای صنعتی و زیستپزشکی این فناوری ارائه میشود.
1. Pagac, M., Hajnys, J., Ma, Q. P., Jancar, L., Jansa, J., Stefek, P., & Mesicek, J. (2021). A review of vat photopolymerization technology: Materials, applications, challenges, and future trends of 3D printing. Polymers, 13(4), 598.
2. Prabhakar, M., Manoj, A. K., Saravanan, A., Haiter Lenin, A., Mayandi, K., & Sethu Ramalingam, P. (2021). A short review on 3D printing methods, process parameters and materials. Materials Today: Proceedings, 45, 6108–6114.
3. Vora, H. D., & Sanyal, S. (2020). A comprehensive review: Metrology in additive manufacturing and 3D printing technology. Progress in Additive Manufacturing, 5(4), 319–353.
4. Kumar, A., Singh, A. P., Singh, S. K., Singh, R., & Ahuja, I. P. S. (2023). Application of 3D printing for engineering and bio-medicals: Recent trends and development. International Journal on Interactive Design and Manufacturing (IJIDeM), 17(5), 2127–2136.
5. Aznarte Garcia, E., Qureshi, A. J., & Ayranci, C. (2018). A study on material-process interaction and optimization for VAT-photopolymerization processes. Rapid Prototyping Journal, 24(9), 1479–1485.
6. Nejadebrahim, A., Ebrahimi, M., Allonas, X., Croutxé-Barghorn, C., Ley, C., & Métral, B. (2019). A new safranin-based three-component photoinitiating system for high resolution and low shrinkage printed parts via digital light processing. RSC Advances, 9(68), 39709–39720.
7. Ahmadi, Z., Najafi, M., Nejadebrahim, A., & Ataeefard, M. (2025). Investigation of printing parameters on dimensional accuracy of geometrically complex objects in FDM 3D printing. Progress in Color, Colorants and Coatings, 18(4), 493–502.
8. Patti, A. (2024). Challenges to improve extrusion‐based additive manufacturing process of thermoplastics toward sustainable development. Macromolecular Rapid Communications, 45(17), 2400249.
9. Pignatelli, F., & Percoco, G. (2022). An application-and market-oriented review on large format additive manufacturing, focusing on polymer pellet-based 3D printing. Progress in Additive Manufacturing, 7(6), 1363–1377.
10. Justino Netto, J. M., Idogava, H. T., Frezzatto Santos, L. E., Silveira, Z. D. C., Romio, P., & Alves, J. L. (2021). Screw-assisted 3D printing with granulated materials: A systematic review. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 115(9), 2711–2727.
11. Pagés-Llobet, A., Espinach, F. X., Julián, F., Oliver-Ortega, H., & Méndez, J. A. (2023). Effect of extruder type in the interface of PLA layers in FDM printers: Filament extruder versus direct pellet extruder. Polymers, 15(9), 2019.
12. McDonagh, T., Belton, P., & Qi, S. (2022). Direct granule feeding of thermal droplet deposition 3D printing of porous pharmaceutical solid dosage forms free of plasticisers. Pharmaceutical Research, 39(3), 599–610.
13. Janning, K., König, S., Herbst, L., Nießing, B., & Schmitt, R. H. (2025). Development of an end-to-end automated production concept for extrusion-based additive manufacturing of personalized medical scaffolds. Frontiers in Manufacturing Technology, 5, 1572842.
14. Patel, A., & Taufik, M. (2024). Extrusion-based technology in additive manufacturing: A comprehensive review. Arabian Journal for Science and Engineering, 49(2), 1309–1342.
15. Gupta, A. K., Krishnanand, & Taufik, M. (2025). Effect of process parameters on performances measured in filament and pellets-based additively manufactured parts. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part E: Journal of Process Mechanical Engineering, 239(1), 489–512.
16. Azad, M. A., Olawuni, D., Kimbell, G., Badruddoza, A. Z. M., Hossain, M. S., & Sultana, T. (2020). Polymers for extrusion-based 3D printing of pharmaceuticals: A holistic materials–process perspective. Pharmaceutics, 12(2), 124.
17. Aftab, M., Ikram, S., Ullah, M., Khan, N., Naeem, M., Khan, M. A., & Qizi, O. K. A. (2025). Recent trends and future directions in 3D printing of biocompatible polymers. Journal of Manufacturing and Materials Processing, 9(4), 129.
18. Kyle, S., Jessop, Z. M., Al‐Sabah, A., & Whitaker, I. S. (2017). Printability of candidate biomaterials for extrusion-based 3D printing: State‐of‐the‐art. Advanced Healthcare Materials, 6(16), 1700264.
19. Tümer, E. H., & Erbil, H. Y. (2021). Extrusion-based 3D printing applications of PLA composites: A review. Coatings, 11(4), 390.
20. Arockiam, A. J., Subramanian, K., Padmanabhan, R. G., Selvaraj, R., Bagal, D. K., & Rajesh, S. (2022). A review on PLA with different fillers used as a filament in 3D printing. Materials Today: Proceedings, 50, 2057–2064.
21. Wang, X., Huang, L., Li, Y., Wang, Y., Lu, X., Wei, Z., & Liu, Y. (2024). Research progress in polylactic acid processing for 3D printing. Journal of Manufacturing Processes, 112, 161–178.
22. Yousefi, M. A., Rahmatabadi, D., Baniassadi, M., Bodaghi, M., & Baghani, M. (2025). 4D printing of multifunctional and biodegradable PLA‐PBAT‐Fe3O4 nanocomposites with supreme mechanical and shape memory properties. Macromolecular Rapid Communications, 46(2), 2400661.
23. Liu, H., Gong, K., Portela, A., Cao, Z., Dunbar, R., & Chen, Y. (2023). Granule-based material extrusion is comparable to filament-based material extrusion in terms of mechanical performances of printed PLA parts: A comprehensive investigation. Additive Manufacturing, 75, 103744.
24. Rahmani, K., Ravanbod, S., Dezaki, M. L., Branfoot, C., & Bodaghi, M. (2026). Pellet-fed continuous-silk-fibre 3D/4D printing of PLA/bamboo-charcoal bio-composites with shape recovery and thermomechanical stability. Materials & Design, 290, 115704.
25. Borkar, T., Goenka, V., & Jaiswal, A. K. (2021). Application of poly-ε-caprolactone in extrusion-based bioprinting. Bioprinting, 21, e00111.
26. Shaik, Y. P., Schuster, J., & Shaik, A. (2021). A scientific review on various pellet extruders used in 3D printing FDM processes. Open Access Library Journal, 8(8), 1–19.
27. Emadi, H., Baghani, M., Masoudi Rad, M., Hoomehr, B., Baniassadi, M., & Lotfian, S. (2024). 3D-printed polycaprolactone-based containing calcium zirconium silicate: Bioactive scaffold for accelerating bone regeneration. Polymers, 16(10), 1389.
28. Liu, Y. Y., Blazquez, J. P. F., Yin, G. Z., Wang, D. Y., Llorca, J., & Echeverry-Rendon, M. (2023). A strategy to tailor the mechanical and degradation properties of PCL-PEG-PCL based copolymers for biomedical application. European Polymer Journal, 198, 112388.
29. Oladapo, B. I., Zahedi, S. A., Ismail, S. O., & Omigbodun, F. T. (2021). 3D printing of PEEK and its composite to increase biointerfaces as a biomedical material-A review. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 203, 111726.
30. Pisaneschi, G. (2025). Numerical and experimental exploration of patient-specific cranial implants with 3D-printed PEKK via Arburg Plastic Freeforming. Progress in Additive Manufacturing, 10, 8099–8111.
31. Curmi, A., Rochman, A., & Buhagiar, J. (2024). Influence of polyether ether ketone (PEEK) viscosity on interlayer shear strength in screw extrusion additive manufacturing. Additive Manufacturing, 84, 104086.
32. Zhang, B., Lu, S., Niu, J., Yang, C., Sun, C., & Li, D. (2024). Influence of reinforcement phase content on mechanical properties of hydroxyapatite/carbon fiber/polyether-ether-ketone composites 3D printed by screw extrusion. Composites Science and Technology, 258, 110843.
33. Whyman, S., Arif, K. M., & Potgieter, J. (2018). Design and development of an extrusion system for 3D printing biopolymer pellets. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 96(9), 3417–3428.
34. Altıparmak, S. C., Yardley, V. A., Shi, Z., & Lin, J. (2022). Extrusion-based additive manufacturing technologies: State of the art and future perspectives. Journal of Manufacturing Processes, 83, 607–636.