پرینتر سه بعدی FDM چیست؟

بطور خاص، فرآیند استاندارد FDM با استفاده از رشته ترموپلاستیکها بعنوان مواد ساخت، خود را از سایر تکنیک‌های اکستروژن مواد، مانند چاپ سه بعدی بتن و مواد غذایی و… متمایز می‌کند.

بنابراین، یک چاپگر سه بعدی FDM معمولی، متریال رشته‌ای مبتنی بر پلیمر را مصرف (بنام فیلامنت: Filament  خوانده میشود و آنرا از طریق یک نازل گرم کرده که مواد را ذوب و در لایه‌های مختصات سه بعدی ریاضی روی پلتفرم ساخت می‌گذارد. در حالی که در حال سرد شدن تدریجی هستند، این لایه‌ها با یکدیگر ترکیب می‌شوند و در نهایت یک شی فیزیک ایجاد میگردد. این تکنیک ارزان و کاربردی، بعنوان ساده‌ترین راه برای چاپ سه بعدی پذیرفته شده است، FDM 3D Printer در دسترس، کارآمد و بسیار محبوب است. دستگاههای FDM بر بازار چاپ سه بعدی ایران و جهان تسلط دارند، بطور قابل توجهی ساده‌تر از پرینتر سه بعدی رزینی و بسیار ارزان‌تر از روش‌های مبتنی بر پودر SLS هستند.

در این مطلب، ما این فناوری تحسین شده را بررسی خواهیم کرد و در مورد عملکرد داخلی، امکانات مواد و موارد دیگر خواهیم پرداخت. ابتدا، بیایید دریابیم که چگونه در بین سازندگان و علاقمندان محبوب شد.

تاریخچه FDM 3D Printer

اگرچه FDM محبوب‌ترین روش پرینت سه بعدی است، اما حتما تعجب خواهید کرد که بدانید اولین روشی نبود که اختراع شد؛ در واقع، حتی دومین هم نیست! استیون اسکات کرامپ در سال ۱۹۸۹، سه سال پس از ثبت اختراع برای تکنیک استریولیتوگرافی (SLA) و یک سال پس از تکنیک جوش لیزری انتخابی (SLS) بعنوان اولین فرد رسمی، ثبت امتیاز FDM را در آمریکا درخواست کرد. اسکات و همسرش لیزا یکی از بزرگترین و پیشروترین کمپانیهای سازنده چاپگر سه بعدی را تأسیس کردند: Stratasys.

با این حال، FDM بعداً از طریق انجمن اوپن سورس RepRap و تحت نام جایگزین آن، Fused Filament Fabrication (FFF) در بین کاربران غیرتجاری محبوب شد (چون محصولات شرکت استراتاسیس انحصاری، بسیار گران و محدود به صنایع بودند و کاربران عمومی قادر به استفاده از آن نمیشدند). پروژه RepRap بعنوان یک پروژه آکادمیک در سال ۲۰۰۵ توسط Adrian Bowyer در دانشگاه Bath انگلستان با هدف اولیه تولید دستگاه‌های خودتکثیر شونده چاپگر آغاز شد.

چاپگر سه بعدی متریال فیلامنت چگونه کار می‌کند؟

FDM (یا FFF) با ذوب و رسوب هوشمند ترموپلاستیکها به لایه‌هایی مشخص (بر اساس مختصات سه بعدی دکارتی) تبدیل می‌شود که برای ایجاد یک جسم سه بعدی لایه گذاری بکار میرود. این حرف ما ممکن است کمی گیج کننده به نظر برسد، بنابراین اجازه دهید فرآیند را با جزئیات بیشتر بررسی کنیم. | پرینترهای سه بعدی 3DPE | تکنیک FDM در ماهیت خود ساده است. عملکرد اصلی آن توسط دو سیستم مجزا انجام می‌شود: یکی مسئول اکستروژن – رسوب و دیگری برای حرکت بازوی سر نازل چاپ. در بخش‌های بعدی هر دوی این سیستم‌ها را مورد بحث قرار خواهیم داد.

اکستروژن و رسوب گذاری

بطور کلی، سیستم اکستروژن و رسوب را می‌توان به دو مجموعه اصلی تقسیم کرد: «انتهای سرد  یا ColdEnd» و «انتهای داغ یا HotEnd».

متریال مورد استفاده در پرینت سه بعدی FDM بصورت رول رشته‌ای است و انتهای سرد وظیفه تغذیه این ماده از رول به فیدر چاپگر سه بعدی را بر عهده دارد. (انتهای سرد همچنین سرعت انباشته شدن ماده در انتهای گرم دیگر را کنترل می‌کند که به آن «جریان» می‌گویند). از طرف دیگر، قسمت داغ مسئول گرم کردن مواد پلاستیک دریافت کرده را دارد تا جایی که برای خروج (Extrusion) از طریق نازل کافی باشد. این مرحله شامل اجزای مختلفی از جمله کارتریج، هیت سینک و البته سر نازل می‌شود. انتهای سرد و گرم باید بطور هم افزایی عمل کنند تا مقدار مناسبی از مواد را در دما و حالت فیزیکی مورد نیاز برای انباشتن لایه‌ها روی هم به درستی اکسترود کنند. خب، حالا با در نظر گرفتن اکستروژن و رسوب گذاری، سیستم‌های چند اکستروژنی نیز وجود دارد! این چند تزریقی اجازه می‌دهد تا با چندین ماده به طور همزمان کار شود.

حرکت هد چاپی

علاوه بر تنظیمات اکستروژن متفاوتی که چاپگرهای سه بعدی FDM می‌توانند داشته باشند، شاید مهم‌ترین تنوع در طراحی شاسی و سیستم حرکت یافت میشود.

سیستم حرکتی پرینترهای۳بعدی FDM وظیفه جابجایی مجموعه انتهای داغ در فضای سه بعدی را بر عهده دارد تا مواد ذوب شده را بر این اساس قرار دهند. در کوچکترین سطح، اجزای هدایت این حرکت اغلب از موتورهای پله ای، راهنماهای خطی، پیچ‌های سرب و سیستمهای تسمه لاستیکی می‌آیند.

جابجایی انتهای داغ را می‌توان به روش‌های مختلفی به دست آورد. تا حد زیادی، سیستم مختصات غالب برای چاپگرهای۳ بعدی، بر اساس فرآیند دکارتی است که در آن موقعیت با سه مختصات خطی (X، Y و Z) مشخص می‌شود. با این حال، دسته کوچکی از چاپگرهای سه بعدی FDM وجود دارند که از سیستم مختصات قطبی (Polar) استفاده می‌کنند که از مقادیر خطی و زاویه‌ای (هندسه دایره ای) برای توصیف موقعیت فیزیکی استفاده می‌کند (این چاپگرها بیشتر برای تولید مواد غذایی خاص کاربرد دارند و عمومی نشده اند).

انواع پرینترهای سه بعدی دکارتی

ماشین‌های دکارتی را می‌توان از نظر سیستم حرکتی بصورت زیر دسته‌بندی کرد:

چاپگرهای سه بعدی دلتا از ریل‌های عمودی و سه بازوی کنترل شده مستقل متصل به انتهای داغ استفاده می‌کنند که همه با هم حرکت می‌کنند تا انتهای داغ را متناسب با آن قرار دهند. چاپگرهای SCARA زیرمجموعه دیگری از ماشین‌های دکارتی هستند که از بازوهای افقی برای انجام حرکات مسطح استفاده می‌کنند.

با این حال، این احتمال وجود دارد که اگر عملا با یک چاپگر سه بعدی روبرو شوید، یک دستگاه به سبک دکارتی مستطیل باشد. در اینجا، موتورهای پله‌ای (استپر موتور) که حرکت را صرفاً در امتداد محورهای X، Y و Z با استفاده از سیستمی از پیچ، تسمه و بلبرینگ، شفت و ریل… هدایت می‌کنند. چندین نوع قابل شناسایی وجود دارد که در این دسته قرار می‌گیرند، برخی از پرطرفدارترین آنها چاپگرهای i3-Style Cartesian-XZ-Head و CoreXY هستند.

اخیراً نوع جدیدی از چاپگرهای سه بعدی FDM به وجود آمده است: پرینترهای سه بعدی کمربندی (تسمه نقاله ای). این پرینتر سه بعدی خط ساخت پیوسته (یعنی بی‌نهایت در طول قطعه) را ارائه می‌دهد، به این معنا که پلت فرم ساخت مانند یک تسمه نقاله در یک خط تولید کارخانه حرکت می‌کند و اجازه می‌دهد تا قطعات غیر معمول بسیار طولانی تولید شوند یا چندین قسمت به طور مداوم کپی شوند.

FDM مزایای متعددی نسبت به سایر روش‌های چاپ۳ بعدی دارد، اما دارای محدودیتهایی نیز می‌باشد. بیایید مزایا و محدودیت آنرا در مورد عملکرد چاپ و کیفیت کلی قطعات در مقایسه با سایر تکنیک‌های پرینت فهرست کنیم.

مزیتها:

• مقیاس پذیری یکی از مهم‌ترین مزایای پرینت سه بعدی FDM است. بر خلاف پرینترهای سه بعدی رزینی، دستگاههای FDM را می‌توان به راحتی در هر اندازه‌ای بزرگ کرد زیرا تنها محدودیت، حرکت هر دروازه است.
• یکی از بارزترین مزایای داشتن یک طراحی با مقیاس پذیری آسان، نسبت هزینه به اندازه است. به دلیل هزینه کم قطعه و طراحی ساده، چاپگرهای FDM به طور مداوم بزرگتر و ارزان‌تر می‌شوند.
• در مورد هزینه، فیلامنت‌های FDM تا حد زیادی ارزان‌ترین مواد پرینت سه بعدی هستند، به خصوص در مقایسه با سایر روش‌های چاپ سه بعدی، مانند SLS و چاپ بر پایه رزین.
• مزیت دیگر در مورد مواد انعطاف پذیری است. در هر چاپگر FDM، طیف گسترده‌ای از مواد ترموپلاستیک و رشته‌های عجیب و غریب را می‌توان با ارتقاء و اصلاح نسبتاً کمی چاپ کرد و این را نمی‌توان در مورد سبک‌های دیگر که در آن مواد باید رزین یا پودر ریز باشد، بکار برد.
• در نهایت، تجربه کلی با چاپ FDM بسیار بهتر از رزین و SLS است. با FDM، برخلاف حمام‌های الکلی و انفجار هوای فشرده که برای این روشها مورد نیاز است، هیچ مرحله تمیز کردن اضافی به جز برداشتن تکیه گاه‌ها وجود ندارد (البته میتوان پس از پرینت بدلخواه پرداخت کاری هم انجام داد).
• با FDM نیز هیچ مرحله پخت اضافی وجود ندارد. پس از اتمام فرآیند چاپ، قطعات آماده کار هستند (منظور بعنوان نمونه کانسپت نه استفاده مستقیم ماشین کاری).

چالشها:

• چاپ سه بعدی FDM خالی از کاستی نیست. به دلیل سادگی و هزینه کلی اجزای آن، چاپگرهای FDM اغلب نیاز به دستکاری و تنظیم زیادی (یعنی تراز کردن بستر) دارند تا به سطح اطمینان و کیفیت سایر روش‌های چاپ برسند.
• برخلاف رزین وSLS (تابش لیزر)، نوع FDM به شدت به حرکت فیزیکی متکی است، و بنابراین علاوه بر کالیبراسیون، بسیاری از اجزای چاپگر FDM نیاز به نگهداری و توجه منظم دارند: کشش تسمه، تمیز کردن اکسترودر، روغن کاری ریل و حتی تعویض قطعات مانند نازل‌های انتهای داغ.
• چاپ FDM به شدت به کیفیت مواد اولیه وابسته است. دقت ابعاد ضعیف رشته می‌تواند منجر به چندین مشکل اکستروژن شود و ترکیب شیمیایی پلاستیک نیز می‌تواند فرآیند چاپ را مشکل ساز کند. بعلاوه، رولهای فیلامنت باید به طور مناسب ذخیره شوند تا از جذب رطوبت جلوگیری شود که بر فرآیند چاپ تأثیر بد نگذارد.

از کجا پرینتر سه بعدی بخریم؟

بیایید چند نکته را مطرح کنیم تا بفهمید از کجا و چگونه روند انتخاب را شروع کنید:

• اولین چیزی که باید در نظر بگیرید این است که چرا به چاپگر سه بعدی نیاز دارید. آیا می‌خواهید بعنوان کارآفرین و منبع درآمدزایی به صنف خدمات دهندگان بپیوندید یا درباره این فناوری اطلاعات بیشتری کسب کنید و مدرس شوید، یا از آن برای بهبود تولید در کسب و کار فعلی خود بهره ببرید؟
• دومین چیزی که باید به آن فکر کنید این است که چه نوع قطعاتی را پرینت سه بعدی خواهید کرد. آیا به قطعات تزئینی و جذاب فکر می‌کنید؟ آیا می‌خواهید قطعاتی را به روشی ارزان و توسط خودتان طراحی کرده و بسازید؟ یا آیا به چاپگری نیاز دارید که بتواند مواد با کارایی بالا را برای قطعات کاربردی (مثلا قالبسازی) مدیریت کند؟
• اگر تازه کار هستید و به دنبال یک چاپگر سه بعدی FDM ساده هستید، مدلهای رومیزی میتوانند به شما خدمت کند. آنها نسبتا ساده و بسیار محبوب هستند.
• اگر در مورد چاپ سه بعدی خود جدی هستید (مثلا اهداف کارگاهی یا درآمدزایی دارید) باید بودجه بیشتری فراهم کنید و دستگاههای صنعتی با ابعاد ساخت بزرگ، محور حرکتی دقیق و قطعات با کیفیت را انتخاب کنید.

اگر مهارت فنی مهندسی ندارید، هرگز دستگاهی بدون گارانتی و خدمات پس از فروش نخرید (محصولاتی تحت عنوان کیت‌های مونتاژی یا ارزان فروشان بی‌نام نشان بازار). چاپگر۳بعدی نیاز به تعمیرات دوره‌ای و تعویض قطعات دارد و نبود قطعه یا پشتیبان ماهر عیب‌زدایی، سبب هدر رفته سرمایه و عدم کارکرد دائمی دستگاه خواهد شد.

خب، اگر فکر می‌کنید دستگاه FDM برای شما مناسب است، زمان آن رسیده است که از مشاوره رایگان ما استفاده کنید تا با توجه به اهداف و بودجه شما، از محصولات مناسب شامل گارانتی و خدمات پس از فروش، مطلع شوید. کافیست نام «توسعه گران بعد سوم» را در گوگل جستجو کنید.

به دنیای هیجان انگیز چاپ  سه بعدی خوش آمدید!