تکنولوژی FDM به کار رفته در پرینتر سه بعدی

 تکنولوژی FDM چیست ؟

تکنولوژی FDM به عنوان ارزانترین تکنولوژی پرینتر سه بعدی در بازار شناخته می شود. این روش انواع متنوعی از مواد پلاستیکی را در گستره جنسی دارد که شامل ABS، PLA، نایلون و حتی ترکیبی از مواد بیگانه شامل کربن، برنز و چوب می باشد.

فرآیند چاپ سه بعدی با روش FDM توسط یک رشته از مواد جامد به نام فیلامنت آغاز می گردد، بدین صورت که رشته فیلامنت از طریق یک رول متصل به پرینتر به یک نازل داغ که در داخل چاپگر وظیفه ذوب مواد را به عهده دارد منتقل می گردد.

پس از ذوب مواد، آن ها را در مسیر خاص و از پیش تعیین شده توسط نرم افزار کامپیوتر حرکت می دهند. ماده خارج شده در مسیر مشخص حرکت کرده و لایه ای از شکل را تشکیل داده، سپس لایه فورا خنک و سفت شده و تبدیل به پایه ای برای شکل گیری لایه بعدی روی خود می گردد و به همین روال کل شکل لایه به لایه ایجاد می شود.نحوه کارکرد تکنولوژی FDM

روش FDM انتخابی ایده آل برای تولید سریع نمونه های اولیه با هزینه کم بوده و می تواند برای طیف وسیعی از کاربردها به کار گرفته شود.

اخیرا نوآوری هایی در زمینه تکنولوژی چاپ سه بعدی به روش FDM شکل گرفته است که می توان توانایی تولید محصولات نهایی که قطعات مکانیکی و الکتریکی داخل آن مونتاژ می گردند مانند هواپیماهای بدون سرنشین را نام برد. با توجه به بعضی از محدودیت ها در طراحی و مواد، پرینترهای FDM برای طراحی های خیلی پیچیده توصیه نمی گردند.

فیلامنت: ماده اصلی به کار رفته در روش FDM

ماده خام و در حقیقت مواد ورودی در دستگاه FDM را فیلامنت گویند. فیلامنت ها رشته ای از مواد خام هستند که بر روی قرقره ای پیچیده شده و جهت ایجاد لایه ها استفاده می گردند. در اینجا ما 6 عدد از پرکاربردترین و اصلی ترین فیلامنت هایی که در چاپ سه بعدی به کار می رود را از لحاظ قدرت، انعطاف پذیری  و طول عمر بررسی نموده ایم.

جنس فیلامنتکارآیی آسانقدرتانعطاف پذیریطول عمر
PLA بله
 ABS
 PETG
 Nylon
TPE,TPU,TPC
PC

پروسه پرینت سه بعدی با تکنولوژی FDM

  1. در ابتدا یک فیلامنت تروموپلاستیک در داخل پرینتر قرار داده می شود. هنگامی که نازل به دمای مطلوب رسید، فیلامنت به سر اکسترودر تغذیه شده و نازل آن را ذوب می کند.
  2. سر اکسترودر به یک سیستم 3 محور متصل شده است که اجازه حرکت در جهت های X، Y و Z را می دهد. مواد ذوب شده در رشته های نازک بیرون آمده و به صورت لایه به لایه در مکان های از پیش تعیین شده ریخته شده و خنک و سفت می گردند. گاهی اوقات عمل خنک کردن مواد از طریق به کار بردن یک فن متصل به سر اکسترودر انجام می گیرد.
  3. برای پر کردن یک ناحیه چندین پاس موردنیاز است. (مثل رنگ کردن یک مستطیل با مدادرنگی) هنگامی که یک لایه به پایان رسید، سطح ساخته شده به پایین حرکت خواهد نمود (یا در بعضی از ماشین ها با تنظیمات متفاوت، سر اکسترودر به سمت بالا حرکت می کند) و یک لایه جدید ریخته می شود و این روند تا زمانی که شکل کامل گردد تکرار می گردد.

پروسه پرینت به روش FDM

پروسه پرینت به روش FDM

پارامترهای چاپگر در تکنولوژی  FDM

بیشتر سیستم های FDM این اجازه را به شما می دهد چندین پارامتر در فرآیند شامل دمای نازل، کفه دستگاه، سرعت ساخت، ارتفاع لایه و سرعت خنک کاری فن را تنظیم و کنترل کنید. این موارد به صورت عمومی توسط اپراتور تعیین می گردد، بنابراین باید نسبت به طراح اندکی نگرانی وجود داشته باشد. از منظر طراح سه بعدی این مهم است که بتوانید اندازه قطعه و ارتفاع لایه ها را به درستی درآورید.

اندازه ساخت قابل دسترس برای یک پرینتر سه بعدی رومیزی 200 ×200×200 میلیمتر بوده، در حالی که پرینترهای صنعتی می تواند ابعادی به بزرگی 1000×1000×1000 میلیمتر تولید کنند. اگر یک پرینتر سه بعدی رومیزی را ترجیح می دهید (به عنوان مثال برای کاهش هزینه ها) یک راهکار برای ساخت یک مدل بزرگ این است که آن را به قطعات کوچکتر تقسیم کرده، قطعات کوچک را ساخته و سپس مونتاژ نمایید.

ارتفاع لایه معمولی مورد استفاده در FDM بین 50  تا 400 میکرون متغیر است که با توجه به نوع سفارش می توان آن را تغییر داد. ریختن لایه های نازک، تولید قطعات نرمتر با هندسه و منحنی دقیق را ممکن می سازد، در حالی که ریختن لایه های ضخیم باعث تولید سریعتر و ارزان تر قطعات می گردد، معمولا ارتفاع لایه 200 میکرون بیشترین کاربرد را دارد.

مزایای تکنولوژی FDM

    1.  هزینه های پایین تر نسبت به دیگر روش ها
      اکثر شرکت ها به دلیل هزینه پایین و راحتی کار روش FDM را انتخاب می کنند. در مقایسه با روش های دیگر FDM بسیار ارزان است و همین امر باعث پرکاربرد بودن این روش می گردد، زیرا برای شرکت ها بسیار حائز اهمیت است که بدانند تولید با استفاده از تکنولوژی پرینت سه بعدی نسبت به روش سنتی بسیار ارزان تر است. پودری که در روش های پرینت SLS و ماده ای که در روش SLA به کار می رود بسیار گران بوده، در مقابل موادی که در روش FDM استفاده می شوند (فلامینت ها) هزینه ها بسیار پایین تری دارند. به همین دلیل روش FDM برای بسیاری از مشتری ها جذاب تر است.
    2.  محدوده وسیع در مواد
      از آنجا که دامنه فلامینت ها بسیار گسترده است، شرکت ها می توانند مواد را به راحتی و با هزینه کم تغییر دهند. همچنین این قابلیت وجود دارد که به صورت همزمان بسیاری از جنس ها را چاپ نمایند که این امر چاپ پیچیده ترین مدل ها را ممکن می سازد، همچنین چاپ با رنگ های مختلف امکان پذیر است.مواد مورد استفاده در FDM
    3. امکان دسترسی

بر اساس آخرین آمارها تکنولوژی FDM بسیار بیشتر از سایر تکنیک های چاپ سه بعدی قابل دسترس است. آمارها نشان می دهد که مردم تمایل دارند این تکنیک را به سرعت انتخاب و به آسانی به خروجی برسند. این موضوع باعث می شود تکنولوژی FDM برای شرکت هایی که تجربه چاپ سه بعدی کم یا تجربه کمی در تولید داشته جذاب باشد، همچنین شرکت هایی که قبلا  تکنولوژی FDM را به کاربرده اند مجددا تمایل دارند از آن استفاده نمایند.

امکان دسترسی به تکنولوژی FDM

انواع دستگاه های FDM از لحاظ مکانیزم حرکتی

دستگاه های پرینتر سه بعدی FDM همانند تمامی ماشین آلات CNC صنعتی بر پایه حرکت دقیق و کنترل شده سر دستگاه در فضاهای 2 یا سه بعدی کار می کنند، در حال حاضر چهار نوع چاپگر FDM از لحاظ مکانیزم حرکتی وجود دارد: 1- کارتزین 2- دلتا 3- پولار 4- اسکارا

انواع سیستم های مختصاتی در روش FDM

1- کارتزین (Cartesian)

پرینتر FDM با سیستم کارتزین

چاپگرهای سه بعدی کارتزین رایج ترین و محبوبترین نوع از چاپگرهای FDM در بازار می باشند. این تکنولوژی بر اساس سیستم مختصات دکارتی در ریاضیات کار کرده به این صورت که برای تعیین موقعیت و مسیر چاپ درست، سر پرینتر را در سه جهت X، Y و Z  به صورت خطی جابجا می نماید. چاپگرهای سه بعدی کارتزین برای رسیدن به مختصات های مختلف X و Yو Z خود را به صورت هماهنگ در جهت های جلو، عقب، چپ و راست حرکت می دهند.

سیستم کارتزین در روش FDM

پرینتر سه بعدی FDM کارتزین

2- دلتا (Delta)

پرینترهای دلتا نیز از سیستم مختصاتی کارتزین استفاده نموده با این تفاوت که سیستم نگه داشتن بازوها کاملا متفاوت است. این دسته از چاپگرها بسیار جذاب به نظر آمده اما هدف تولیدشان این امر نمی باشد، در مدل های دلتا صفحه اصلی دستگاه معمولا دایره ای یا اشکالی مشابه دایره داشته، اکسترودر در مرکز 3 بازو به صورت معلق قرار گرفته و بر روی صفحه چاپ به صورت مثلثی حرکت می نماید. سیستم دلتا حاوی تعدادی لولا بوده و بازوها بر روی ریل ها حرکت نموده و این اجازه را به سرپرینتر داده تا در موقعیت های چاپ مناسب قرار گیرد. یکی از اهداف اصلی مهندسان برای تولید چاپگرهای سه بعدی دلتا، افزایش سرعت در چاپ سه بعدی است همچنین به عنوان یک مزیت صفحه اصلی دستگاه در روش دلتا هیچ گونه حرکتی ندارد.

مقایسه روش دلتا و کارتزین در پرینترهای سه بعدی به روش FDM

سریع بودن چاپگرهای دلتا، منجر به کاهش کیفیت چاپ آن ها می شود.  همان طور که می توانید تصور کنید حفظ ثبات بازوها نسبت به سیستم کارتزین بسیار دشوارتر است، البته پیشرفت این تکنولوژی این خلاء را تا حدی از بین برده است.

3- پولار (Polar)

سیستم Polar

اگر به دلایلی سیستم کارتزین را دوست ندارید، گزینه دیگری وجود دارد و آن سیستم مختصاتی پولار است. چاپگرهای Polar از یک شبکه دایره ای برای تعریف سیستم مختصاتی استفاده می کنند.

سیستم پولار

اساسا در این دسته از پرینترها سر پرینتر رو به جلو و عقب حرکت نموده که باعث پایداری بسیار خوب پرینتر شده، بازوی دستگاه به سمت بالا و پایین و همچنین دایره (صفحه اصلی دستگاه) در جهت ساعتگرد و پات ساعتگرد دوران  می کند.

سیستم پولار در پرینتر سه بعدی

سیستم پرینترهای پولار یک سیستم جذاب بوده که دارای کیفیت مناسب، تنظیم و استفاده آسان و کاملا بی صدا است. جالب توجه است که سیستم سه بعدی پولار مورد توجه مدارس و مبتدیان است.

پرینترهای سه بعدی Polar

4- اسکارا (Scara)

پرینترهای اسکارا

Scara مخفف عبارت (Selective Compliance Assemble) به معنی بازوی ربات مونتاژ سازگار انتخابی می باشد. دستگاه های اسکارا جالب توجه و تماشایی هستند و ویدیوهایی که از ربات های بزرگ در کارخانه ها مشاهده نمودید را در ذهن شما تداعی می کند.

سیستم اسکارا در تکنولوژی FDM

نیاز به تحقیق و کار بیشتری در زمینه Scara وجود دارد، اما به نظر می رسد دقیق و بسیار مفید در ایجاد اشیاء سه بعدی پیچده هستند. اسکارا به دلیل زمان کم جهت توسعه و هزینه های بالای این روش به اندازه کارتزین پیش نرفته البته پیش بینی می گردد این روال را در آینده تغییر دهد.

پرینتر اسکارا

چسبندگی لایه ها در روشFDM

چسبندگی خوب بین لایه های ریخته شده برای بخش FDM بسیار مهم است. زمانی که ترموپلاستیک ذوب شده از نازل بیرون می آید، بر روی لایه قبلی فشرده می شود. دمای بالا و فشار  باعث ذوب مجدد سطح لایه قبلی گردیده و اتصال لایه جدید با بخش هایی که قبلا چاپ شده را ممکن می سازد.

میزان اتصال بین لایه های مختلف همیشه کمتر از استحکام پایه مواد است و این امر بدان معنی است که قطعات FDM ذاتا ناهمسان هستند، مقاومت آن ها در جهت محور Z همیشه کمتر از صفحه XY است. به همین دلیل، بسیار حائز اهمیت است که هنگام طراحی برای FDM به جهتی که به قطعات نیرو وارد می شود و اینکه کدام جزئیات در قطعه برای ما حائز اهمیت است توجه کنیم.

نحوه وارد شدن تنش در قطعات FDM

به عنوان مثال تست کشش بر روی قطعات پرینت شده افقی با جنس ABS  با میزان پرشدگی 50% نشانگر این امر بود که قطعاتی به صورت عمودی چاپ شده مقاومت کششی بیشتری در جهت X، Y در مقایسه با جهت Z دارند (17 مگاپاسکال در برابر 4/4 مگاپاسکال) حدودا 4 برابر بیشتر، همچنین مقاومت قطعه در برابر شکست نیز حدودا 10 برابر بیشتر بود. (8/4 درصد در مقابل 5/0 درصد).

علاوه بر موارد مذکور، از آنجا که لایه مذاب نسبت به لایه قبلی فشرده شده و روی آن قرار می گیرد، شکل آن به بیضی تغییر شکل داده می شود، این بدین معنی است که قطعات FDM همیشه دارای سطح موج دار هستند. حتی برای لایه های با ارتفاع کم و مشخصه های کوچک همچون سوراخ های کوچک و رزوه های کوچک نیز ممکن است پس از چاپ نیاز به عملیات بعد از تولید وجود داشته باشد.

قوس دار بودن لایه ها در روش FDM

ساخت ساپورت ها در تکنولوژی FDM

در روش FDM ساخت ساپورت برای به وجود آوردن برآمدگی  هندسی شکل الزامی است، ترموپلاستیک ذوب شده نمی تواند روی هوا ریخته شود به همین دلیل برای دستیابی به بعضی از اشکال وجود ساپورت الزامی است. سطوح چاپ شده بر روی ساپورت معمولا کیفیت پایینتری نسبت به بقیه بخش ها دارند، به همین دلیل به شدت توصیه می گردد که طراحی به صورتی انجام گیرد که نیاز به ساپورت را به حداقل برساند.

ساپورت گذاری در روش FDM

ساپورت گذاری در تکنولوژی FDM

ساپورت ها معمولا با جنس یکسان نسبت به قطعه چاپ می گردند. مواد ساپورت که در مایع حل می شوند نیز وجود دارند، اما آنها به طور عمده در پرینترهای سطح بالای رومیزی یا صنعتی FDM به کار می روند. چاپ بر روی پشتیبان های قابل حل به طور قابل توجهی کیفیت سطح قطعه را افزایش می دهد، اما هزینه کلی چاپ را بسیار بالا می برد و با ماشین تخصصی با قابلیت (اکستروژن دو گانه) به کار می رود و به دلیل استفاده از مواد قابل حل شدن هزینه نسبتا بالایی دارد.

پرکننده میانی و ضخامت پوسته در تکنولوژی FDM

برای کاهش هزینه ها  و صرفه جویی در مواد، قطعات FDM معمولا به صورت یکپارچه تولید نمی گردند. به این صورت که محیط بیرونی با استفاده از چندین مرحله ایجاد می گردد که پوسته نامیده می شود و داخل با یک ماده با ساختار کم تراکم پر گردیده، که به آن پرکننده میانی گویند.

پرکننده میانی و ضخامت پوسته ها به شدت بر روی استحکام قطعه تاثیر می گذارد. برای پرینترهای FDM رومیزی، به صورت پیش فرض میزان تراکم برای پرکننده میانی 25 درصد، و ضخامت پوسته 1 میلیمتر است، که توازن و سازش خوبی بین قدرت و سرعت برای چاپ سریع فراهم می نماید.

پرکننده میانی در روش FDM

عملیات پس از تولید در تکنولوژی FDM

قطعات تولید شده به روش FDM را می توان با استفاده از روش هایی مختلف مانند پولیش، سنباده زدن، رنگ کردن، جوشکاری سرد، پوشش اپوکسی، پوشش فلزی و صاف کردن با بخار استون  به یک استاندارد بسیار بالا از لحاظ کیفیت ابعادی و هندسی رساند.

قطعات پولیش شده در روش FDM

قطعات پولیش شده با بخار استون

مقالات مرتبط

خدمات و مشاوره رایگان

021-88726992