آشنایی با متداول و پرکاربردترین روش پرینت سه بعدی (FDM)

به تصویر زیر نگاه کنید. در این تصویر روش‌های اصلی پرینت سه بعدی در دنیا نمایش داده شده‌اند که یکی از آنها روش پرینت سه بعدی با FDM است.

FDM چیست؟

اف دی ام (FDM) مخفف عبارت Fused Deposition Modeling و به اصطلاح یک فرآیند و روش تولید مواد، بصورت افزودنی است که به خانواده‌ی اکسترودرها تعلق دارد.

- اکسترودر Extruder ماشینی است که آمیزه لاستیکی و پلاستیکی را ذوب کرده و به آن نیرو وارد ساخته تا با فشار در انتهای دستگاه، از میان یک قالب، عبور نموده و محصولی به شکل پیوسته شکل با سطح مقطع خاص تولید نماید.

 در پرینت سه بعدی با روش FDM یک شی با ذوب شدن مواد از طریق اکسترودر و به صورت لایه به لایه ساخته می شود. مواد استفاده شده در این روش، از پلیمرهای قابل ارتجاع بوده و به صورت رشته ای شکل می گیرند.

همانطور که گفته شد پرینت سه بعدی با FDM پرکاربردترین روش در حوزه چاپ سه بعدی و بزرگترین بستر فعلی چاپگرهای سه بعدی در سطح جهان است. بنابراین طبیعی است که انتخاب اول مردم برای چاپ و پرینت مدل های خود از این طریق باشد. در ادامه با اصول اساسی و جنبه های اصلی این فناوری آشنا می‌شویم:

 پرینتر سه بعدی FDM چگونه کار می‌کند؟

در این قسمت به توضیح نحوه‌ی عملکرد فرآیند ساخت و تولید یک مدل سه بعدی با روش FDM می‌پردازیم:

1. ابتدا یک رشته از فیلامنت (ماده تولید شی سه بعدی) در چاپگر سه بعدی بارگذاری می شود. پس از رسیدن نازل به دمای مورد نظر، رشته به سر اکستروژن و در نازلِ قسمتی که ذوب می شود، تغذیه می شود.
2. سر اکستروژن به یک سیستم سه محوره وصل شده است که اجازه می دهد تا در جهت های X, Y و Z حرکت کند. ماده ذوب شده از اکسترودر به صورت رشته های نازک و لایه به لایه در مکان های از پیش تعیین شده تزریق شده و سرد می‌شود. البته بعضی اوقات با استفاده از فن‌های خنک کننده‌ی متصل به سر اکستروژن، سرمایش مواد سریع‌تر انجام می شود.
3. برای پر کردن یک سطح (برای مثال گوشته یک دیواره) نازل باید چندین بار حرکت کند (شبیه به رنگ کردن مستطیل با نشانگر). پس از اتمام یک لایه بستر یا صفحه ای که مدل سه بعدی روی آن ساخته می شود به پایین (یا در سایر دستگاه‌های نصب شده، سر اکستروژن به بالا) حرکت می کند و لایه بعدی را پرینت می‌کند. این روند تا زمانی که مدل کامل شود ادامه پیدا می کند.

 مشخصات پرینتر سه بعدی FDM

 پارامتر های چاپگر

اکثر دستگاه های پرینت سه بعدی اف دی ام، امکان تنظیم چندین پارامتر مربوط به چاپ، از جمله دمای هر نازل و سکوی ساخت، سرعت ساخت، ارتفاع لایه و سرعت فن خنک کننده را فراهم می‌کنند. اینها معمولا توسط اپراتور تنظیم می‌شود، بنابراین مهم است که مورد توجه قرار بگیرند.

 آنچه از نظر یک طراح مهم است، اندازه ساختمان و ارتفاع لایه است:

اندازه پرینت اکثر چاپگر های رو میزی ۲۰۰ در ۲۰۰ در ۲۰۰ میلی‌متر است در حالیکه برای چاپگر های صنعتی، این اندازه می‌تواند به ۱۰۰۰ در ۱۰۰۰ در ۱۰۰۰ میلی‌متر باشد. اگر برای کاهش هزینه، چاپگر سهه بعدی رومیزی ترجیح داده شود یک مدل بزرگ می تواند به قسمت‌های کوچک‌تر برش داده شود و بعد از فرآیند پرینت به هم متصل شوند.

ارتفاع لایه گذاری مورد استفاده در FDM بین ۵۰ تا ۳۰۰ میکرون متغیر است. ارتفاع لایه کمتر، قطعات با کیفیت تری تولید می کند و اشکال خمیده و قوس دار را با دقت بیشتری پرینت می‌کند. در حالیکه کیفیت پایین‌تر، قطعات را سریعتر و با هزینه کمتری تولید می‌کند. ارتفاع لایه 200 میکرون بیشتر استفاده می شود.

پیچ و تاب در قطعات سه بعدی چاپ شده

پیچ و تاب، یکی از رایج‌ترین نقایص در پرینت سه بعدی به روش اف دی ام (FDM) است. هنگامی که مواد تزریق شده سرد می‌شوند، ابعاد آن کاهش می‌یابد. از آنجا که قسمت‌های مختلف مدل، با سرعت‌های مختلف سرد می‌شوند، ابعاد انها نیز با سرعت‌های مختلف تغییر می‌کند.

البته طراح می‌تواندبا روش‌های زیر احتمال پیچ‌خوردگی در پرینت سه بعدی به روش FDM را کاهش دهد:

1. مناطق مسطح بزرگ (به جعبه مستطیل فکر کنید) بیشتر مستعد پیچ خوردن هستند و در صورت امکان باید از آنها جلوگیری کرد.
2. زبانه های بیرون زده نازک نیز مستعد پیچ خوردن هستند. در این حالت می‌توان با افزایش لبه یا زبانه، سطح مقطع آن را افزایش داد و از این مشکل جلوگیری کرد. به زبان ساده، آن زبانه را تا حدی بزرگ کرد که پرینتر سه بعدی، آن را به راحتی پرینت کند.
3. گوشه‌های تیز بیشتر از شکل‌های گرد پیچ و تاب می خورند، بنابراین اضافه کردن فیلت (قوس) به طراحی شما کمک می‌کند. البته فراموش نشود که پرینتر سه بعدی به راحتی می تواند گوشه‌های تیز را پرینت کند. این راه کار برای شرایط خاص و موارد خاص است.
4. مقدار پیچش در هر ماده و متریالی متفاوت است. به طور مثال در فیلامنت ABS به دلیل دمای بالای ذوب و ضریب انبساط حرارتی زیاد، نسبت به مواد دیگر حساس‌تر است.

 چسبندگی لایه ها در پرینت سه بعدی به روش FDM

 چسبندگی مناسب و خوبِ بین لایه‌های یک قطعه در حال پرینت سه بعدی بسیار مهم است. وقتی مواد ذوب شده از طریق نازل خارج می شوند، بر روی لایه قبلی فشرده می شوند. درجه حرارت بالا و فشار مجدد بر روی لایه قبلی باعث اتصال دو لایه به هم می شود. استحکام پیوند بین لایه‌های مختلف، همیشه پایین‌تر از مقاومت مواد پایه است. این بدان معنی است که اجزای اف دی ام (FDM) ذاتاً ناهمسان (anisotropic) هستند و استحکام آنها در محور Z هممیشه کمتر از دو محور دیگر است. به همین دلیل مهم است که هنگام طراحی قطعات بصورت سه بعدی، جهت پرینت مهم باشد.

برای درک بهتر موضوع یک مثال می‌زنیم. به عنوان مثال: برای پرینت سه بعدی یک قطعه تحت فشار، باید جهت پرینت لایه‌ها مد نظر قرار گیرد. بطوری‌که فشار وارده بر قطعه عمود بر جهت لایه گذاری‌ها باشد تا لایه‌ها از هم جدا نشوند. علاوه بر این، از آنجا که مواد ذوب شده بر روی لایه قبلی فشرده می‌شود، شکل آن به بیضی تغییر شکل می‌یابد. این بدان معنی است که همیشه اجسام پرینت شده بصورت سه بعدی، دارای سطح موج دار هستند و ممکن است نیاز به پرداخت بعد از چاپ داشته باشند.

 البته لازم به ذکر است که لایه ها معمولا با چشم غیر مسلح قابل دیدن نیستند مگر قطعاتی که با کیفیت لایه های بسیار پایین ساخته شده باشند.

ساختار ساپورت

وجود ساپورت برای پرینت سه بعدی نواحی دارای شیب منفی ضروری است. نواحی دارای شیب و قسمت هایی که از کف ارتفاع دارند را نمی‌توان بدون ساپورت پرینت کرد، به همین دلیل برخی از اشکال به ساپورت احتیاج دارند. سطوح چاپ شده سه بعدی بر روی ساپورت، نسبت به بقیه قسمت‌ها از کیفیت پایین‌تری برخوردار خواهند بود. به همین دلیل توصیه می‌شود که قطعات به گونه‌ای طراحی شوند تا نیاز به پرینت ساپورت به حداقل برسد. جنس ساپورت‌ها معمولاً با متریال قطعه یکی است. متریالی که در حلال هستند نیز وجود دارد، اما آنها عمدتاً در چاپگرهای سه بعدی رومیزی پیشرفته و صنعتی استفاده می شوند. پرینت قطعات با متریال ساپورت قابل حل، کیفیت سطح قطعه را به میزان قابل توجهی بهبود می‌بخشد، اما هزینه کلی چاپ سه بعدی را افزایش می دهد، زیرا ماشین مخصوص (با اکستروژن دوتایی) لازم است و به خاطر اینکه هزینه مواد حل شونده نسبتاً زیاد است.

 پرشوندگی و ضخامت دیواره ها

قطعات پرینت شده سه بعدی، معمولا برای کاهش زمان چاپ و صرفه جویی در هزینه، معمولا تو پُر پرینت نمی‌شوند. در عوض گوشته‌ی کار، می‌تواند از صفر تا صد درصد توخالی یا تو پر باشد. ضخامت دیواره و پرشوندگی، تا حد زیادی در مقاومت یک قطعه پرینت شده بصورت سه بعدی تاثیر دارد. معمولا قطعاتی که فشار و سختی قابل توجهی را تحمل نمی‌کنند، درصد پرشوندگی بین ۱۰ تا ۱۵ درصد تنظیم می‌شود. این کار سبب صرفه جویی در هزینه و زمان پرینت سه بعدی می‌گردد. در عوض برای قطعاتی که تحت فشار قرار می‌گیرند این در صد بین ۷۰ تا ۱۰۰ است.

مواد رایج در پرینت سه بعدی به روش FDM

یکی از نقاط قوت پرینت سه بعدی با روش FDM، وجود طیف گسترده‌ای از مواد یا فیلامنت‌هاست است. این طیف در محدوده مواد ترموپلاستیک مثل ABS و PLA تا تا مواد خاص و مهندسی مثل TPU و PETG را شامل می شود. به هرم مواد ترموپلاستیک زیر نگاه کنید:

مزایا و محدودیت‌های پرینت سه بعدی به روش FDM

مزایا و معایب اصلی پرینت سه بعدی با فناوری FDM بصورت خلاصه وار در ادامه ذکر می‌کنیم:

مزیت‌های FDM

• این فناوری می‌تواند به عنوان یک مرحله قبل از قالب گیری کاربرد داشته باشد به طوری که با پرینت یک قطعه بصورت سه بعدی می‌توان به نقاط ضعف معایب و خطاهای طراحی قطعه پی برد و آنها را اصلاح کرد.
• مقرون به صرفه ترین روش برای تولید قطعات و نمونه های اولیه ترموپلاستیک در پرینت سه بعدی، همین روش (FDM) است.
• صرف زمان برای پرینت سه بعدی یک قطعه کم است. به دلیل در دسترس بودن این فناوری شما می‌توانید قطعه خود را در همان روز تحویل بگیرید.
• طیف گسترده ای از مواد و متریال ترموپلاستیک که مناسب برای نمونه و قطعه سازی است در این روش پرینت سه بعدی (FDM) موجود است.

محدودیت‌های FDM

•  فناوری پرینت سه بعدی به روش FDM دقت کمتری را در مقایسه با سایر فناوری‌های چاپ سه بعدی دارد (مثل قالب تزریق و ...)، بنابراین برای قطعات با جزئیات پیچیده مناسب نیست.
• قطعات سه بعدی پرینت شده توسط فناوری FDM احتمالاً خطوط لایه قابل مشاهده‌ای دارند، بنابراین پردازش و پرداخت برای رسیدن به یک سطح صاف لازم است.