محصولات پرینت سه بعدی با چه موادی ساخته می شوند؟

پرینت سه بعدی FDM چیست و چه ویژگی هایی دارد ؟

در این مقدمه ای برای پرینت سه بعدی FDM ما اصول اساسی این روند را پوشش می دهیم که برای طراحان و مهندسان مفید است. پس از خواندن این مقاله شما می دانید که چگونه از FDM به طور موثر در برنامه های خود استفاده کنید

FDM چیست؟

پرینت سه بعدی FDM

پرینت سه بعدی FDM

پرینت سه بعدی FDM یک فرایند تولید افزودنی است که متعلق به خانواده اکستروژن است.در FDM، یک شی از طریق انتخابی رسوب مواد مذاب در یک مسیر از پیش تعیین شده به صورت لایه لایه ساخته می شود . مواد مورد استفاده پلیمرهای ترموپلاستیک هستند و در یک فرم رشته آی هستند .

FDM تکنولوژی چاپ سه بعدی است که به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرد: این بزرگترین پایه نصب چاپگرهای سه بعدی در سطح جهان است و اغلب اولین تکنولوژی هایی است که افراد در معرض آن قرار دارند.

در این مقاله، اصول اساسی و جنبه های کلیدی فناوری ارائه شده است.طراح باید در هنگام طراحی یک بخش با FDM، قابلیت ها و محدودیت های تکنولوژی را در نظر بگیرد، زیرا این امر به او در رسیدن به بهترین نتیجه کمک می کند.

پرینت سه بعدی FDM

پرینت سه بعدی FDM

FDM چگونه کار می کند؟

در اینجا توضیح می دهیم که چگونه پرینت سه بعدی FDM کار می کند:

یک رول از فیلامنت ترموپلاستیک اولین بار در چاپگر بارگذاری می شود.هنگامی که نازل به دمای مورد نظر رسید، فیلامنت به سر اکستروژن و نازل که در آن ذوب می شود تغذیه می شود.سر اکستروژن به یک سیستم ۳ محوره متصل شده است که اجازه حرکت در جهت X، Y و Z را می دهد.مواد ذوب شده در رشته های نازک اکسترود شده و در لایه های بتنی در مکان های پیشین قرار می گیرند، جایی که سرد و خنک می شوند. گاهی اوقات خنک کننده مواد از طریق استفاده از فن های خنک کننده به سر اکستروژن متصل می شود.

برای پر کردن یک منطقه، چند گذر مورد نیاز است (مثل رنگ آمیزی یک مستطیل با نشانگر). هنگامی که یک لایه به پایان رسید، پلت فرم ساخت حرکت می کند (یا در سایر تنظیمات ماشین، سر اکستروژن حرکت می کند) و یک لایه جدید ساخته می شود. این روند تا زمانیکه بخش کامل شود تکرار می شود.

 

ویژگی های پرینت سه بعدی FDM:

پرینت سه بعدی FDM

پرینت سه بعدی FDM

پارامترهای پرینتر :

بیشتر سیستم های FDM اجازه تنظیم چند پارامتر فرآیند، از جمله دمای هر دو نازل و پلت فرم ساخت، سرعت ساخت، ارتفاع لایه و سرعت فن خنک کنندهرا می دهد. این معمولا توسط اپراتور تعیین می شود.

از منظر طراح مهم است که اندازه و ارتفاع لایه را ایجاد کنید:

اندازه ساخت موجود برای یک پرینتر سه بعدی رومیزی معمولا ۲۰۰ × ۲۰۰ × ۲۰۰ میلی متر است، در حالی که برای دستگاه های صنعتی این می تواند ۱۰۰۰ × ۱۰۰۰ × ۱۰۰۰ میلی متر باشد.اگر یک رایانه رومیزی ترجیح داده شود (به عنوان مثال برای کاهش هزینه) یک مدل بزرگ را می توان به قطعات کوچکتر تقسیم کرد و سپس آن را مونتاژ کرد.ارتفاع لایه معمولی مورد استفاده در FDM بین ۵۰ تا ۴۰۰ میکرون متغیر است و می توان با قرار دادن سفارش مشخص کرد. یک لایه کوچکتر تولید قطعات نرمتر را انجام می دهد و هندسه های منحنی را دقیق تر می کند، در حالی که ارتفاع بزرگتر قطعات را سریعتر و ارزان تر تولید می کند.ارتفاع لایه ای ۲۰۰ میکرون بیشترین کاربرد را دارد.

جمع شدگی(Warping) :

جمع شدن یکی از شایع ترین نقص در FDM است. هنگامی که مواد اکسترود شده در طی خنک شدن سرد می شوند، ابعاد آن کاهش می یابد.به عنوان بخش های مختلف چاپ سرد با نرخ های مختلف، ابعاد آنها نیز با سرعت های مختلف تغییر می کنند.خنک کننده ایجاد پیچ و تاب می شود. همانطور که در شکل زیر دیده می شود. از دیدگاه تکنولوژی، نظارت دقیق تر بر روی دمای سیستم FDM ممکن است مانع این مشکل شود.

انتخاب طراح همچنین می تواند احتمال warping را کاهش دهد:

  • مساحتهای مسطح بزرگ (به یک جعبه مستطیلی فکر کنید) بیشتر در معرض انحراف هستند و باید از آنها اجتناب شود.
  • مواد مختلف حساس به warping هستند: ABS به طور کلی نسبت به warping نسبت به PLA یا PETG ، به دلیل دمای بالای انتقال شیشه و نسبت ضریب انبساط حرارتی نسبتا بالا حساس تر است.

 

 

پرینت سه بعدی FDM

پرینت سه بعدی FDM

 

چسبندگی لایه ها :

چسبندگی خوب بین لایه های رسوب شده برای بخش FDM بسیار مهم است. هنگامی که ترموپلاستیک ریخته گری از طریق نازل اکسترود شده است، در برابر لایه قبلی فشار داده می شود. دمای بالا و فشار دوباره ٍٍٍٍ، از لایه قبلی را ذوب می کند و اتصال لایه جدید را با بخش های قبلی چاپ می کند.

استحکام باند بین لایه های مختلف همیشه کمتر از استحکام پایه مواد است.

این به این معنی است که قطعات FDM ذاتا بی نظیر هستند: قدرت آنها در محور Z همیشه کمتر از قدرت آنها در سطح XY است. به همین دلیل، هنگام طراحی قطعات برای FDM مهم است که جهت گیری ذهن  را در نظر بگیرید.

 

سازه ی ساپورت :

ساختار پشتیبانی برای ایجاد geomentries با overhangs در FDM ضروری است. ترموپلاستی ذوب نمی تواند در هوای نازک سپرده شود.به همین دلیل، برخی هندسه ها نیاز به ساپورت دارند .سطوح چاپ شده بر روی ساپورت ها معمولا کیفیت پایین تر نسبت به بقیه بخش را دارند. به همین دلیل، توصیه می شود که قسمت به طوری طراحی شده باشد که نیازبه ساپورت گذاری را به حداقل برساند.

پشتیبانی معمولا با همان مواد  چاپ می شود.مواد ساپورت هایی که در مایع حل می شوند نیز وجود دارد، اما آنها به طور عمده در پرینترهای رومیزیرده بالا  یا  پرینترهای صنعتی FDM استفاده می شوند.چاپ بر رویساپورت های قابل حل، به طور قابل ملاحظه ای سطح کولیت بخش را بهبود می بخشد، اما هزینه کلی یک چاپ را افزایش می دهد، زیرا ماشین متخصص (با اکستروژن دوگانه) مورد نیاز است و هزینه مواد قابل جدا شدن نسبتا بالا است.

مواد FDM معمولی:

یکی از نقاط قوت FDM طیف گسترده ای از مواد موجود است. این می تواند از ترموپلاستیک های کالایی (مانند PLA و ABS)، مواد مهندسی (مانند PA، TPU و PETG) و ترموپلاستیک های با کارایی بالا (مانند PEEK و PEI) باشد.

 

مواد مورد استفاده بر خواص مکانیکی و دقت بخش چاپ شده، و حتی قیمت آن نیز تاثیر می گذارد.

 

مزایا و محدودیت های FDM

مزایا و معایب کلیدی تکنولوژی در زیر خلاصه شده است:

  • FDM ارزان ترین روش ساخت قطعات و نمونه های ترموپلاستیک سفارشی است.
  • زمان ساخت FDM به علت قابلیت دسترسی بالای این تکنولوژی کوتاه است.
  • FDM دارای کمترین دقت ابعاد و رزولوشن نسبت به سایر تکنولوژی های چاپ سه بعدی است، بنابراین برای قطعات با جزئیات پیچیده مناسب نیست
  • قطعات FDM به احتمال زیاد دارای خطوط لایه قابل مشاهده هستند، بنابراین پس از پردازش نیاز به صافکردن دارند.
  • مکانیزم چسبندگی لایه قطعات FDM را ذاتا بی نظیر میسازد.

 

نکات مهم :

  1. FDM می تواند نمونه ها و اجزای عملکردی را سریع و با قیمت پایین از طیف وسیعی از مواد ترموپلاستی تولید کند.
  2. اندازه معمولی پرینتر سه بعدی FDM  رومیزی ۲۰۰ x 200 x 200 میلی متر است. ماشین آلات صنعتی دارای اندازه ساختاری بزرگتر هستند.
  3. FDM  برای اجزای مهم مکانیکی توصیه نمی شود.
  4. برای جلوگیری از پاره شدن، از مناطق مسطح بزرگ استفاده کنید و فیله ها را در گوشه های تیز اضافه کنید.

 

ماهواره پرینت سه بعدی شده با متریال PEEK | دانشمندان آژانس فضایی اروپا اقدام به ساخت ماهواره پرینت سه بعدی PEEK CUBESATS کردند

  ماهواره پرینت سه بعدی شده | آژانس فضایی اروپا (ESA)  بدنه ماهواره جدید خود یعنی PEEK CubeSats را با پلاستیک رسانای الکتریسیته طراحی کرده است. در اولین آزمایش رسمی ESA قصد دارد تا این ماهواره های کوچک مینیاتوری پرینت سه بعدی شده را با تمامی مدارات الکتریکی تحت توسعه برای استفاده در آینده آماده کند .

پنل های خورشیدی و تخته مدار و ابزار ها به راحتی قابلیت تعبیه در بدنه پرینت شده را دارند.

به طور خاص با تمرکز بر پرینت سه بعدی پلی اتر کتون ( یا PEEK ) ، آژآنس فضایی به سمت آینده روشنی نگاه می کند. PEEK  یک ترموپلاستیک با خواص ذاتی بسیار مطلوب است که از لحاظ مقاومت گرمایی با نقطه ذوب ۳۷۰ درجه سلسیوس و پایداری و قدرت تحمل بالا  بسیار خوب عمل کرده است و به گفته اوگو لافونت کارشناس مواد فضایی و تکنولوژی ESA حتی می تواند با بخش های فلزی مقایسه شود و در آینده رقابت کند.

 

ESA اخیرا یک همکاری جدید با مهندس پلیمر پرتغالی شرکت PIEP برای این پروژه آغاز کرده است. یکی از نتایج اخیر این همکاری PEEK قابل پرینتی بوده که از لحاظ الکتریکی با اضافه کردن نانو ذرات خاصی به مواد ایجاد شده است. در حالی که این نخستین بار است که از چنین تکنولوژی استفاده می شود Lafont می گوید : “پلاستیک همیشه یک ماده ویژه ای برای تولید انبوه است” . لافون یادآور می شود : ” این نوع سفارشی سازی تا زمانی که صنعت پلاستیک وجود داشته است صورت گرفته است. ”

 

 

 

 

پلاستیک با مواد مختلف مخلوط شده است تا خواص آنها را به صورت دلخواه خیاطی کرده و آنها را به گونه ای مقاوم تر نشان دهد. فیلامنت  ‘doped’ peek اکنون ماده استاندارد این کار در چاپ سه بعدی مدل است.

در یک نمایش اولیه لافونت و استفان سیاروف از دانشگاه Delft : نانوماهواره  های ارزان قیمت بر اساس بورد های صنعتی قابل انعطاف در جعبه های واحد ۱۰ سانت قرار گرفتند. در حالی که CubeSats برای اولین بار با هدف آموزشی توسعه یافت در سال های اخیر این مدل ماهواره ها به طور فزاینده در مدار استفاده می شوند. این ماهواره اگرچه مراحل آخر تست را پشت سر می گذارد و هنوز آماده پرواز در فضا نیست اما ایده های چاپ سه بعدی آن بسیار کاربردی خواهد بود.

این CubeSats تخصصی شامل خطوط هدایت الکتریکی به جای سیم برای اتصال زیرسیستم های ختلف است که زمان، هزینه ، انرژی و ریسک های خاصی را از بین می برد.

 

همان طور که لافونت اشاره می کند CubeSats تنها آغاز این ماجراست که PEEK پرینت سه بعدی شده  چه پتانسیل ها و ممکن هایی را در ماهواره پرینت سه بعدی شده مذکور به وجود می آورد. به نظر می رسد قدم بعدی همکاری جدید اداره هواشناسی و اکتشافات رادیو اکتیور ESA و تیم حوزه مواد شیمی – فیزیک باشد که چاپگر optimize شده و بهینه را برای پرینت PEEK توسعه دهند. این چاپگر های سه بعدی پس از آزمایش اولیه پرواز در نهایت به فضانوردان استگاه فضایی بین المللی خدمت خواهد کرد.

لافونت ادعا دارد ” خدمه ایستگاه فضایی نیارمند اقلامی است که در حال حاضر نیاز به حمل و نقل از زمین دارند : همه چیز از پیچ ها و دریچه های آب تا ظرف غیر قابل نفوذ  و . . . بسیاری از این موارد می تواند با PEEK چاپ شوند!

“چاپ سه بعدی چنین مواردی در مدار ارزان تر خواهد بود و معادله قابل بازیافت را تغییر خواهد داد. از آنجا که این آیتم های پلاستیکی بعدا می توانند بازیافت شوند، کمبود مواد را در فضا کاهش می دهیم و شروع به انجام مأموریت های انسانی به فضا بیشتر می کنیم. ”