پرینت سه بعدی FDM: [تاریخچه، نحوه کارکرد، مقایسه و پیشنهاد خرید دستگاه]

مدل‌سازی رسوب ذوب‌شده یا FDM، روشی برای تولید افزایشی (چاپ سه‌بعدی) است که در آن مواد از طریق یک نازل خارج و به هم متصل می‌شوند تا اشیاء سه‌بعدی ایجاد شوند.

بنابراین، یک چاپگر سه بعدی FDM معمولی، رشته‌ای مبتنی بر پلیمر را می‌گیرد و آن را از طریق یک نازل گرم شده وارد می‌کند، پس از ذوب مواد آن‌ را در لایه‌های دوبعدی روی پلتفرم ساخت می‌گذارد. در حالی که هنوز گرم هستند، این لایه ها با یکدیگر ترکیب می شوند تا در نهایت یک قسمت سه بعدی ایجاد کنند.

به طور کلی، FDM به عنوان ساده‌ترین راه برای چاپ سه‌بعدی شناخته شده است. این روش دسترسی‌پذیر، نسبتاً کارآمد و بسیار محبوب است. چاپگرهای FDM بازار چاپ سه‌بعدی را تسخیر کرده‌اند، زیرا به طرز قابل توجهی ساده‌تر از چاپ سه‌بعدی رزین و به مراتب ارزان‌تر از روش‌های مبتنی بر پودر مانند تف‌جوشی لیزری انتخابی (SLS) هستند.

در این مقاله، ما به بررسی این فرآیند مشهور چاپ سه‌بعدی می‌پردازیم و جزئیات آن، امکانات مواد و موارد دیگر را مورد بحث قرار می‌دهیم. ابتدا بیایید ببینیم چگونه این روش در میان سازندگان و علاقه‌مندان اینقدر محبوب شد.

تاریخچه پرینت سه بعدی FDM

در حالی که FDM بدون شک محبوب‌ترین روش چاپ سه‌بعدی است، ممکن است تعجب کنید که این سیستم اولین سیستمی نبود که اختراع شد. در واقع، حتی دومین سیستم هم نبود.

اسکات کرامپ اولین حق اختراع FDM را در سال 1989 ثبت کرد، سه سال پس از ثبت حق اختراع استریولیتوگرافی (SLA) و یک سال پس از تف‌جوشی لیزری انتخابی (SLS). اسکات و همسرش لیزا یکی از پیشروترین شرکت‌های چاپ سه‌بعدی، استراتاسیس، را تأسیس کردند.

در دیجی‌ساز بخوانید:  استریولیتوگرافی: پرینت سه بعدی رزینی (SLA) به زبان ساده

با این حال، FDM تنها از طریق جامعه RepRap و تحت نام جایگزین آن، تولید فیلامنت ذوب‌شده (FFF)، در بین کاربران غیرتجاری محبوب شد. پروژه RepRap به عنوان یک پروژه آکادمیک در سال 2005 توسط آدریان بویر در دانشگاه بث آغاز شد با 

هدف اصلی تولید دستگاه‌های خودتکرارکننده.

وقتی حق اختراع FDM در سال 2009 منقضی شد، چندین داوطلب سابق RepRap شرکت MakerBot Industries را تأسیس کردند، یکی از اولین شرکت‌های غیرصنعتی که چاپگرهای سه‌بعدی FDM متن‌باز را تجاری کردند که بر اساس پروژه متن‌باز RepRap بودند. شرکت‌های دیگر چاپ سه‌بعدی مانند UltiMaker و Prusa Research نیز سفر خود را از جنبش RepRap آغاز کردند. به تازگی، MakerBot و UltiMaker در یک ادغام به هم پیوستند.

این شرکت‌ها و افراد همگی راه را برای بازار وسیع چاپ سه‌بعدی مصرف‌کننده و علاقه‌مندان FDM که امروز داریم، هموار کردند.

پرینترهای سه بعدی FDM چگونه کار می‌کنند؟

FDM (یا FFF) عمدتاً با اکستروژن و رسوب ترموپلاستیک‌ها به لایه‌هایی که برای ایجاد یک شیء سه‌بعدی ساخته می‌شوند، مشخص می‌شود. این ممکن است کمی مبهم به نظر برسد، بنابراین بیایید فرآیند را به طور دقیق‌تری بررسی کنیم.

در اصل، تکنیک FDM نسبتاً ساده است. عملکردهای اصلی آن توسط دو سیستم مجزا انجام می‌شود: یکی مسئول اکستروژن و ذوب فیلامنت و دیگری برای حرکت صفحه چاپ. ما هر دو این سیستم‌ها را در بخش‌های زیر مورد بحث قرار خواهیم داد.

اکستروژن و رسوب

سیستم اکستروژن و رسوب به طور کلی به دو مجموعه اصلی تقسیم می‌شود: "انتهای سرد" و "انتهای گرم". ترموپلاستیک‌های مورد استفاده در چاپ سه‌بعدی FDM اغلب در قرقره‌های فیلامنت موجود هستند و انتهای سرد مسئول تغذیه این ماده از قرقره به چاپگر سه‌بعدی است. به این ترتیب، انتهای سرد همچنین نرخ رسوب مواد در انتهای دیگر، که اغلب به آن "جریان" گفته می‌شود، کنترل می‌کند.

از طرف دیگر، انتهای گرم مسئول گرم کردن مواد پلاستیکی در حال حرکت به حدی است که برای "پالایش" از طریق نازل مناسب باشد، از این رو نام آن. این مرحله شامل اجزای مختلفی از جمله کارتریج‌های گرم‌کننده، سینک‌های حرارتی و البته نازل‌ها است.

انتهای سرد و گرم باید به صورت هم‌افزایی کار کنند تا دقیقاً مقدار مناسب ماده را در دمای مورد نیاز و حالت فیزیکی مناسب برای لایه‌برداری درست مواد خارج کنند.

تنظیمات سخت‌افزاری در پرینت سه بعدی FDM

وقتی صحبت از اکستروژن به میان می‌آید، تنظیمات مختلفی وجود دارد. به عنوان مثال، انتهای سرد می‌تواند دقیقاً در کنار انتهای گرم در حال حرکت قرار داشته باشد، در تنظیمی که به عنوان اکستروژن مستقیم شناخته می‌شود، یا می‌تواند به قاب چاپگر متصل باشد و نیاز به یک لوله رابط برای هدایت فیلامنت به انتهای گرم، که اغلب به آن لوله Bowden گفته می‌شود، داشته باشد.

مجموعه‌های انتهای گرم نیز در تنظیمات مختلفی وجود دارند. به عنوان مثال، انتهای گرم کاملاً فلزی اجازه می‌دهد تا دماهای بالاتری در نازل در مقایسه با انتهای گرم با روکش PTFE که از یک لوله کوتاه داخلی برای کاهش اصطکاک فیلامنت استفاده می‌کند، به دست آید. با این حال، لوله محدودیتی دما حداکثر حدود 240 درجه سانتی‌گراد دارد.

با در نظر گرفتن اکستروژن و رسوب با هم، سیستم‌های چند اکستروژن نیز وجود دارند. این سیستم‌ها اجازه می‌دهند تا مواد مختلف به طور همزمان کار شوند.

مانند همه چیز، هر تنظیم مزایا و معایب خود را دارد و انتخاب نهایی بستگی به سرعت‌ها، مواد و کاربردهایی دارد که چاپگر سه‌بعدی خدمت خواهد کرد.

حرکت هد چاپ در پرینت سه بعدی FDM

علاوه بر تنظیمات مختلف اکستروژن، شاید بیشترین تنوع در طراحی در قاب و سیستم حرکت وجود داشته باشد.

سیستم حرکت چاپگرهای سه‌بعدی FDM مسئول حرکت مجموعه انتهای گرم در فضای سه‌بعدی برای رسوب مواد ذوب‌شده به درستی است. در کوچک‌ترین سطح، اجزا برای حرکت این سیستم معمولاً از موتورهای استپر، راهنماهای خطی، پیچ‌های لید و سیستم‌های تسمه لاستیکی می‌آیند.

حرکت انتهای گرم می‌تواند به روش‌های مختلفی انجام شود. برای شروع، بیایید تنظیمات مختلف را بر اساس سیستم‌های مختصات عملیاتی آنها توصیف کنیم. با فاصله زیاد، سیستم مختصات غالب برای چاپگرهای سه‌بعدی کارتزین است، جایی که موقعیت توسط سه مختصات خطی (X، Y و Z) داده می‌شود. با این حال، یک دسته کوچک از چاپگرهای سه‌بعدی FDM وجود دارند که از سیستم مختصات قطبی استفاده می‌کنند، که از مقادیر خطی و زاویه‌ای برای توصیف موقعیت فیزیکی استفاده می‌کند.

انواع چاپگرهای سه‌بعدی کارتزین

ماشین‌های کارتزین را می‌توان بیشتر بر اساس سیستم حرکت آنها طبقه‌بندی کرد. چاپگرهای سه‌بعدی دلتا، به عنوان مثال، از ریل‌های عمودی و سه بازوی مستقل کنترل‌شده متصل به انتهای گرم استفاده می‌کنند که همگی با هم برای موقعیت‌یابی انتهای گرم حرکت می‌کنند. چاپگرهای SCARA دسته دیگری از ماشین‌های کارتزین هستند که از بازوهای افقی‌متحرک برای حرکت صفحه‌ای استفاده می‌کنند.

با این حال، احتمالاً اگر با یک چاپگر سه‌بعدی در حیات وحش برخورد کنید، یک ماشین سبک کارتزین-مستطیلی خواهد بود. در اینجا، موتورهای استپر حرکت را به طور خالص در امتداد محورهای X، Y و Z با استفاده از سیستم پیچ‌ها، تسمه‌ها و پولی‌ها هدایت می‌کنند. چندین نوع قابل شناسایی تحت این دسته وجود دارد که برخی از نوع‌های محبوب شامل چاپگرهای سبک کارتزین-XZ-هد و چاپگرهای CoreXY هستند.

و برای نوع دیگری از چاپ FDM، چاپگرهای سه‌بعدی تسمه‌ای چاپ سه‌بعدی پیوسته را ارائه می‌دهند به این معنا که پلتفرم ساخت مانند یک نوار نقاله در یک خط تولید حرکت می‌کند. این امکان تولید قطعات به طور غیرمعمول بلند یا قطعات متعدد به طور پیوسته را فراهم می‌کند.

مقایسه پرینت سه بعدی FDM

FDM نسبت به روش‌های دیگر چاپ سه‌بعدی مزایای متعددی دارد، اما معایب خودش را نیز دارد. بیایید مزایا و معایب آن را از نظر عملکرد چاپ و کیفیت کلی قطعات نسبت به دیگر تکنیک‌های محبوب چاپ سه‌بعدی بررسی کنیم.

عملکرد چاپ

مزایا 

یکی از بزرگترین مزایای چاپ سه‌بعدی FDM، مقیاس‌پذیری است. برخلاف چاپگرهای رزینی، چاپگرهای FDM را می‌توان به راحتی به هر اندازه‌ای مقیاس‌پذیر کرد زیرا تنها محدودیت، حرکت هر محور است.

یکی از مزایای آشکار داشتن طراحی به‌راحتی قابل‌مقیاس، نسبت هزینه به اندازه است. به دلیل هزینه‌های پایین قطعات و طراحی‌های ساده، چاپگرهای FDM به طور مداوم بزرگتر و ارزان‌تر می‌شوند.

در مورد هزینه، فیلامنت‌های معمولی FDM به مراتب ارزان‌ترین ماده چاپ سه‌بعدی هستند، به خصوص در مقایسه با روش‌های دیگر چاپ سه‌بعدی مانند چاپ مبتنی بر رزین.

مزیت دیگر در مورد مواد، انعطاف‌پذیری است. در هر چاپگر FDM، طیف گسترده‌ای از مواد ترموپلاستیکی و فیلامنت‌های خاص می‌توانند با نسبتا کمترین ارتقا و تغییرات چاپ شوند، و این مورد نمی‌تواند در سایر روش‌ها که ماده باید، به عنوان مثال، رزین باشد، صحیح باشد.

در نهایت، تجربه کلی با چاپ FDM ساده‌تر از چاپ مبتنی بر رزین است. با FDM، هیچ مرحله تمیزکاری اضافی به جز (گاهی اوقات) حذف تکیه‌گاه‌ها وجود ندارد، برخلاف شستشو و آبکشی اجباری، حذف تکیه‌گاه‌ها و سخت شدن برای چاپ‌های رزینی.

با FDM، پس از اتمام فرایند چاپ، قطعات آماده استفاده هستند و مراحل پس‌پردازش به ماده، ویژگی‌های چاپ و استفاده مورد نظر بستگی دارد. با توجه به انعطاف‌پذیری چاپ سه‌بعدی FDM، مدل‌ها می‌توانند با رنگ‌های مختلف از تخت چاپ خارج شوند، در حالی که سایر تولیدات، مانند چاپ‌های رزینی، نیاز به رنگ‌آمیزی دارند.

معایب

با این حال، چاپ سه‌بعدی FDM بدون اشکال نیست. به دلیل سادگی و هزینه کلی قطعات آن، چاپگرهای FDM اغلب نیاز به تنظیمات و تنظیمات زیادی دارند (به خصوص تراز بستر) تا به سطح قابلیت اطمینان و کیفیت روش‌های چاپ دیگر برسند.

در مقایسه با رزین، FDM به شدت به حرکت فیزیکی وابسته است. به همین دلیل، علاوه بر کالیبراسیون، بسیاری از اجزای چاپگر FDM نیاز به نگهداری و توجه منظم دارند: تنش تسمه، تمیز کردن اکسترودر، روغن‌کاری ریل‌ها، و حتی تعویض قطعات مانند نازل‌های انتهای داغ.

در نهایت، چاپ FDM به شدت به کیفیت ماده خوراکی بستگی دارد. دقت ضعیف ابعادی در یک فیلامنت می‌تواند منجر به چندین مشکل اکستروژن شود، و ترکیب شیمیایی پلاستیک‌ها نیز می‌تواند فرآیند چاپ را مشکل کند. علاوه بر این، قرقره‌های فیلامنت باید به درستی ذخیره شوند تا از جذب رطوبت جلوگیری کنند - که این نیز بر فرآیند چاپ تأثیر می‌گذارد.

کیفیت چاپ در پرینت سه بعدی FDM

این یک موضوع داغ است، زیرا بسیاری کیفیت چاپ را پاشنه آشیل چاپ سه‌بعدی FDM می‌دانند. در حالی که این ادعا بی‌اساس نیست، دیدگاه‌های مختلفی در اینجا قابل توجه است.

مزایا

کیفیت چاپ فقط مربوط به ظاهر نیست. عملکرد مکانیکی نیز در اینجا مهم است و FDM ارزش بزرگی برای تولید قطعات قوی و بادوام عملکردی ارائه می‌دهد، به خصوص در مقایسه با چاپ‌های سه‌بعدی رزینی شکننده.

چاپ سه‌بعدی FDM نیز بسیار متنوع است زیرا کیفیت چاپ می‌تواند فدای سرعت و حتی مقاومت شود، که آن را به ابزاری عالی برای تولید هر دو قطعات زیبا و جذاب و قطعات کاربردی و محکم تبدیل می‌کند.

گفته شد، با کالیبراسیون مناسب و تنظیمات صحیح در نرم‌افزار، چاپگرهای سه‌بعدی FDM می‌توانند به سطحی از کیفیت چاپ برسند که با توجه به هزینه ماشین و فیلامنت، حتی در مقایسه با برخی چاپگرهای سه‌بعدی رزینی، شگفت‌انگیز است. و با توجه به توسعه مستمر و ماهیت متن‌باز این حوزه، با ارتقاء‌هایی مانند شکل‌دهی ورودی از فریمور Klipper یا Marlin، زیبایی‌ها لزوماً تحت تأثیر سرعت‌های بالاتر قرار نمی‌گیرند.

هرچند قبلاً ذکر شد، انعطاف‌پذیری و در دسترس بودن مواد مختلف FDM نیز در اینجا نقش مهمی ایفا می‌کند. یک چاپگر سه‌بعدی FDM می‌تواند قطعاتی با ویژگی‌ها و ظاهرهای کاملاً متفاوت تولید کند تنها با تغییر نوع فیلامنت (همانطور که بعداً خواهیم دید).

معایب

با این حال، اگر زیبایی کلی و کیفیت سطح نهایی مورد نیاز باشد، FDM می‌تواند مشکل‌ساز باشد. از آنجایی که ماده در لایه‌هایی با ضخامت خاصی اکسترود می‌شود، چاپ‌های دقیق سخت است و اغلب نیاز به پس‌پردازش دارند تا به ظاهری حرفه‌ای و نهایی برسند. بسته به ماده، ممکن است نیاز به سنباده‌زنی ساده باشد یا فرآیند پیچیده‌تری مانند صاف کردن با بخار نیاز باشد.

قطعات کوچک مقیاس نیز گاهی اوقات با FDM قابل چاپ نیستند. از آنجا که اندازه نازل استاندارد 0.4 میلی‌متر است، هر جزئیات ریزتری نیاز به تعویض نازل دارد (تا 0.2 میلی‌متر) و حتی در این صورت، به سادگی نمی‌تواند به دقت و وضوح چاپ‌های مبتنی بر رزین برسد.

یکی دیگر از معایب چاپ FDM این است که یک نقطه ضعف ذاتی در چاپ جایی که هر لایه به هم می‌رسد ایجاد می‌کند. می‌توان استدلال کرد که این برای هر فرآیند چاپ سه‌بعدی صادق است. در حالی که این درست است، این وضعیت برای چاپ سه‌بعدی FDM بدتر است، زیرا استحکام پیوند بین لایه‌ها کمتر است.

فیلامنت‌های در پرینت سه بعدی FDM

در طول این مقاله، به ماده خوراکی برای چاپ سه‌بعدی FDM اشاره کرده‌ایم که توسط بسیاری به سادگی به عنوان فیلامنت شناخته می‌شود. و این دقیقاً همان چیزی است که هست: یک رشته بلند از ماده پلیمری که در یک قرقره پیچیده شده است.

بر اساس کنوانسیون، قطر رشته فیلامنت یا 1.75 یا 2.85 میلی‌متر است و این بستگی به سیستم اکستروژن چاپگر سه‌بعدی دارد. لازم به ذکر است که اکسترودر 1.75 میلی‌متری تنها این اندازه فیلامنت را می‌پذیرد.

معمول‌ترین فیلامنت‌ها برای FDM عبارتند از PLA، PETG و ABS - به این ترتیب. PLA شاید آسان‌ترین ماده برای چاپ سه‌بعدی با FDM باشد و همچنین قابل تجزیه زیستی و بدون بو است. نقطه ضعف آن مقاومت کم در برابر حرارت است و در دماهای پایین تا 60 درجه سانتی‌گراد نرم می‌شود.

PETG از سوی دیگر، مقاومت دمایی بسیار بهتری ارائه می‌دهد، اما می‌تواند کمی مشکل‌ساز باشد زیرا بسیار مستعد نشت و تشکیل رشته‌های اضافی است. ABS در خواص مکانیکی پیشتاز است، اگرچه می‌تواند بدون محفظه چاپ سخت باشد. ABS به دلیل انتشار بخارات سمی در طول فرآیند چاپ معروف است که این نیز دلیل نیاز به محفظه است.

با همه این اوصاف، تجربه با هر یک از این مواد ممکن است با هر کاربر خاص، تجهیزات و به ویژه تولیدکننده فیلامنت متفاوت باشد.

همانطور که اشاره شد، یکی از مزایای بزرگ چاپ سه‌بعدی FDM انعطاف‌پذیری مواد و در دسترس بودن آن در بازار است. در دسترس بودن گسترده‌ای از مواد عجیب و غریب وجود دارد، مانند فیلامنت‌های تزریق شده با فلز، پلاستیک‌های فیبر کربنی، مواد شب‌تاب و حتی ترموپلاستیک‌های شبیه لاستیک مانند TPU.

گزینه‌های خرید چاپگر

بازار چاپگرهای سه‌بعدی FDM بسیار گسترده است، بنابراین بهتر است ابتدا اولویت‌های خود را مشخص کنید. اگر احساس می‌کنید که FDM برای شما مناسب است یا کاملاً در زمینه چاپ سه‌بعدی تازه‌وارد هستید، شاید وقت آن رسیده که به فکر تهیه یک دستگاه باشید که مال خودتان باشد. فرض کنیم که شما به دنبال خرید یک چاپگر هستید: از کجا شروع کنید؟

نکات مهم

اولین چیزی که باید در نظر بگیرید این است که چرا به یک چاپگر سه‌بعدی نیاز دارید. یا از آن به صورت تجاری یا حرفه‌ای استفاده کنید؟

دومین نکته‌ای که باید به آن فکر کنید این است که چه نوع قطعاتی را می‌خواهید چاپ کنید. آیا به قطعات تزئینی و جذاب فکر می‌کنید؟ یا به چاپگری نیاز دارید که بتواند مواد با عملکرد بالا را برای قطعات کاربردی تحمل کند؟

گزینه‌های محبوب

اگر مبتدی هستید یا به دنبال یک چاپگر سه‌بعدی FDM ارزان ولی بسیار خوب هستید، سری Ender 3 باید به خوبی به شما خدمت کند. این چاپگرها نسبتاً ساده و بسیار محبوب هستند، بنابراین می‌توانید به راحتی آموزش‌ها و راهنماهای زیادی برای آنها پیدا کنید.

در صورتی که جدی‌تر به دنبال اهداف چاپ سه‌بعدی خود هستید و بودجه بیشتری دارید، حتماً باید نگاهی به Prusa’s MK4 بیاندازید که عملکرد چاپ عالی، تراز خودکار بستر و دیگر ویژگی‌های کیفیت زندگی کوچک دارد.

برای کاربرانی که قصد چاپ سه‌بعدی حرفه‌ای دارند یا به یک دستگاه جدید برای کارگاه خود نیاز دارند، UltiMaker S3 یک گزینه عالی است. این دستگاه قابلیت تحمل دماهای نازل تا 280 درجه سانتی‌گراد را دارد و دارای محفظه بسته است، که هر دو امکان چاپ مواد متنوعی را فراهم می‌کنند. همچنین از چاپ دوگانه اکستروژن پشتیبانی می‌کند.