خدمات پرینت سه بعدی FDM که با نام ساخت فیلامنت ذوب شده (FFF) نیز شناخته میشود، یک فرآیند ساخت افزایشی (AM) در دستهبندی اکستروژن مواد است. پرینت سه بعدی FDM با رسوبدهی ماده ذوب شده به شکل انتخابی و طبق مسیری از پیش تعیین شده، قطعات را لایه به لایه میسازد. این فرآیند از پلیمرهای ترموپلاستیکی که به صورت فیلامنت هستند، استفاده میکند و اشیای فیزیکی نهایی را شکل دهد.
پرینترهای FDM، که بیشترین تعداد نصب شده در سراسر جهان را دارند، پرکاربردترین فناوری در اکثر صنایع هستند و احتمالاً اولین فرآیندی است که هنگام فکر کردن به پرینت سه بعدی به ذهنتان میرسد.
در این مطلب، اصول اولیه و ویژگیهای کلیدی خدمات پرینت سه بعدی FDM محبوب را پوشش میدهیم. همچنین تفاوتهای بین ماشینهای FDM که برای نمونهسازی (رومیزی) و کاربردهای صنعتی ساخته شدهاند را بررسی میکنیم و نکات و ترفندهایی را برای مهندسان ارائه میدهیم تا بهترین نتایج را از پرینت سه بعدی FDM بگیرند.
نحوه کار پرینت سه بعدی FDM چگونه است؟
پرینتر FDM با رسوبدهی مواد فیلامنت ذوب شده بر روی یک پلتفرم ساخت، لایه به لایه کار میکند تا قطعه نهایی ایجاد شود. FDM از فایلهای طراحی دیجیتال استفاده میکند که به خود دستگاه بارگذاری میشود و آنها را به ابعاد فیزیکی تبدیل میکند. مواد مورد استفاده برای FDM شامل پلیمرهایی مانند ABS، PLA، PETG و PEI است که به صورت نخ از طریق یک نازل گرم شده تغذیه میشود.
برای کار با دستگاه FDM، ابتدا یک قرقره فیلامنت ترموپلاستیک را به چاپگر بارگذاری میکنید. پس از رسیدن نازل به دمای مطلوب، چاپگر فیلامنت را از طریق یک هد اکستروژن و نازل تغذیه میکند.
هد اکستروژن به یک سیستم سهمحوره متصل است که به آن امکان حرکت در امتداد محورهای X، Y و Z را میدهد. چاپگر مواد ذوب شده را به صورت رشتههای نازک اکسترود کرده و آنها را طبق مسیری که توسط طراحی تعیین شده، لایه به لایه رسوب میدهد. پس از رسوب، مواد سرد و جامد میشوند. در برخی موارد، میتوانید فنهایی را به هد اکستروژن وصل کنید تا سرعت خنک شدن را افزایش دهید.
پارامترهای چاپ در پرینترهای FDM چیست؟
اکثر سیستمهای FDM به شما امکان میدهند چند پارامتر را در فرآیند پرینت تنظیم کنید. این پارامترها شامل دمای نازل و پلتفرم ساخت، سرعت چاپ، ارتفاع لایه و سرعت فن خنککننده هستند. اگر طراح هستید، معمولاً نیازی به نگرانی در مورد این تنظیمات ندارید، زیرا ارائه دهنده خدمات پرینت سه بعدی FDM احتمالاً قبلاً این موارد را پوشش داده است.
عوامل مهم اندازه ساخت و ارتفاع لایه هستند. اندازه ساخت رایج یک پرینتر سه بعدی رومیزی ۲۰۰x۲۰۰x۲۰۰ میلیمتر است، در حالی که ماشینهای صنعتی میتوانند به اندازههای ۱۰۰۰x۱۰۰۰x۱۰۰۰ میلیمتر برسند. اگر ترجیح میدهید از یک دستگاه رومیزی برای چاپ قطعه خود استفاده کنید، میتوانید یک مدل بزرگ را به قطعات کوچکتر تقسیم کنید و سپس آن را مجدداً مونتاژ کنید.
ارتفاع لایه معمولی در FDM بین ۵۰ تا ۴۰۰ میکرون است. چاپ لایههای نازکتر باعث میشود قطعات صافتر شوند و هندسههای منحنی با دقت بیشتری چاپ شوند، ولی چاپ لایههای ضخیمتر به شما امکان میدهد قطعات را سریعتر و با هزینه کمتر تولید کنید.
بین پرینت سه بعدی FDM رومیزی و صنعتی چه تفاوتهایی دارند؟
پرینترهای FDM معمولاً به دو دسته اصلی تقسیم میشوند: دستگاههای صنعتی (حرفهای) و دستگاههای نمونهسازی (رومیزی). هر دو نوع پرینتر دارای کاربردها و مزایای منحصر به فردی هستند، اما تفاوت اصلی بین این دو فناوری در مقیاس تولید آنها است.
پرینترهای FDM صنعتی، مانند پرینترهای سه بعدی Stratasys، بسیار گرانتر از نمونههای رومیزی هستند – پرینترهای رومیزی بیشتر برای استفادههای خانگی و مصرفی طراحی شدهاند – بنابراین استفاده از آنها برای قطعات سفارشی هزینه بیشتری خواهد داشت. از آنجا که دستگاههای صنعتی کارآمدتر و قدرتمندتر از پرینترهای FDM رومیزی هستند، بیشتر برای ابزارسازی، نمونههای کاربردی و قطعات نهایی استفاده میشوند.
علاوه بر این، پرینترهای FDM صنعتی میتوانند سفارشهای بزرگ را سریعتر از دستگاههای رومیزی تکمیل کنند. این دستگاهها برای تکرارپذیری و اطمینان طراحی شدهاند و میتوانند یک قطعه را بارها و بارها با حداقل دخالت انسانی تولید کنند. پرینترهای FDM رومیزی به این اندازه قدرتمند نیستند. در دستگاههای رومیزی، نیاز به نگهداری مداوم و کالیبراسیون منظم است.
| ویژگی | FDM صنعتی | FDM رومیزی |
| دقت استاندارد | ± ۰.۳٪ (حد پایین: ± ۰.۲ میلیمتر) | ± ۰.۵٪ (حد پایین: ± ۱.۰ میلیمتر) |
| ضخامت لایه معمولی | ۰.۱۸ – ۰.۵ میلیمتر | ۰.۱۰ – ۰.۲۵ میلیمتر |
| ضخامت دیواره حداقل | ۱ میلیمتر | ۰.۸ – ۱ میلیمتر |
| ابعاد ساخت حداکثر | بزرگ (مثال: ۹۰۰x۶۰۰x۹۰۰ میلیمتر) | متوسط (مثال: ۲۰۰x۲۰۰x۲۰۰ میلیمتر) |
| مواد رایج | ABS، PC، ULTEM | PLA، ABS، PETG |
| مواد پشتیبانی | قابل حل در آب/قابل جداسازی | همان ماده قطعه (معمولاً) |
| قابلیت تولید (هر دستگاه) | پایین/متوسط | پایین |
| هزینه دستگاه | ۵۰۰۰۰ دلار به بالا | ۵۰۰ تا ۵۰۰۰ دلار |
ویژگیهای پرینت سه بعدی FDM چیست؟
اگرچه پرینترهای FDM از نظر سیستمهای اکستروژن و کیفیت قطعات متفاوت هستند، اما ویژگیهای مشترکی نیز بین آنها وجود دارد.
تاب برداشتن (Warping)
تاب برداشتن یکی از رایجترین نقصها در FDM است. هنگامی که ماده اکسترود شده در حین جامد شدن سرد میشود، ابعاد آن کاهش مییابد. از آنجا که بخشهای مختلف قطعه چاپ شده با نرخهای مختلفی سرد میشوند، ابعاد آنها نیز با سرعتهای متفاوتی تغییر میکند. سرد شدن متفاوت باعث تجمع فشارهای داخلی میشود که لایههای زیرین را به سمت بالا میکشد و باعث تاب برداشتن میشود.
راههای مختلفی برای جلوگیری از تاب برداشتن وجود دارد. یکی از روشها، نظارت دقیق بر دمای سیستم FDM است، به خصوص دمای پلتفرم ساخت و محفظه. همچنین میتوانید با افزایش چسبندگی بین قطعه و پلتفرم ساخت، از تاب برداشتن جلوگیری کنید.
انجام انتخابهای هوشمندانه در فرآیند طراحی نیز میتواند احتمال تاب برداشتن قطعه را کاهش دهد. در اینجا چند مثال آورده شده است:
- سطوح بزرگ و صاف، مانند سطوح یک جعبه مستطیلی، بیشتر مستعد تاب برداشتن هستند. سعی کنید تا حد امکان از این نوع طراحیها اجتناب کنید.
- جزئیات نازک و برجسته، مانند دندانههای یک چنگال، نیز مستعد تاب برداشتن هستند. اضافه کردن مواد اضافی در لبهها برای افزایش مساحت تماس با پلتفرم ساخت میتواند به جلوگیری از تاب برداشتن کمک کند.
- گوشههای تیز بیشتر از شکلهای گرد تاب برمیدارند، بنابراین توصیه میکنیم که گوشهها را گرد کنید.
- هر ماده میزان حساسیت خاصی به تاب برداشتن دارد. به عنوان مثال، ABS معمولاً نسبت به PLA یا PETG حساسیت بیشتری به تاب برداشتن دارد.
چسبندگی لایهها
در فرآیند پرینت سه بعدی FDM، چسبندگی امن بین لایههای چاپ شده بسیار حیاتی است. هنگامی که دستگاه FDM، ترموپلاستیک مذاب را از نازل خارج میکند، این ماده به لایه قبلی فشار میآورد. دمای بالا و فشار باعث میشود که لایه قبلی دوباره ذوب شود و با لایه جدید پیوند بخورد.
از آنجایی که ماده مذاب به لایه قبلی فشار وارد میکند، شکل آن به حالت بیضی تغییر میکند. این موضوع باعث میشود که قطعات FDM همیشه سطحی موجدار داشته باشند، صرف نظر از اینکه ارتفاع لایهها چقدر باشد. همچنین، ویژگیهای کوچک مانند سوراخهای کوچک یا پیچها ممکن است به پسپردازش نیاز داشته باشند.
ساختار پشتیبانی
پرینترهای FDM نمیتوانند ترموپلاستیک مذاب را در هوا به طور مستقیم رسوب دهند. برخی از هندسههای قطعات به ساختارهای پشتیبانی نیاز دارند که معمولاً از همان ماده قطعه ساخته میشوند. حذف این ساختارهای پشتیبانی ممکن است دشوار باشد، بنابراین طراحی قطعات به گونهای که نیاز به پشتیبانی را به حداقل برساند، راحتتر است.
برخی مواد پشتیبانی وجود دارند که در آب حل میشوند، اما معمولاً در پرینترهای FDM پیشرفتهتر استفاده میشوند. البته توجه داشته باشید که استفاده از پشتیبانیهای قابل حل در آب، هزینه کلی پرینت را افزایش میدهد.
تراکم داخلی (Infill) و ضخامت پوسته (Shell Thickness)
برای کاهش زمان چاپ و صرفهجویی در مصرف مواد، پرینترهای FDM معمولاً قطعات را به صورت توخالی تولید میکنند. دستگاه، محیط خارجی قطعه – که پوسته نامیده میشود – را در چند گذر ترسیم میکند و داخل آن را با ساختار کمتراکم داخلی – که Infill نامیده میشود – پر میکند.
تراکم داخلی و ضخامت پوسته تأثیر زیادی بر استحکام قطعات پرینت شده با FDM دارند. اکثر پرینترهای FDM رومیزی به طور پیشفرض دارای تنظیمات تراکم داخلی ۲۰٪ و ضخامت پوسته ۱ میلیمتر هستند که تعادلی مناسب بین استحکام و سرعت برای چاپهای سریع ارائه میدهند.
مواد رایج استفاده شده در خدمات پرینت سه بعدی FDM
یکی از مزایای اصلی فناوری FDM (چه رومیزی و چه صنعتی) دامنه گسترده مواد قابل استفاده برای آن است. این مواد شامل ترموپلاستیکهای عمومی مانند PLA و ABS، مواد مهندسی مانند PA، TPU و PETG و ترموپلاستیکهای با عملکرد بالا مانند PEEK و PEI میشود.
فیلامنت PLA رایجترین ماده مورد استفاده در پرینترهای FDM رومیزی است. پرینت با PLA نسبتاً آسان است و میتواند قطعات با جزئیات دقیقتری تولید کند. در مواقعی که به استحکام بالاتر، انعطافپذیری و پایداری حرارتی نیاز دارید، از ABS استفاده میشود. با این حال، ABS بیشتر در معرض تاب برداشتن قرار دارد، به ویژه اگر از دستگاهی استفاده کنید که محفظه گرمشونده ندارد.
جایگزین دیگر برای پرینت FDM رومیزی PETG است که از نظر ترکیب شبیه به ABS است و چاپ با آن نیز به همان اندازه آسان است. هر سه این مواد برای اکثر کاربردهای خدمات پرینت سه بعدی مناسب هستند، از نمونهسازی تا تولید مدلهای کاربردی یا قطعات کمحجم.
| ویژگی | FDM رومیزی | FDM صنعتی |
| مواد | ترموپلاستیکها (PLA، ABS، PETG، PC، PEI و غیره) | |
| دقت ابعادی | ± ۰.۵٪ (حد پایین ± ۰.۵ میلیمتر) | ± ۰.۱۵٪ (حد پایین ± ۰.۲ میلیمتر) |
| اندازه ساخت | ۲۰۰x۲۰۰x۲۰۰ میلیمتر | ۹۰۰x۶۰۰x۹۰۰ میلیمتر |
| ضخامت لایه | ۵۰ تا ۴۰۰ میکرون | |
| پشتیبانی | همیشه نیاز نیست (پشتیبانی قابل حل در دسترس است) |
مواد مورد استفاده در پرینترهای FDM صنعتی
پرینترهای صنعتی FDM به طور عمده از ترموپلاستیکهای مهندسی مانند ABS، پلیکربنات (PC) و Ultem استفاده میکنند. این مواد معمولاً با افزودنیهایی که خواص آنها را تغییر میدهند، ترکیب میشوند تا برای نیازهای صنعتی مانند مقاومت ضربهای بالا، پایداری حرارتی، مقاومت شیمیایی و زیستسازگاری مناسب باشند.
چاپ با مواد مختلف روی خواص مکانیکی و دقت قطعه، و همچنین هزینه تأثیر میگذارد. در جدول زیر، ویژگیهای رایجترین مواد FDM را مقایسه میکنیم:
| ماده | ویژگیها |
| ABS | + مقاومت خوب + مقاومت حرارتی خوب – حساسیت بیشتر به تاببرداشتن |
| PLA | + کیفیت بصری عالی + چاپ آسان – مقاومت ضربهای پایین |
| Nylon (PA) | + استحکام بالا + مقاومت عالی به سایش و مواد شیمیایی – مقاومت کم به رطوبت |
| PETG | + مناسب برای مواد غذایی + مقاومت خوب + چاپ آسان |
| TPU | + انعطافپذیری بالا – دشواری در چاپ دقیق |
| PEI | + نسبت استحکام به وزن عالی + مقاومت عالی به آتش و مواد شیمیایی – هزینه بالا |
پسپردازش در پرینت سه بعدی FDM
قطعات چاپ شده با FDM میتوانند از طریق چند روش پسپردازش به سطح کیفیت بالایی برسند. این روشها شامل سنبادهزنی و پرداخت، آمادهسازی و رنگآمیزی، جوشکاری سرد، پرداخت با بخار، پوشش اپوکسی و آبکاری فلزی است.
نکات پایانی پرینت سه بعدی به روش FDM
- FDM میتواند نمونههای اولیه و قطعات کاربردی را سریع و با هزینه کم تولید کند.
- طیف وسیعی از مواد برای FDM موجود است.
- اندازه ساخت معمول یک پرینتر رومیزی FDM، ۲۰۰x۲۰۰x۲۰۰ میلیمتر است. ماشینهای صنعتی ابعاد بزرگتری دارند.
- برای جلوگیری از تاببرداشتن، از مناطق مسطح بزرگ اجتناب کنید و گوشهها را فیلهدار کنید.
- FDM به طور ذاتی ناهمسانگرد است و برای قطعات مکانیکی حیاتی مناسب نیست.
- حداقل اندازه ویژگیهای FDM به قطر نازل و ضخامت لایه محدود میشود.
- ساخت ویژگیهای عمودی (در جهت Z) با هندسه کوچکتر از ارتفاع لایه (معمولاً ۰.۱ تا ۰.۲ میلیمتر) غیرممکن است.
- برای تولید سطوح صاف و ویژگیهای بسیار ریز، ممکن است پسپردازش بیشتری مانند سندبلاست و ماشینکاری نیاز باشد. در چنین مواردی، استفاده از فناوریهای دیگر مانند SLA ممکن است مناسبتر باشد.
