آناتومی یک پرینتر سه بعدی: طرز کار پرینترهای سه بعدی چگونه است؟

پرینتر سه بعدی چگونه کار می‌کند؟

در شکل زیر، شماتیک یک پرینتر سه بعدی نشان داده شده است. این پرینتر متداول‌ترین نوع پرینتر سه بعدی است و FDM و یا FFF نام دارد.

به طور کلی اجزای پرینترهای سه بعدی FDM را می‌توان به دو گروه مکانیکی و الکتریکی دسته بندی کرد. در ادامه به معرفی اجزای این گونه از چاپگرهای سه بعدی خواهیم پرداخت تا بتوانیم به پاسخ این سوال که ” طرز کار پرینترهای سه بعدی چیست؟” دست یابیم.

اجزای یک چاپگر سه بعدی چیست و نحوه‌ی کارکرد اجزای آن چگونه است؟

اجزای مکانیکی

صفحه ساخت

صفحه‌ ساخت همانطور که از اسم آن بر می‌آیند صفحه‌ای است که قطعه‌ی مورد نظر بر روی آن ساخته می‌شود. به طور معمول این قطعه از پرینتر شامل یک صفحه‌ی شیشه‌ای، المنت گرمکن و موادی‌ست که به قطعه‌ی پلاستیکی مورد ساخت اجازه می‌دهد تا به صفحه‌ی ساخت بچسبد.

صفحه کار داغ / صفحه کار سرد

اغلب صفحات ساخت پرینترهای سه بعدی دارای قابلیت گرم شدن هستند تا از تاب برداشتن قطعه بر روی صفحه‌ی ساخت جلوگیری کنند. به واسطه‌ی تبادل گرما، پلاستیک بعد از خنک شدن اندکی دچار انقباض می‌شود. این اتفاق موجب می‌شود که لبه‌های قطعه رو به بالا خم شوند و قطعه از صفحه‌ی ساخت جدا شود. صفحه‌های داغ با گرم نگه داشتن پایین قطعه از وقوع این اتفاق جلوگیری می‌کنند.

بعضی از پرینترها فاقد صفحات ساخت با قابلیت گرم شدن هستند. نداشتن صفحات ساخت گرم شونده این پرینترها را به استفاده از بازه‌ی محدودی از مواد اولیه محدود می‌کند. پرینترهای سه بعدی FDM که فاقد صفحات ساخت گرم شونده هستند تنها می‌توانند از پلاستیک PLA و در برخی موارد PET استفاده کنند.

سطح صفحه ساخت

سطح صفحه ساخت به پلاستیک اجازه می‌دهد تا در طول عملیات پرینت به صفحه ساخت بچسبد و از آن جدا نشود. همچنین سطح صفحه ساخت کمک می‌کند که بعد از تکمیل عملیات چاپ سه بعدی، قطعه به راحتی از صفحه ساخت جدا شود.

اغلب پرینترهای سه بعدی تنها از یک نوع صفحه ساخت برای چاپ همه‌ی مواد استفاده می کنند. ولی برای گرفتن نتیجه‌ بهتر لازم است که برای استفاده از صفحات ساخت اختصاصی برای چاپ سه بعدی هر ماده استفاده شود.

فیلامنت

پرینترهای سه بعدی FDM از ترموپلاستیک٬ها به عنوان مواد مصرفی خود استفاده می‌کنند. این پلایستیک‌ها به فرم فیلامنت هستند و برای رسیدن به نازل پرینتر از یک قرقره عبور می‌کنند. اغلب پرینترها از دو نوع فیلامنت با قطرهای 1.75 و 3 میلی‌متر استفاده می‌کنند.

اکسترودر

اکسترودر هسته‌ی یک پرینتر است. اگر بخواهید  “نحوه‌ی عمل پرینترهای سه بعدی”، را بدانید باید با عملکرد این قطعه‌ی مهم آشنا شوید. اکسترود جایی است که فیلامنت به درون آن وارد می‎شود، در آنجا ذوب می‌شود و سپس به بیرون هدایت می‌شود. اساساً اکسترودر کاملاً مشابه چسب‌های تفنگی که از ذوب کردن پلاستیک برای چسباندن دو قطعه استفاده می‌کنند عمل می‌کند.

با وجود کوچک بودن این قطعه، نقشی کلیدی را در پرینترهای سه بعدی در با تکنولوژی FDM دارد.

اکسترود دارای یک موتور است که فیلامنت را به درون خود می‌کشد و به سمت دیگر اکسترودر هدایت می‌کند. قسمت گرم اکسترودر جایی است که فیلامنت ذوب می‌شود و از اکسترود به بیرون جریان پیدا می‌کند.

مقایسه اکسترودرهای ارتباط مستقیم(Direct Drive) و اکسترودر باودن(Bowden)

در پرینترهای سه بعدی FDM قسمت سرد اکسترودر می‌تواند به روش‌های متفاوتی با قسمت گرم آن در ارتباط باشد و آن را از فیلامنت تغذیه کند. دو گونه‌ی متداول قرارگیری قسمت‌های سرد و گرم اکسترودر، ارتباط مستقیم و باودن نام دارند.

در اکسترودرهای ارتباط مستقیم، قسمت‌های سرد و گرم بدون واسطه به هم متصل هستند(یکی بر روی درگیری قرار دارد). فیلامنت بلافاصله بعد از عبور از قسمت سرد به درون قسمت گرم اکسترودر هدایت می‌شود.

در اکسترودرهای باودن قسمت سرد و گرم از هم مجزا هستند. همچنین قسمت سرد اکسترودر ثابت است و در یک جای مشخص به شاسی پرینتر متصل شده است. قسمت سرد، فیلامنت را از درون یک لوله‌ی بلند (لوله‌ی باودن) به درون قسمت گرم اکسترودر هدایت می‌کند. این ساختار مجزا کمک می‌کند که پرینتر وزن کمتری را جابه‌جا کند.

چرخدنده هابیت(Hobbed Gear)

این چرخدنده فیلامنت را گاز می‌گیرد و آن را به سمت انتهای داغ فیلامنت فشار می‌دهد.

چرخدنده آیدلر(Idler Gear)

آیلدر یک ساختار متکی به فنر دارد که فیلامنت را در خلاف جهت چرخدنده هابیت می‌کشد. اغلب پرینترها راهکاری برای تنظیم کشش آیلدر دارند، بنابرلین فیلامنت به کمک این سیستم نه بیش از حد در حالت کشش خواهد بود و نه بیش از حد در حالت فشار!

انتهای داغ اکسترودر – مقایسه کاملا فلزی و Peek/PTFE

در صورت عدم استفاده از هیچ عایق پلاستیکی در ساختار انتهای داغ اکسترودر و تنها استفاده از فلز، می‌توان دماهای بالاتری را در نازل فراهم درد و در نتیجه طیف گسترده‌تری از مواد را چاپ کرد. هرچند در این حالت نیاز به سرمایش فعال در نازل بیشتر خواهد شد.

انتهای داغ اکسترودر – مقایسه هیت سینک(Heat Sink) در و فن تعبیه شده برای انتهای داغ

این سیستم‌های خنک کن تضمین می‌کنند که گرما به قسمت‌های بالایی پلاستیک انتقال پیدا نکند و آن‌ها را قبل از رسیدن به نازل ذوب نکند. به این پدیده خزش گرما گفته می‌شود و موجب جمع شدگی در فیلامنت می‌شود و اغلب در فیلامنت‌های PLA اتفاق می‌افتد. این فن باید هر موقع که انتهای داغ اکسترودر گرم است عمل کند.

کارتریج گرم کننده(Heater Cartridge)

همانطور که از اسم این قطعه پبداست، وظیفه‌ی آن گرم کردن فیلامنت است. این قطعه یک مقاومت الکتریکی توان بالا است. اغلب پرینترهای مدرن از گرم‌ کننده‌های کارتریجی استفاده می‌کنند، در حالی که بسیاری از پرینترهای سه بعدی قدیمی از سیم‌پیچ‌های ساخته شده از سیم‌های نیکرومی(Nichrome؛ آلیاژی از نیکل و کرومیم) استفاده می‌کردند. سیم‌پیچ‌های نیکرومی همچنان در توسترهای آشپزخانه‌ای استفاده می‌شوند.

اگر قصد دارید کارتریج گرم کننده‌ی پرینتر و یا حتی کل انتهای داغ پرینتر خودتان را عوض کنید، از این موضوع اطمینان پیدا کنید که پرینترتان از برق 12 ولت استفاده می‌کند و یا ۲۴ ولت!

ترمیستور(Thermistor)/ترموکوپل/RTD

هرکدام از این سه قطعه نوعی متفاوت از سنسور هستند که می‌توانند برای اندازه‌گیری دمای انتهای داغ اکسترودر مورد استفاده قرار گیرند. همه٬ی این قطعات اساساْ دماسنج‌های الکترونیکی هستند. در اغلب ‌پرینترهای سه بعدی از ترموسترها برای اندازی‌گیری دمای انتهای داغ اکسترودر استفاده می‌شود، ولی در بعضی از پرینترها برای پرینت در دماهای بسیار بالا از ترموکوپل‌ها استفاده می‌شود.

نازل

نازل یک پرینتر سه بعدی چگونه کار می‌کند؟
نازل به بیان ساده قطعه‌ای است که سوراخی در درون آن قرار دارد و فیلامنت ذوب شده از آن عبور می‌کند. نازل قابل جایگزینی است و در قطرهای متفاوتی وجود دارد.

قطر معمول نازل‌ها ۰.۴ میلی‌متر است. برای رسیدن به جزئیات بیشتر می‌توان از نازل‌هایی با قطر کمتر و برای رسیدن به سرعت ساخت بیشتر می‌توان از نازل‌هایی با قطر بیشتر استفاده کرد. نازل‌ها در برخی موارد ممکن است که دارای انسداد شوند. انسداد نازل‌ها یکی از شایع‌ترین مشکلاتی است که برای پرینترهای سه بعدی FDM به وجود می‌آید.

فن خنک کننده‌ی لایه‌ها

این فن بلافاصله بعد از اینکه پلاستیک از نازل خارج شد و در جای خودش قرار گرفت، شروع به سرد کردن آن می‌کند. این فرآیند به قطعه کمک می‌کند که شکل خودش را حفظ کند. معمولاً اسلایسرها متناسب با ماده‌ای که در چاپ است، این فن را در زمان مناسب روشن و یا خاموش می‌کنند.این قطعه با فن مختص به سینک حرارتی متفاوت است. فن سینک حرارتی تنها انتهای داغ اکسترودر را خنک می‌کند در حالی که فن خنک کننده‌ی لایه کل قطعه پرینت شده را خنک می‌کند.

کنترل حرکت – محورهای Y، X و Z

مقایسه پرینترهای سه بعدی کارتزین و دلتا

جهت اطلاع از  نحوه‌ی کار دستگاه چاپ سه بعدی، یکی از مهمترین نکاتی که باید به آن توجه داشته باشیم مکانیزم حرکتی مورد استفاده در پرینتر است.

پرینترهای سه بعدی کارتزین در هر راستا از یک یا دو موتور استفاده می‌کنند و به دلیل استفاده از دستگاه مختصات هندسی کارتزین اینگونه نام گرفتند. این پرینترها دارای صفحه‌ی ساخت مستطیلی و فضای کار سه بعدی مکعب مستطیلی هستند. پرینتر سه بعدی پروسا یکی از انواع خوب اینگونه از پرینترها است.

پرینترهای سه بعدی دلتا دارای سه بازو هستند که به کمک هم نازل را در بالای صفحه‌ی ساخت جابه‌جا می‌کنند. پرینترهای سه بعدی دلتا هم از سیستم مختصاتی کارتزین استفاده می‌کنند، ولی به جای استفاده از هر موتور در یک راستای خاص، همه‌ی بازوها در جهات و سرعت‌های مختلف و به طور هماهنگ با یکدیگر حرکت می‌کنند.

میله‌های رزوه شده/لیدسکرو

بسیار مهم است که بدانیم اسکروهای یک پرینتر سه بعدی چگونه کار می‌کند تا بتوانیم به یک پارامتر مهم دقت آن پرینتر پی ببریم. معمولاً از این قطعات برای حرکت پرینتر در راستای Z استفاده می‌شود. وقتی که این قطعات به دوران در‌آیند، نازل به صورت خطی در راستای Z جابه‌جا می‌شود. در پرینترهای سه بعدی ارزان قیمت معمولاً ار میله‌های بلند رزوه شده‌ی فولادی استفاده می‌شود. ولی در پرینترهای گران قیمت اغلب از لیداسکروهای پوشیده شده از یک لایه کروم استفاده می‌شود تا کمترین میزان پس زنی در حرکت پرینتر به وجود آید.

نوار تسمه

اغلب از نوار تسمه برای حرکت نازل پرینتر در راستاهای X و Y استفاده می‌شود. موتورهایی که برای جابه‌جایی در این راستاها تعبیه شده‌اند از چرخدنده برای حرکت دادن نوار تسمه استفاده می‌کنند. در اغلب پرینترها برای تنظیم میزان کشیدگی تسمه سازوکاری تعبیه شده است.

استپر موتور

برخلاف موتوهای DC متداول، که به طور پیوسته جابه‌جا می‌شوند، استپر موتورها با گام‌های مشخصی دوران می‌کنند. این امر سبب می‌شود که اینگونه موتورها کنترل دقیقی بر میزان حرکت خود داشته باشند. اغلب پرینترها از استپر موتورهای NEMA17 که دارای 200 گام در هر دور دوران است استفاده می‌کنند.

چارچوب پرینتر سه بعدی

امروزه ثابت شده است که چارچوب پرینتر سه بعدی در نحوه‌ی عمل آن می‌تواند تاثیر بسزایی داشته باشد. چارچوب یک پرینتر همه‌ی قطعات آن را در کنار هم قرار می‌دهد. در پرینترهای اولیه از تخته‌ی چندلا برای ساخت چارچوب استفاده می‌شد. در پرینترهای کنونی از ورقه‌های فلز و یا پلاستیک برای ساخت چارچوب اصلی استفاده می‌شود. اغلب برای ساخت بسیاری از قسمت‌های پرینترهای سه بعدی از قطعات پرینت شده استفاده می‌شود. هرچقد چارچوب پرینتر صلب‌تر باشد، حرکات پرینتر دقیقتر خواهد بود.

محفظه

بعضی از پرینترهای سه بعدی به گونه‌ای طراحی می‌شوند که فضای کاری آن‌ها درون محفظه‌ای بسته قرار داشته باشد. استفاده از محفظه دلایل مختلفی می‌تواند داشته باشد: جلوگیری از برخورد ناخواسته با قطعات متحرک و یا داغ، جلوگیری از نفوذ گرد و غبار به درون محفطه و یا کنترل بیشتر بر همه‌ی نواحی قطعات در حال ساخت.

با توجه به ساختارهای مکاترونیکی پرینترهای سه بعدی، آشنایی با اجزای الکترونیکی آن‌ها ضروری است. در ادامه برای اینکه بدانیم پرینتر سه بعدی چگونه کار می‌کند، به معرفی اجزای الکترونیکی آن می‌پردازیم.

قطعات الکتریکی

منبع تغذیه

این قطعه برق جریان متناوب 220 ولت را به عنوان ورودی می‌گیرد و آن را تبدیل به برق جریان مستقیم با ولتاژ پایین می‌کند.

منبع تغذیه ATX

این همان منبع تغذیه‌ای است در کامپیوترهای خانگی استفاده می‌شود. این منابع تغذیه بسیار مقاوم و بهینه هستند و توانایی ایجاد خروجی‌هایی با ولتاژهای مختلف هستند(12ولت، 5ولت، 3ولت).

ولتاژ

برخی از پرینترها از سیستم الکترونیکی 12ولتی و برخی دیگر از سیستم 24ولتی استفاده می‌کنند. دانستن این موضوع زمانی اهمیت پیدا می‌کند که بخواهیم برخی از قطعات پرینتر را تعویض کنیم؛ خصوصاً کارتریج گرم کننده و انتهای داغ اکسترودر.

مادربرد

مادربرد مغز پرینتر سه بعدی است. مادربرد فرمان‌های که در غالب Gcode به پرینتر داده می‌شود را دربافت می‌کند و دستورهای لازم را برای اجرا به دیگر اجزای پرینتر می‌دهد. مادربرد شامل یک میکروکنترلر و مدارات مورد نیاز است تا بتواند موتورها را کنترل کند، اطلاعات سنسورها را دریافت و پردازش کند و همنین با کامپیوتر بیرونی در ارتباط باشد.

محرک استپرها

این چیپ‌ها مسئول به حرکت درآوردن استپر موتورها هستند. بسیاری از مادربردها دارای محرک است استپر موتور در درون خود هستند، ولی برخی از آن‌ها محرک استپر موتورهایی ماژولار دارند که قابل جدا شدن است.

رابط کاربری

بعضی از پرینتهای سه بعدی از نمایشگر LCD استفاده می‌کنند که این امکان را ایجاد می‌کند تا بدون اتصال به کامپیوتر بتوان فرآیند چاپ را انجام داد. این نمایشگرها می‌توانند مانند VIKI2 ابتدایی و سیاه و سفید باشند و یا مانند MatterControl Touch لمسی و قابل اتصال با wifi باشند.

شکاف SD Card

بعضی از پرینترها دارای شکاف SD Card هستند که به آن‌ها اجازه می‌دهد که Gcodeها ورودی را بدون نیاز به اتصال به کامپیوتر دریافت و اجرا کند.

متوقف کننده‌ها (End Stops)

این قطعات به پرینترها اجازه می‌دهد که تشخیص دهند که نازل آن‌ها در چه مکانی قرار دارد. وقتی نازل پرینتر به انتهای یک محور می‌رسد، کلیدی کوچکی در آن‌جا وجود دارد که فعال می‌شود. این همان روشی است که به واسطه‌ی آن پرینتر از محل قرارگیری نازل در شروع کار با خبر می‌شود. اغلب پرینترها از کلیدهای مکانیکی استفاده می‌کنند، ولی در بعضی از پرینترها از کلیدهای اپتیک استفاده می‌شود.

تنظیم فاصله‌ی نازل تا صفحه ساخت(Bed Leveling)

در اغلب پرینترهای سه بعدی سیستمی تعبیه شده است تا به طور خودکار فاصله‌ی نازل و صفحه‌ی ساخت را در ابتدای فرآیند ساخت بررسی کند. ولی در بعضی از سیستم‌ها این سیستم تعبیه نشده و باید به طور دستی این فاصله را کالیبراسیون کرد.

حال که اجزای مکانیکی و الکترونیکی پرینتر سه بعدی و ضرورت وجود آنها را بررسی نمودیم و با عملکرد این اجزا آشنا شدیم، لازم است نگاهی به عملکرد کلی این پرینترهای سه بعدی FDM بیندازیم.

FDM از طریق اکسترود فیلامنت پلاستیکی، قطعات سه بعدی منحصر به فردی را طی یک فرایند چند مرحله‌ای به قرار زیر چاپ می‌کند:

پیش پردازش

ابتدا در نرم‌افزار Insights یا catalyst فایل CAD را با فرمت STL باز نموده، سپس نوع ماده‌‌ی انتخابی، رنگ، و ضخامت برش را تعیین می‌کنیم. سپس جهت برش را انتخاب نموده و اجازه می‌دهیم تا فرایند برش به اتمام برسد. خروجی یک فایل خواهد بود که برای ارسال به چاپگر سه بعدی آماده است.

 آماده‌سازی دستگاه چاپ سه بعدی

کارتریج‌‌های حاوی فیلامنت و مواد پشتیبانی را وارد دستگاه می‌کنیم و سیستم به طور خودکار رشته مواد را به سمت سر اکستروژن هدایت می‌‌کند. با فشردن دکمه‌ی شروع، چاپگر سه بعدی محفظه‌ی چاپ را گرم می‌کند و مواد چاپ را به دمای عملکردی می‌رساند.

شروع فرایند چاپ

در این مرحله چاپگر سه بعدی با پرینت چند لایه مواد پشتیبان به عنوان پایه شروع به کار می‌‌کند. سپس لایه‌های فیلامنت رسوب‌گذاری می‌شوند و هرلایه روی لایه قبلی قار می‌گیرد و لایه‌‌ها فورا با هم ترکیب می‌شوند.

 خروج قطعه پرینت شده و حذف مواد پشتیبان

اینک زمان حذف ساپورت‌‌هاست که بسته به نوع مواد پشتیبانی متفاوت است؛ اگر مواد پشتیبانی محلول باشند در یک مخزن و از طریق یک محلول شوینده مبتنی بر آب خارج می‌شود. چنانچه مواد پشتیبانی از نوع Break Away باشند فرایند حذف ساپورت به صورت دستی انجام می‌شود.

همانطور که می دانید قبل از اینکه یک محصول در مقایس انبوه تولید گردد لازم است که به شدت سنجش شود. از آنجایی که ترموپلاستیک‌‌ فیلامنت غالب در چاپگرهای سه بعدی FDM است و مقاومت نسبتا خوبی در برابر گرما، مواد شیمیایی و استرس مکانیکی دارد انتخابی ایده‌آل برای صنایع محسوب می‌شود. همچنین در بسته‌بندی مواد غذایی و دارو نیز استفاده از آن رایج است از این رو در صنعت پزشکی هم محبوبیت دارد.

✅ پرسش‌های متداول پیرامون طرز کار پرینترهای سه بعدی FDM ✅ 

✅ یک پرینتر سه بعدی از چه اجزایی تشکیل شده است؟

✔ اجزای یک پرینتر سه بعدی FDM به دو دسته‌‌ی مکانیکی و الکترونیکی تقسیم می‌شوند. اجزای مکانیکی پرینترهای سه بعدی شامل صفحه ساخت، فیلامنت، اکسترودر، چرخدنده، کارتریج و … و از اجزای الکترونیکی آن می‌توان به منبع تغذیه، ولتاژ، مادربرد، محرک استپر و … اشاره کرد.

✅ فیلامنت مصرفی پرینتر سه بعدی FDM چیست؟

✔ پرینترهای سه بعدی FDM از ترموپلاستیک٬ها به عنوان مواد مصرفی خود استفاده می‌کنند.

✅ مراحل پرینت سه بعدی در چاپگر FDM چیست؟

✔ پیش‌پردازش، آماده‌سازی دستگاه چاپ سه بعدی، شروع فرآیند چاپ و در نهایت خروج قطعه پرینت شده و حذف مواد پشتیبان، ۴ مرحله‌ی اصلی در فرآیند چاپ سه بعدی است.