محققان دانشگاه ام‌آی‌تی، پرینتر سه ‌بعدی FDM با 10 برابر سرعت ساختند

پرینتر سه بعدی FDM با 10 برابر سرعت

پرینتر سه ‌بعدی FDM محصول شرکت Stratasys است. در اين فرآيند لايه‌ها از مواد ترموپلاستيك كه به شكل مفتول رشته‌اي (فیلامنت) مي‌باشند، ساخته مي‌شود. همانند ساير روش‌هاي نمونه‌سازي، در اين روش نيز از مدل CAD لايه لايه شده، استفاده مي‌شود.

از جمله مزایای پرینتر سه بعدی FDM می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

1- به کمک این روش می‌توان نمونه‌هایی مشابه با قطعات اصلی تولید کرد.

2- در این فرآیند حداقل اتلاف مواد وجود دارد. چراکه قطعات توسط اکستروژن مواد نیمه‌مذاب ساخته می‌شوند، بنابراین فقط به میزان مورد نیاز برای ساخت مدل و ساپورت از ماده اولیه مصرف می‌شود و اتلاف مواد حداقل است، همچنین مدل‌های ساخته شده به دلیل کیفیت بالا به حداقل میزان تمیزکاری نیاز دارند.

3- ساپورت‌ها به راحتی از محصول جدا می‌شوند و نیاز به عملیات پرداخت خاصی وجود ندارد.

4- مواد اولیه در پرینتر سه بعدی FDM به راحتی قابل تعویض و جابه‌جا شدن هستند.

5- پرینتر سه بعدی FDM در انواع محیط‌ها قابل استفاده و عاری از دود، بخار سمی و بخار شیمیایی است.

6- فرآیند پرینت سه بعدی FDM، تمیز، ساده و آسان است.

7- برای ساخت قطعات توخالی و بطری‌شکل سرعت عمل بالایی دارد.

در ادامه به نوآوری صورت گرفته در پرینتر سه بعدی FDM با 10 برابر سرعت خواهیم پرداخت:

مهندسین دانشگاه صنعتی ماساچوست(ام‌آی‌تی) یک پرینتر سه‌بعدی FDM را ایجاد کرده‌اند که با کمک یک لیزر، 10 برابر سریع‌تر از پرینترهای سه بعدی رومیزی معمول، عمل پرینت سه بعدی را انجام می‌دهد. اگر چه در آن از لیزر استفاده شده است، اما هنوز هم یک فرآیند مدل سازی رسوب‌دهی آمیخته یا همان FDM(fused deposition modeling) به شمار می‌رود.

کلید نوآوری در پرینتر سه‌بعدی FDM با 10 برابر سرعت در اکسترود آن است. این پرینتر توسط دو دانشجو در دانشگاه ام‌آی‌تی ساخته شده است و در آن همانند پرینتر سه بعدی SLA و SLS از لیزر استفاده می‌‌شود. به‌طور معمول از لیزر در پرینتر سه بعدی FDM استفاده نمی‌شود، بلکه از اکسترودر و یک فرآیند حرارتی مکانیکی تماسی برای ذوب فیلامنت استفاده می‌شود.

چگونه سرعت پرینتر سه‌بعدی FDM افزایش می‌یابد؟

خوشبختانه، دانشگاه ام‌آی‌تی اخیراً یک دوره آموزشی پرینت سه بعدی را ارائه داده است. این دانشگاه پرینتر سه‌بعدی FDM با 10 برابر سرعت خود را به جای استفاده از ساختار اکسترودرهای معمول، با لیزر توسعه داده است. در حالی که لیزر به سرعت با حرارت بالا باعث ذوب مفتول می‌شود، باعث تغذیه نازل مفتول پلاستیکی می‌شود.

به این دلیل که در این پرینتر سه بعدی بسیار سریع از لیزر استفاده می‌شود، فیلامنت‌های معمول پس از ذوب شدن نمی‌توانند چسبندگی مطلوب را به دست آورند. به همین خاطر این پرینتر از یک فیلامنت مخصوص استفاده می‌کند که چسبندگی لایه‌ها را افزایش می‌دهد و امکان تغذیه‌ی سریع‌تر اکسترودر را فراهم می‌کند.

حل مشکلات پرینتر سه بعدی FDM

جان هارت، دانشجوی دانشگاه ام‌آی‌تی و یکی از سازندگان پرینتر سه بعدی FDM با 10 برابر سرعت، معتقد است که این پرینتر می‌تواند به تولید انبوه و ساخت سریع(که یکی از ویژگی‌های ماهوی ساخت افزایشی و پرینت سه بعدی است) کمک کند. تصور کنید که این پرینتر سه بعدی FDM زمان پرینت سه بعدی یک‌ساعته را تا 6 دقیقه کاهش می‌دهد. این امر باعث ایجاد فرصت‌ها و موقعیت‌های بیشتری در محل کار می‌شود. علاوه بر این، کارخانه‌ها می‌توانند قطعات یدکی را به آسانی چاپ کنند. هارت همچنین توضیح می‌دهد که این پرینتر سه بعدی FDM سریع می‌تواند یک راه حل مناسب در شرایط اضطراری پزشکی باشد.

همچنین سازندگان آن افزودند که این پرینتر سه بعدی برای جبران ضعف‌های زیرتکنولوژی FDM ساخته شده است: سرعت، نیروی اکستروژن کم و انتقال حرارت آهسته. هارت توضیح می‌دهد که: “با توجه به درک ما از این که این سه متغیر چه چیزی را محدود می‌کنند، ما متعجب بودیم که چگونه می‌توانیم پرینتری را طراحی کنیم که تمام سه پارامتر را در یک سیستم بهبود بخشد. ما آن را توسعه دادیم و به خوبی جواب داد. “

از پرینتر سه بعدی FDM با 10 برابر سرعت می‌توان در ساخت مدل‌های تجسمی و نمایشی که نیاز به دقت بالا نیز دارند استفاده کرد. همچنین از این پرینتر سه بعدی می‌توان به منظور ساخت نمونه‌هایی برای طراحی آنالیز و تست عملکردی در دانشگاه استفاده کرد.

دانشگاه ام‌آی‌تی، دیگر چه ضعف‌هایی را جبران می‌کند؟

یکی از مشکلات پرینترهای سه بعدی تکرارپذیری آن‌ها است. یعنی ساخت قطعات کاملاً مشابه از نظر ابعاد، هندسه و پارامترهای فرآیند، گاهی تحت تأثیر عوامل غیرقابل پیش‌بینی دچار مشکل و پیچیده می‌شود. اما استفاده از پرینتر سه بعدی FDM با 10 برابر سرعت می‌تواند این مشکل را تا حد زیادی کاهش دهد.

مشکل دیگری که به‌واسطه‌ی پرینتر سه بعدی با 10 برابر سرعت دانشگاه ام‌آی‌تی حل شده است، صافی سطح قطعه‌ی نهایی است. در فرآیند پرینت سه بعدی به دلیل ساخت لایه‌به‌لایه، سطح دچار پله پله شدن می‌شود. اما به دلیل وجود نیروی کافی و افزایش انتقال حرارت در پرینتر سه بعدی FDM جدید، این مشکل نیز تا حد امکان برطرف شده است.

از دیگر مسائل حائز اهمیت در پرینترهای سه بعدی، بحث استحکام است که به شدت تحت تأثیر جنس ماده اولیه‌ی مورد استفاده و پارامترهای فرآیند است. در پرینتر سه بعدی FDM، استحکام قطعات ساخته شده به دلیل استفاده از مواد پلیمری، اتصال ضعیف و حفره‌های به وجود آمده در بین فیلامنت‌های اکسترود شده، پایین است. بنابراین باید چاره‌ای برای بهبود شرایط فرآیندی در نظر گرفته می‌شد. در پرینتر سه بعدی FDM با 10 برابر سرعت دانشگاه ام‌آی‌تی، به دلیل افزایش نیرو و بهبود شرایط انتقال حرارتی و از همه مهم‌تر افزایش سرعت، شرایط فرآیندی بهبود پیدا کرده است و از ایجاد حفره‌ها در قطعه جلوگیری شده است. این تغییرات در نهایت باعث افزایش سطح استحکام قطعات پرینت سه بعدی شده می‌شود.

دقت ابعادی از دیگر جنبه‌های حائز اهمیت در پرینترهای سه بعدی است که مانع پیشرفت این نوع فرآیندها در تولید قطعات کاربردی و دقیق شده است. دقت ابعادی به صورت اختلاف در ابعاد بین اندازه‌های مدل CAD و قطعه ساخته شده تعریف می‌شود. یکی از دلایل اصلی این عامل انقباض ماده و پارامترهای فرآیند است. پرینتر سه بعدی FDM با 10 برابر سرعت تا حدی باعث بهبود شرایط و کاهش خطا در ابعاد شده است.