چاپ سه بعدی با روش رسوبگذاری مذاب (FDM)

تولید قطعات با روش افزودن مواد (AM) یا چاپ سه بعدی از سال 1980 یک روش رایج برای ایجاد نمونه‌های اولیه بوده است و به سرعت به سریع‌ترین و مقرون به صرفه‌ترین راه برای ساخت محصولات مصرفی سفارشی تبدیل شده است. اما این فناوری مدرن چگونه کار می‌کند؟
چندین روش مختلف برای چاپ سه بعدی وجود دارد، اما پرکاربردترین آن‌ها فرایندی است که با نام مدلسازی با رسوب‌گذاری مذاب یا Fused Deposition Modeling (FDM) شناخته می‌شود. چاپگرهای FDM از یک رشته گرمانرم پلاستیکی استفاده می‌کنند که تا نقطه ذوب گرم شده و سپس لایه به لایه اکسترود می‌شود تا یک شی سه بعدی ساخته شود.
فناوری FDM در دهه 1980 توسط اسکات کرامپ ، بنیانگذار و رئیس Stratasys Ltd.، تولید کننده برجسته چاپگرهای سه بعدی اختراع شد. دیگر سازمان‌های چاپ سه بعدی از آن زمان فناوری‌های مشابهی را با نام‌های مختلف به کار گرفته‌اند. شرکت MakerBot مستقر در بروکلین (که در حال حاضر متعلق به Stratasys است) بر اساس یک فناوری تقریباً یکسان موسوم به Fused Filament Fabrication (FFF) تأسیس شد.

FDM چگونه کار می‌کند؟

ایجاد یک مدل با چاپگر FDM، با طراحی آن به کمک کامپیوتر در قالب یک فایل کد (CAD) شروع می‌شود. قبل از چاپ یک شیء، فایل CAD آن باید به فرمی تبدیل شود که چاپگر سه بعدی آن را می‌فهمد که معمولاً فرمت STL است.
چاپگرهای FDM از دو نوع مواد استفاده می‌کنند، یک ماده مدل سازی، که شیء تمام شده را تشکیل می‌دهد و یک ماده پشتیبانی، که به عنوان یک داربست عمل می‌کند تا شیء را هنگام چاپ نگه دارد.
در حین چاپ، این مواد به شکل نخ‌های پلاستیکی یا رشته‌هایی در می‌آیند که از قرقره باز شده و از طریق یک نازل اکستروژن تغذیه می‌شوند. نازل رشته‌ها را ذوب کرده و آن‌ها را بر روی پایه‌ای که بعضاً سکوی ساخت یا میز نامیده می‌شود، خارج می‌کند. نازل و پایه هر دو توسط رایانه کنترل می‌شوند که ابعاد یک شیء را به مختصات X ، Y و Z تبدیل می‌کند.
در یک سیستم معمولی FDM، نازل اکستروژن بر روی سکوی ساخت به صورت افقی و عمودی حرکت می‌کند و یک سطح مقطع از یک جسم را بر روی سکو ترسیم می‌کند. این لایه نازک از پلاستیک، سرد و سفت می‌شود و بلافاصله به لایه زیرین می‌چسبد. پس از تکمیل یک لایه، پایه به اندازه رزولوشن پیش بینی شده برای ارتفاع لایه‌ها پایین می‌آید تا مرحله بعدی لایه‌گذاری پلاستیک آغاز شود.
زمان چاپ بستگی به اندازه شیء تولید شده دارد. اجسام کوچک با حجم محدود مثلاً چند سانتی‌متر مکعبی و اجسام بلند و نازک به سرعت چاپ می‌شوند، در حالی که اجسام بزرگتر و پیچیده‌تر از نظر هندسی، زمان بیشتری برای چاپ نیاز دارند. در مقایسه با سایر روش‌های چاپ سه بعدی، مانند استریولیتوگرافی (SLA) یا پخت انتخابی با لیزر(SLS)، FDM یک فرایند نسبتاً کند است.
هنگامی که جسمی از چاپگر FDM خارج می‌شود، بخش‌های پشتیبان آن یا با خیساندن جسم در محلول آب و مواد شوینده برداشته می‌شوند و یا در مورد مواد بر پایه‌ی ترموپلاستیک، بخش‌های پشتیبان با دست جدا می‌شوند. اشیاء همچنین ممکن است سنباده، آسیاب، رنگ آمیزی یا آبکاری شوند تا عملکرد و ظاهر آن‌ها بهبود یابد.

خروجی این فرآیند چگونه است؟

FDM در شرکت‌های فعال در صنایع مختلف، از خودروسازی (BMW ، Hyundai ، Lamborghini) گرفته تا تولید محصولات مصرفی (Black and Decker، Dial، Nestle) محبوب است. این شرکت‌ها در طول فرآیند‌های توسعه محصول، نمونه سازی و تولید، از تکنولوژی FDM استفاده می‌کنند.
متداول‌ترین نوع چاپ برای FDM، آکریلونیتریل بوتادین استایرن (ABS) است، یک ترموپلاستیک رایج که برای تولید بسیاری از محصولات مصرفی، از آجرهای لگو (LEGO) گرفته تا قایق‌های سفید رنگ استفاده می‌شود. همراه با ABS، برخی از دستگاههای FDM همچنین از ترموپلاستیک‌های دیگر مانند پلی کربنات (PC) یا پلی اتریمید (PEI) برای چاپ قطعات استفاده می‌کنند. مواد پشتیبان نیز معمولاً موم‌های حل شونده در آب یا ترموپلاستیک‌های شکننده هستند، مانند پلی فنیل سولفون (PPSF).
ترموپلاستیک‌ها می‌توانند گرما، مواد شیمیایی و فشار مکانیکی را تحمل کنند، که آن‌ها را به ماده‌ای ایده‌آل برای چاپ نمونه‌های اولیه تبدیل می‌کند که باید در آزمایش‌های مختلف مقاومت کنند. از آنجا که FDM می‌تواند اشیاء با جزئیات بالا را چاپ کند، معمولاً توسط مهندسین در مواردی استفاده می‌شوند که باید قطعات را برای تناسب و فرم آزمایش نمایند.
FDM همچنین برای تولید قطعات کاربردی به ویژه قطعات کوچک و دقیق و ابزارهای تخصصی تولید استفاده می‌شود. برخی از ترموپلاستیک‌ها حتی می‌توانند در بسته‌بندی مواد غذایی و دارویی مورد استفاده قرار گیرند که FDM را به یک روش پرینت سه بعدی در صنعت پزشکی تبدیل کرده است.
چاپگرهای حرفه‌ای FDM معمولاً بین 10000 تا 300000 دلار قیمت دارند، که آن‌ها را به یکی از ارزان‌ترین گزینه‌ها برای مشاغل، جهت سرمایه‌گذاری بر روی یک سیستم پرینت سه بعدی کامل تبدیل می‌کند.

چه شرکت‌هایی از تکنولوژی FDM استفاده می‌کنند؟

در حالی که Stratasys مخترع اصلی تکنولوژی FDM محسوب می‌شود، تنها شرکتی نیست که از این فناوری سود می‌برد. در دو دهه گذشته، FDM به پرکاربردترین روش چاپ سه بعدی در جهان تبدیل شده است.
بسیاری از شرکت های تولید کننده چاپگرهای FDM همچنین طیف وسیعی از خدمات چاپ سه بعدی، از جمله مدل سازی و چاپ سه بعدی قطعات را به مشتریان ارائه می‌دهند.

FMD در خانه

برخی از چاپگرهای FDM مانند 3D System’s Cube، MakerBot’s Replicator و Stratasys’ Mojo برای استفاده علاقمندان، مخترعین و صاحبان مشاغل کوچک طراحی شده‌اند. آن‌ها کوچک، کارآمد و کاربرپسند هستند.
اما داشتن یکی از این چاپگرهای سه بعدی در خانه ارزان نیست. چاپگرکیوب (Cube) یکی از مقرون به صرفه‌ترین چاپگرهای FDM رومیزی در بازار، با قیمت 1299 دلار است. ماشین‌های MakerBot حتی گرانتر هستند و قیمت آن‌ها از 2549 دلار تا 3299 دلار و قیمت Stratasys’ Mojo کمی کمتر از 10،000 دلار است.
با این حال ، این فناوری محبوب ارزانتر می‌شود، زیرا استارتاپ‌های چاپ سه بعدی، مانند Pirate3D مستقر در کالیفرنیا، به دنبال وارد کردن فناوری سه بعدی به منازل مصرف کنندگان عادی هستند. Buccaneer Pirate3D نیز چاپگرهای سه بعدی خود را تنها با قیمت 347 دلار می‌فروشد.
علاقه مندان به فناوری 3D که مایل به خرید چاپگر FDM رومیزی نیستند، می‌توانند چاپگر خود را بسازند. سایت‌های زیادی برای فروش کیت و قطعات وجود دارد، که یک نمونه از آن “replicating fast-prototyper” یا RepRap یک پروژه طراحی چاپگر سه بعدی اپن سورس است که در دانشگاه Bath در بریتانیا تأسیس شده است. این چاپگر FDM به طور مداوم در حال پیشرفت است، اما هدف نهایی پروژه ایجاد چاپگر سه بعدی است که می‌تواند نسخه‌های جدید خود را چاپ کند.

منابع:

www.livescience.com/39810-fused-deposition-modeling.html