راهنمای طراحی برای چاپ به روش (FDM)
مقدمه مترجم:
طراحی قطعات برای چاپ به کمک فناوری FDM نکاتی دارد که با قرار گرفتن در چارچوب آن، می‌توانید از ساخت سریع و ارزان یک قطعه، مطابق با طرحی که در ذهن دارید، لذت ببرید. با توجه به عدم تعریف استانداردها در بین جامعه ساخت و تولید برای فناوری‌های چاپ سه بعدی، شرکت‌های ارائه دهنده خدمات طراحی و چاپ، قالب‌های مختلفی را برای تلرانس‌ها و اصول طراحی پیشنهاد می‌کنند؛ اما اطلاع از کلیات این قواعد، به کاربران کمک می‌کند تا با ارتباطی سریع و مؤثر با مشاوران طراح هر شرکت، بهترین نتایج را دریافت کنند.
کلمات کلیدی:
چاپ سه بعدی، راهنمای طراحی، روش FDM، چاپ سه بعدی با FDM، پرینت سه بعدی ارزان، چاپ سه بعدی PLA، چاپ سه بعدی ABS
آخرین تاریخ ویرایش:
دی ماه 1400
مرور اجمالی
مدل سازی با رسوب‌گذاری مذاب (FDM) یک فرآیند ساخت به روش افزودن مواد (AM) است که در آن چاپگر به طور دقیق رشته پلاستیک ذوب شده را برای ایجاد یک قطعه اکسترود می‌کند. قطعات بسیار سفت و سخت هستند، به خصوص در مقایسه با روش پخت انتخابی با لیزر (SLS)، که این روش را برای پروژه‌هایی با نیاز به سختی بالا مناسب می‌کند.
با توجه به اینکه ضخامت فیلامنت 0.25 میلیمتر است، برخی از قسمت‌های ظریف قطعه ممکن است به درستی ایجاد نگردد. با دانستن این موضوع، پیروی از دستورالعمل‌های ذکر شده در این راهنما برای اطمینان از دستیابی به تمامی ویژگی‌های مورد انتظار برای قطعه، بسیار مهم است.
FDM همچنین به مواد پشتیبان (supports) برای برخی از بخش‌های خاص قطعات نیاز دارد؛ بنابراین مهم است که در هنگام طراحی قطعات این مورد را در نظر بگیرید تا ساختارهای پشتیبان در طول فرآیند پردازش‌های نهایی حذف شوند.
نکته:
طراحی و ساخت با روش FDM یک فرآیند پرتکرار همراه با آزمون و خطا است. اجزای قطعه همیشه همان طور که انتظار دارید در بار اول چاپ نمی‌شوند. توجه داشته باشید که تولید قطعات در FDM ترکیبی از تکرار و طراحی مجدد برای رفع خواسته‌های فرآیند ساخت است؛ بنابراین حتماً صبور باشید و با تیم کارشناس، برای طراحی صحیح قطعات همکاری کنید.
فرآیند چاپ سه بعدی FDM
تولید قطعات به روش FDM به 3 مرحله تقسیم می‌شود که شامل پیش پردازش، تولید و پس پردازش می‌شود.
پیش پردازش:
نرم افزار چاپگر، ابتدا فایل CAD سه بعدی را به لایه‌های نازکی تقسیم می‌کند. سپس برای هر قطعه، نرم‌افزار داده‌ها را به کدهایی تبدیل و مسیر ابزار چاپگر را تعیین می‌نماید.
تولید:
یک سر اکسترودر رشته پلاستیکی مایع شده را در امتداد مسیر ابزار، لایه به لایه به بیرون اکسترود می‌کند تا قطعه از پایین به بالا کامل شود.
پس پردازش:
قسمت‌های پشتیبان با حل کردن آن در آب یا شکستن آنها حذف می‌شوند. سپس پردازش‌های تکمیلی بیشتری مطابق سفارش مانند سوراخ‌کاری، سطح سازی، رنگ آمیزی، آبکاری، و مواردی از این قبیل اعمال می‌شود.
تلرانس‌های عموم
• 100 یا 50 میکرون به ازای هر 25 میلیمتر در جهت XY، بسته به بزرگی قطعه؛
• 250 یا 50 میکرون به ازای هر 25 میلیمتر در جهت Z، بسته به بزرگی قطعه؛
• کارشناس طراحی بایستی جهت قرارگیری قطعه روی سکوی ساخت را برای به حداکثر رساندن کیفیت قطعه انتخاب می‌کند، مگر اینکه طور دیگری مشخص شده باشد؛
• حداقل اندازه اجزای قابل پیاده سازی، مانند متن‌های برجسته، 0.9 میلیمتر است (اما 1.2 میلیمتر یا بیشتر در بسیاری از چاپگرها ایمن‌تر است)؛
• حداکثر ابعاد قابل ساخت در شرکت‌های بزرگ خدمات چاپ سه بعدی در جهان 600 × 900 × 900 میلیمتر است؛
• توجه شود که قطعات نایلون 12 با حجم‌های ضخیم، قطعات مسطح یا پهن و قطعات با ضخامت دیواره ناهموار به دلیل انقباض و تنش حرارتی غیر یکنواخت، مستعد انحراف یا تاب خوردن خواهند بود.
ضخامت دیواره‌ها
ضخامت دیواره‌ها با اندازه فیلامنت محدود می‌شود و معمولاً اجزای نازک‌تر از دو برابر ضخامت فیلامنت، با موفقیت چاپ نمی‌شوند. اجزایی که فقط از یک لایه فیلامنت تشکیل شده باشند، ضعیف و ناقص چاپ خواهند شد. برای سازه‌های پشتیبان، دیواره‌ها باید حداقل 1.2 تا 1.5 میلیمتر ضخامت داشته باشند تا بهترین نتایج را با اجازه دادن به فیلامنت برای پر کردن بین لایه‌ها بدست دهد.
نکته:
دیواره‌هایی که کمتر از تلرانس طراحی شده‌اند، ممکن است چاپ نشوند، یا ممکن است با خطاهای غیرمنتظره چاپ شوند، مانند اثر “برآمدگی” در دیواره جانبی در جایی که دستگاه سعی کرده تا دیواره نازک را جبران کند.
سوراخ‌ها
سوراخ‌های قطعات در روش FDM بایستی با قطر بیشتر از 1 میلیمتر طراحی شوند تا شکل دایره‌ای خود را حفظ کنند. جهت سوراخ‌ها بسیار مهم است و رزولوشن آنها زمانی که به موازات محور Z چاپ می‌شوند بهتر است. این به این دلیل است که سوراخ‌ها با دایره‌های متحدالمرکز فیلامنت در مقابل توقف‌های پلکانی بین لایه‌ها ایجاد می‌شوند.
برای افزایش دقت سوراخ‌های دررو، ممکن است توصیه شود تا سوراخ‌ها در یک فرآیند پس پردازش سوراخ‌کاری شوند.
نکته:
سوراخ‌کاری در پس پردازش فقط برای قطعات تو پر امکان پذیر است.
نوشته‌ها و جزئیات ریز
چاپ متن و جزئیات کوچک در FDM بسیار دشوار است، زیرا بسیاری از اجزای کوچک زمانی که کمتر از تلرانس‌های خاصی مانند ضخامت فیلامنت باشند، در فرآیند چاپ ایجاد نمی‌شوند.
ضخامت توصیه شده‌ای که متن‌های برجسته باید داشته باشند، حداقل 1 میلیمتر است تا به درستی چاپ گردد. متن همچنین باید حداقل1 میلیمتر ارتفاع داشته باشد، اما توصیه می‌شود 1.2 تا 1.5 میلیمتر باشد تا خوانا بوده و از خطاهای غیرمنتظره جلوگیری شود. این کار اجازه می‌دهد تا چندین لایه فیلامنت برای ایجاد متن بر روی یکدیگر قرار گیرند و همچنین باعث می‌شود تا خطر شکستگی اجزای متن کاهش یابد.
حتماً از فونت‌های متنی معمولی و بزرگ استفاده کرده، و از استفاده از فونت‌های فشرده و کوچک خودداری کنید.
برای دستیابی به بهترین نتایج، تمام متن‌ها باید موازی با سطح سکوی ساخت باشند، زیرا به لایه‌ها اجازه می‌دهد تا به طور تمیز روی هم چیده شده و از کاراکترها و جزئیات “فشرده” اجتناب شود.
شکاف‌ها
یک تلرانس خوب برای شکاف‌های نازک، حفظ عرض بیشتر از 5 میلیمتر است تا اطمینان حاصل شود که تمام بخش‌های پشتیبان می‌توانند به خوبی حذف شوند.
جهت‌گیری شکاف‌ها به طوری که دهانه آنها موازی با صفحه XY باشد، راه خوبی برای اطمینان از وضوح سطوح قطعه است. این کار همچنین نیاز به استفاده از بخش‌های پشتیبان در قطعه را کاهش می‌دهد.
زبانه‌ها
زبانه‌ها در FDM، به خصوص برای قطعات بزرگتر، بسیار مستعد شکسته شدن هستند. اولین کاری که باید انجام دهید این است که اندازه زبانه‌ها را تا حد امکان بزرگ کنید (این اندازه بستگی به کاربرد و اندازه کلی قطعه دارد).
جهت‌گیری زبانه‌ها به موازات صفحه XY نیز استحکام زبانه را افزایش و خطر شکستگی آن را کاهش می‌دهد. طراحی با قابلیت تعویض زبانه‌ها، یکی دیگر از راه‌های عالی برای استفاده از زبانه‌ها در روش FDM است، به طوری که زبانه‌ها می‌توانند به طور جداگانه در بهترین جهت چاپ شوند و پس از پردازش بر روی قطعه الصاق شوند.
زوایای گوشه
زوایای گوشه یکی از اجزای مفید طراحی در هر فرآیند تولید به روش افزودن مواد (AM)، به ویژه FDM، به منظور تقویت اجزای شکننده هستند. زوایای گوشه استحکام ساختاری قطعه را تا حد زیادی افزایش می‌دهند و به ساختن طبیعی سطوح کمک می‌کنند و همچنین از لزوم استفاده از مواد پشتیبان جلوگیری می‌کنند.
مواد پشتیبان برای سطوح با شیب بیش از 45 درجه نسبت به زاویه عمود بر سطح زمین مورد نیاز هستند؛ بنابراین افزودن زوایای گوشه به رشد تدریجی سطح و حفظ مداوم آن کمک می‌کند.
نکته:
استفاده از زوایای گوشه با شعاع بزرگتر، با ایجاد سطح بیشتر بین اجزای قطعه به افزایش استحکام قطعه کمک می‌کند.
ریب‌ها
جایگزین عالی دیگر برای زوایای گوشه برای افزایش استحکام سازه‌های نگهدارنده، افزودن ریب‌ها است. این به این دلیل است که ریب‌ها نیروی وارد شده به سازه را در سطح بیشتری توزیع می‌کنند. هنگام ایجاد ریب‌ها، رعایت تلرانس‌های مشخص شده در بخش ضخامت دیواره‌ها بسیار مهم است تا اطمینان حاصل شود که آنها خیلی نازک نیستند و در حین چاپ شکسته نمی‌شوند یا حتی چاپ نمی‌شوند. به همین دلیل، حداقل ضخامت ایمن برای ریب‌ها که باید رعایت شود 1.5 میلیمتر است تا اجازه دهد چندین لایه فیلامنت در داخل هر ریب قرار گیرد.
پر کننده‌ها
یک راه عالی برای صرفه جویی در هزینه ساخت قطعات حجیم به روش FDM، تغییر نوع پر کردن آنها است. سه گزینه مختلف برای پرکردن قطعات FDM پیشنهاد می‌شود:
• فوق سبک: متشکل از یک الگوی متقاطع در سراسر قطعات است؛ این پرکننده مقرون به صرفه‌ترین روش برای قطعات حجیمی است که نیازی به استحکام زیادی ندارند.
• سبک: این بهترین گزینه بعدی برای قطعاتی است که نیاز به حفظ استحکام در عین پایین نگه داشتن قیمت دارند. در این روش یک الگوی متقاطع دوتایی در سراسر قطعه برای حفظ استحکام آن در بخش‌های داخلی تشکیل می‌شود.
• تو پر: شیوه استاندارد و قوی‌ترین گزینه برای ساخت قطعات FDM است که در آن مواد به طور کامل در سراسر قطعه پر شده است.
جهت‌گیری
جهت‌گیری قطعات در FDM تأثیر بسیار زیادی بر استحکام و ظاهر کلی آن، به خصوص برای اجزای ظریف و متحدالمرکز دارد. در حالی که لایه‌ها موازی با صفحه XY چاپ می‌شوند، اجزای متحدالمرکز به بهترین شکل ایجاد می‌گردند. بسیاری از اجزای ظریف مانند زبانه‌ها هنگامی که به موازات صفحه XY چاپ می‌شوند قوی‌تر هستند.
طراحی یک قطعه به گونه‌ای که اجزای شکننده و متحدالمرکز آن در یک جهت رشد کنند، به تعیین بهترین جهت برای چاپ یک قطعه کمک می‌کند.
نکته:
اگر سطوح پهن قطعه در جهت موازی با صفحه XY قرار گیرند، هزینه و زمان زیادی را در ساخت قطعه صرفه جویی خواهند کرد.
با چاپ قطعه نشان داده شده از پایین به بالا، زبانه‌های عمودی بسیار ضعیف خواهند بود و ممکن است بین لایه‌ها شکستگی بوجود آید. با این حال مشکل انتخاب اجزای متحدالمرکز در جهت محور عمود حل شده است و هیچ لایه پلکانی وجود ندارد. در حالی که چاپ همان قطعه با جهت‌گیری به صورت تصاویر کنار آن، زبانه‌ها بسیار قوی‌تر چاپ می‌شوند، اما اجزای متحدالمرکز به شکل قابل توجهی پلکانی خواهند شد.
سطوح پایانی
FDM در مقایسه با سایر فرآیندهای چاپ سه بعدی به دلیل فرآیند لایه به لایه اکسترود کردن فیلامنت پلاستیکی، سطحی ناهموار و لایه لایه را ایجاد می‌کند. ناهمواری در این لایه‌ها “پله‌ها” به ویژه برای سطوح با زاویه کم و منحنی، قابل توجه است.
طراحی قطعات به گونه‌ای که منحنی‌ها و سطوح زاویه‌دار بتوانند به موازات سکوی ساخت قطعه رشد کنند می‌تواند این ناهمواری‌ها را کاهش دهد. همچنین افزایش زوایا یا انحناها در طراحی برخی قطعات می‌تواند راهکار مناسبی برای رفع این مشکل باشد.
نکات نهایی
برای ساخت قطعات به روش FDM استفاده از مواد زیر رایج است:
• ABS: قوی، مقرون به صرفه، ترموپلاستیک، رنگ‌های متنوع؛
• Ultem: مستحکم‌ترین و مقاوم‌ترین پلاستیک موجود در FDM؛
• ASA: پلاستیک مقاوم در برابر اشعه ماوراء بنفش، مقرون به صرفه، بادوام، با رنگ‌های متنوع؛
• پلی کربنات (PC): ترموپلاستیک صنعتی پرکاربرد، دارای استحکام کششی و خمشی بالا؛
• نایلون: استحکام ضربه‌ای عالی که به طور گسترده در تولید سنتی استفاده می‌شود؛
• PPSF: پلاستیک قابل استریل، مستحکم و با کارایی بالا.
مواد ABS، PC، Ultem و PPSF را می‌توانید استریل کنید تا در کاربردهای بیشتری از جمله پزشکی و دندان‌پزشکی از آنها بهره ببرید.
قطعات FDM به دلیل استحکام شناخته می‌شوند، بنابراین بسیاری از اجزای مکانیکی را می‌توان بدون به خطر انداختن ساختار یکپارچه‌ی سازه قطعه بر روی آن اعمال کرد. اجزای احتمالی عبارتند از:
• زبانه‌ها
• افزونه‌ها
• پین‌ها
