پرینت سه بُعدی یک فرآیند ساخت و تولید متفاوت است که طرح‌های دیجیتال را با لایه‌بندی مکرر مواد به اشیاء فیزیکی تبدیل می‌کند؛ اما وقتی اولین پرینتر سه‌بُعدی خود را می‌خرید، قطعاً برایتان لحظه هیجان‌انگیزی خواهد بود و برخی از افراد حتی ممکن است دستگاه را از جعبه بیرون بیاورند و با خود فکر کنند که این دستگاه اصلاً چطور کار می‌کند؟ چاپگرهای سه‌بُعدی قطعات متحرک زیادی دارند؛
بنابراین خوب است بدانید که این دستگاه‌ها از نظر مکانیکی چگونه کار می‌کنند و بدین‌ترتیب اگر زمانی مشکلی در پرینت‌های شما پیش آمد، می‌دانید که در کجا باید به‌دنبال آن بگردید! اکنون در این مقاله به انواع مختلف پرینترهای سه‌بُعدی، فرمت‌های فایل چاپی و نحوه کار پرینتر سه بعدی می‌پردازیم. بنابراین بیایید ببینیم که طرز کار پرینتر سه بعدی چگونه است؟
بررسی تکنولوژی های پرینتر سه بعدی
اگر بخواهیم نحوه کار پرینتر سه بعدی را به‌طور کامل بررسی کنیم، احتمالاً باید یک کتاب چندجلدی درباره آن بنویسیم! چون امروزه تکنولوژی‌های بسیار زیادی برای چاپ سه‌بُعدی توسعه یافته است و پرینترهای سه‌بعدی خانگی، تجاری و آزمایشگاهی از تکنولوژی‌های مختلفی برای تولید اشیاء سه‌بعدی استفاده می‌کنند که هر یک ویژگی‌ها و کاربردهای خاص خود را دارند.
همچنین، پرینترهای مختلف برای چاپ متریال‌های مختلفی مثل پلیمرها، فلزات و سرامیک‌ها توسعه یافته‌اند. برخی از این پرینترها از پرتوی لیزر یا الکترونی برای ذوب‌کردن پودر مواد استفاده می‌کنند، برخی دیگر از یک رزین برای اتصال ذرات پودر به یکدیگر و ساخت یک «قطعه سبز» استفاده می‌کنند، برخی از آن‌ها ابتدا متریال موردنظر را ذوب می‌کنند و سپس با چکاندن قطعات مذاب بر روی یک بستر، قطعه نهایی را می‌سازند و حتی برخی از پرینترها از اشعه uv برای ساخت محصول کمک می‌گیرند.
با این‌حال، تکنولوژی پرینت سه‌بُعدی درحال‌حاضر از این هم فراتر رفته است و هرروزه روش‌های جدیدی توسط دانشمندان معرفی می‌شوند؛ اما همه این تکنولوژی‌ها یک ویژگی مشترک دارند: آن‌ها با مفهوم ساخت افزدونی (در مقابل ساخت کاهشی در فرایندهای سنتی مثل تراشکاری که در آن‌ها، برای ساخت یک قطعه باید متریال را از جنس اولیه کم کنیم)، کار می‌کنند و بنابراین می‌توانند از نظر اقتصادی به‌دلیل هدررفت کمتر مواد، مقرون‌به‌صرفه باشند (البته مزایا و معایب بسیار زیاد دیگری هم دارند که در اینجا از بیانشان صرف‌نظر می‌کنیم).
بنابراین هرچند توضیح نحوه کار پرینتر سه بعدی در یک مقاله نمی‌گنجد؛ اما در این مقاله یکی از رایج‌ترین تکنولوژی‌ها، یعنی مدل‌سازی رسوب ذوب‌شده یا FDM (Fused Deposition Modeling) را بررسی می‌کنیم. در این روش، فیلامنت‌های پلاستیکی مانند PLA، ABS یا PETG به حالت مذاب درآمده و لایه‌به‌لایه روی هم قرار می‌گیرند تا شکل نهایی ایجاد شود. پرینترهای سه بعدی FDM برای تولید نمونه‌های اولیه، قطعات مکانیکی و حتی اجزای قابل‌استفاده در صنایع مختلف کاربرد دارند. این تکنولوژی به‌دلیل هزینه‌های پایین و سهولت در استفاده حتی در بین مردم عادی و به‌عنوان یک دستگاه خانگی هم بسیار محبوب است.
بررسی قطعات سازنده پرینتر سه بعدی
اکنون برای آشنایی بیشتر با نحوه کار پرینتر سه بعدی FDM، ابتدا باید با قطعات سازنده آن آشنا شویم:
● بستر چاپ (Print Bed)
بستر چاپ سطحی است که اشیاء بر روی آن چاپ می‌شوند. معمولاً بستر چاپ شامل یک ورق شیشه‌ای، یک عنصر گرم‌کننده و نوعی سطح رویی است که به چسبیدن پلاستیک کمک می‌کند. این بستر توسط یک میز (عموما سه محوره و با مکانیزم بال اسکرو یا لید اسکرو) حرکت می‌کند.
● بستر چاپ گرم‌شده/غیرگرم‌شده
بیشتر بسترهای چاپ، پیش‌گرم‌شده هستند تا از تاب برداشتن شیء در حین چاپ جلوگیری کنند. به‌دلیل انقباض حرارتی، پلاستیک به‌طور جزئی هنگام خنک‌شدن منقبض می‌شود. این امر موجب تاب برداشتن لبه‌های شیء به‌سمت بالا و جداشدن آن از بستر می‌شود. بسترهای گرم‌شده دمای زیرین شیء را گرم نگه می‌دارند تا از این مشکل جلوگیری کنند. برخی پرینترها بسترهای گرم‌شده ندارند که این محدودیت‌هایی در انتخاب مواد چاپی ایجاد می‌کند و معمولاً فقط برای چاپ موادی مانند PLA (ماده‌ای که کمتر در معرض تاب برداشتن است) و گاهی PET مناسب است.
● سطوح بستر (Bed Surfaces)
سطح بستر به چسبیدن پلاستیک به بستر در حین چاپ کمک می‌کند و همچنین امکان برداشتن آسان آن را پس‌از اتمام چاپ فراهم می‌آورد. انواع مختلفی از سطوح بستر وجود دارد. بیشتر پرینترها با سطحی چندمنظوره مانند BuildTak یا فیلم PEI عرضه می‌شوند. بااین‌حال، برای دستیابی به بهترین نتایج، بهتر است بسته به نوع ماده‌ای که چاپ می‌کنید، از سطوح مختلف استفاده کنید.
● کالیبراسیون بستر چاپ (Bed Leveling)
بسیاری از پرینترهای سه‌بعدی سیستم‌هایی برای اطمینان از ترازبودن بستر با نازل به‌صورت خودکار دارند؛ اما برخی از پرینترها این سیستم را ندارند و نیاز به کالیبراسیون دستی دارند. مثلاً نرم‌افزار MatterControl قابلیت جبران ترازنبودن بسترهای چاپ را از طریق نرم‌افزار دارد.
● فیلامنت (Filament)
فیلامنت چیست؟ فیلامنت پلاستیکی است که توسط پرینتر مصرف می‌شود و به‌صورت یک قرقره عرضه می‌شود. پرینترها از دو اندازه مختلف فیلامنت استفاده می‌کنند: ۱.۷۵ میلی‌متر و ۳ میلی‌متر. انواع مختلفی از متریال برای فیلامنت‌ها وجود دارد.
● اکسترودر (Extruder)
اکسترودر هسته اصلی پرینتر است که در آن پلاستیک جذب، ذوب و به بیرون فشرده می‌شود. از نظر عملکرد، اکسترودر شبیه به یک تفنگ چسب داغ پیشرفته است. اگرچه اندازه آن کوچک است؛ اما بیشتر تکنولوژی پرینتر در این بخش قرار دارد. اکسترودر از دو قسمت تشکیل شده است: انتهای داغ (hot end) و انتهای سرد (cold end). انتهای سرد دارای موتوری است که فیلامنت را به داخل می‌کشد و از طریق آن، برای راندن فیلامنت به‌سمت داغ نازل فشار وارد می‌کند. انتهای داغ جایی است که فیلامنت ذوب شده و به بیرون فشرده می‌شود.
● اکسترودرهای مستقیم و Bowden
در پرینترهای دارای اکسترودر مستقیم، انتهای داغ و انتهای سرد به‌صورت مستقیم و یکی روی دیگری متصل هستند. فیلامنت به‌طور مستقیم از طریق انتهای سرد به انتهای داغ می‌رود؛ اما در تنظیمات Bowden، انتهای داغ و انتهای سرد از هم جدا هستند. انتهای سرد ثابت بوده و به قاب پرینتر پیچ شده است. فیلامنت از طریق یک لوله بلند به‌نام لوله Bowden به انتهای داغ منتقل می‌شود. این بدان معنی است که پرینتر وزن کمتری برای جابه‌جایی خواهد داشت.
● چرخ دنده هاب (Hobbed Gear)، چرخ دنده راهنما (Idler Gear)، انتهای داغ (Hot end)، کارتریج بخاری (heater cartridge)، ترموکوپل، نازل، فن خنک‌کننده و بخش‌های الکترونیک مانند میکروکنترلر، درایور موتورها و… از سایر بخش‌های رایج یک پرینتر FDM معمولی هستند.
نحوه کار پرینتر سه بعدی چگونه است؟ بررسی تکنولوژی رسوب ذوب‌شده
با شناخت این قطعات، به سادگی می‌توانیم نحوه کار پرینتر سه بعدی FDM را درک کنیم. چاپ سه‌بعدی با استفاده از پرینتر FDM (مدل‌سازی رسوب ذوب‌شده) به‌صورت زیر انجام می‌شود:
1- طراحی مدل سه بعدی
ابتدا یک مدل سه بعدی با استفاده از نرم افزارهای پرینتر سه بعدی مانند نرم‌افزارهای CAD یا از پایگاه‌های داده موجود آماده می‌شود.
2- اسلایسینگ (Slicing)
فایل طراحی به فرمت STL ذخیره و در نرم‌افزار اسلایسینگ بارگذاری می‌شود. نرم افزار اسلایسینگ، مدل را به لایه‌های نازک تقسیم و مسیر حرکت نازل را تعیین می‌کند. تنظیماتی مانند دما، سرعت چاپ و درصد پرکننده (infill) نیز در این مرحله انجام می‌شود.
3- آماده‌سازی پرینتر
فیلامنت مناسب را در اکسترودر قرار داده و بستر چاپ (print bed) را تراز و گرم می‌کنید. در صورت نیاز از مواد چسبنده برای بهبود چسبندگی لایه اول استفاده می‌شود.
4- شروع چاپ
فایل اسلایس‌شده به پرینتر ارسال می‌شود. نازل، گرم می‌شود و فیلامنت را ذوب می‌کند و لایه‌به‌لایه روی بستر چاپ قرار می‌دهد.
5- خنک‌سازی و پایان چاپ
پس‌از اتمام چاپ، قطعه به‌آرامی خنک می‌شود. پس‌از خنک‌شدن، مدل از بستر جدا می‌شود و آماده استفاده است.
سخن پایانی
در مجموع، هر یک از پرینترهای سه‌بُعدی مزایا و معایب خود را دارند و اصولاً تکنولوژی کارکرد متفاوتی دارند. بدین‌ترتیب، انتخاب نوع پرینتر سه‌بعدی به نیازهای خاص پروژه، دقت موردنظر و بودجه موجود بستگی دارد. بااین‌حال در این مقاله نحوه کار پرینتر سه بعدی FDM که رایج ترین مدل خانگی از این نوع پرینترهاست را توضیح دادیم. این پرینتر می‌تواند به‌سادگی بسیاری از ایده‌های تخیلی شما را در واقعیت بسازد!