FDM

Fused Deposition Modeling

خلاصه

پرینت سه‌بعدی از طریق ریختن ترموپلاستیک مذاب و تشکیل لایه‌ها آسان‌ترین و معمول‌ترین تکنولوژی‌های پرینت سه بعدی است

که همواره با نام اختصاری FDM شناخته می‌شود و به دلیل قدیمی بودن این نام یک نام تجاری شناخته می‌شود که البته توسط شرکت Stratasys در سال ۱۹۹۰ میلادی ثبت شده‌است.
البته در آن زمان دستگاه‌های FDM به شکل امروزی پرکاربرد نبودند و شرکت Stratasys به تولید صنعتی آن‌ها می‌پرداخت ولی از سال ۲۰۰۹ میلادی دستگاه‌های خانگی و دست‌ساز ظهور کردند و هم‌اکنون با وسعت زیادی در حال پیشرفت هستند.

در ابتدا یک فیلامنت تروموپلاستیک در داخل پرینتر قرار داده می شود. هنگامی که نازل به دمای مطلوب رسید، فیلامنت به سر اکسترودر تغذیه شده و نازل آن را ذوب می کند.

سر اکسترودر به یک سیستم ۳ محور متصل شده است که اجازه حرکت در جهت های X ، Y و Z را می دهد.
مواد ذوب شده در رشته های نازک بیرون آمده و به صورت لایه به لایه در مکان های از پیش تعیین شده ریخته شده و خنک و سفت می گردند.
گاهی اوقات عمل خنک کردن مواد از طریق به کار بردن یک فن متصل به سر اکسترودر انجام می گیرد.

برای پر کردن یک ناحیه چندین پاس موردنیاز است. (مثل رنگ کردن یک مستطیل با مدادرنگی) هنگامی که یک لایه به پایان رسید،
سطح ساخته شده به پایین حرکت خواهد نمود (یا در بعضی از ماشین ها با تنظیمات متفاوت، سر اکسترودر به سمت بالا حرکت می کند) و یک لایه جدید ریخته می شود و این روند تا زمانی که شکل کامل گردد تکرار می گردد.
این تکنولوژی در هر صورت برای پرینت قطعات با برآمدگی و فرورفتگی به پایه‌های حمایتی(ساپورت) نیاز دارد و بعد از اتمام پرینت نیز سطح آن باید بهبود بخشیده شود. (پرداخت)

فایل سه بعدی را از طریق نرم افزار های متفاوتی تبدیل به g- code تبدیل می شود و از طریق اتصال کامپیوتر به دستگاه و یا از طریق SD card وارد دستگاه می شود.

پرینتر سه بعدی های FDM از رایج ترین پرینتر سه بعدی در جهان محسوب می شود که امید است که در آینده ایی نچندان دور پرینتر سه بعدی های FDM همانند پرینتر های چاپ کاغذ که امروزه در اکثر خانه ها و شرکت ها دیده می شود جای خود را تثبیت کند چرا که این نوع پرینتر برای ساخت هر شیئ که جنس آن پلاستیک باشد می تواند با هر شکل پیچیده ایی که حجم دارد به راحتی آن را بسازد.

پرینتر سه بعدی FDM به دلیل نداشتن محدودیت در شکل ظاهری جسم برای تولید کاربرد های متنوع و جالبی را دارد ، و در زمینه های متفاوتی از جمله: صنعتی ، پزشکی ، معماری ، مجسمه سازی ، قالبسازی ، روباتیک ، شیرینی پزی و هر شکلی که در ذهن شما باشد می تواند فعالیت کند.

پرینتر های سه بعدی FDM از کیفیت مناسبی برخوردار هستند و معمولا رزولیشن این نوع پرینتر های سه بعدی از ۱۰۰ میکرون می باشد و در صورتی که کیفیت ساخت پرینتر سه بعدی خوب باشد میتوان تا رزولوشن ۲۵ میکرون نیز قطعه ای را تولید کرد.

پرینتر سه بعدی FDM  توان پرینت بیش از ۴۰ نوع متریال را دارد از جمله رایج ترین آنهاPLA, ABS, PBA,
خروجی نهایی پرینتر سه بعدی FDM جسمی با استحکام قابل قبول و با هر میزان پیچیدگی و متریال های متنوع می باشد.

مواد FDM معمولی:

یکی از نقاط قوت FDM طیف گسترده ای از مواد موجود است. این می تواند از ترموپلاستیک های کالایی

مواد مورد استفاده بر خواص مکانیکی و دقت بخش چاپ شده، و حتی قیمت آن نیز تاثیر می گذارد.

هزینه های پایین تر نسبت به دیگر روش ها
اکثر شرکت ها به دلیل هزینه پایین و راحتی کار روش FDM را انتخاب می کنند.

در مقایسه با روش های دیگر FDM بسیار ارزان است و همین امر باعث پرکاربرد بودن این روش می گردد، زیرا برای شرکت ها بسیار حائز اهمیت است که بدانند تولید با استفاده از تکنولوژی پرینت سه بعدی نسبت به روش سنتی بسیار ارزان تر است.
پودری که در روش های پرینت SLS و ماده ای که در روش SLA به کار می رود بسیار گران بوده، در مقابل موادی که در روش FDM استفاده می شوند (فلامینت ها) هزینه ها بسیار پایین تری دارند.

به همین دلیل روش FDM برای بسیاری از مشتری ها جذاب تر است.

محدوده وسیع در مواد
از آنجا که دامنه فلامینت ها بسیار گسترده است، شرکت ها می توانند مواد را به راحتی و با هزینه کم تغییر دهند.

همچنین این قابلیت وجود دارد که به صورت همزمان بسیاری از جنس ها را چاپ نمایند که این امر چاپ پیچیده ترین مدل ها را ممکن می سازد، همچنین چاپ با رنگ های مختلف امکان پذیر است.
بر اساس آخرین آمارها تکنولوژی FDM بسیار بیشتر از سایر تکنیک های چاپ سه بعدی قابل دسترس است.

آمارها نشان می دهد که مردم تمایل دارند این تکنیک را به سرعت انتخاب و به آسانی به خروجی برسند. این موضوع باعث می شود تکنولوژی FDM برای شرکت هایی که تجربه چاپ سه بعدی کم یا تجربه کمی در تولید داشته جذاب باشد،

همچنین شرکت هایی که قبلا  تکنولوژی FDM را به کاربرده اند مجددا تمایل دارند از آن استفاده نمایند.

دقت و کیفیت ساخت  

در پرینترهای سه بعدی متریال فیلامنت (FDM)، رزولوشن بستگی مستقیمی با فاکتور سایز نازل و دقت حرکت اکسترودر در محورهای X و Y دارد.

 البته دقت و نرمی مدل ساخته شده وابسته به عوامل دیگری نیز هست: مثلا میزان کشش بافت لایه ها در روش FDM نسبت به SLA کمتر است یا میزان ازدیاد وزن لایه های بالایی نسبت به سطوح پایینتر که خطاهایی مثل ترک خوردگی، نامتوازن شدن لایه ها، جداشدن لایه ها، لایه اول خراب و غیره را ایجاد میکند. (warping, misalignment of layers, shifting of layers, shrinking …).

این توضیح به معنی عیب فناوری FDM نیست بلکه تنها شرایط ساخت را واضح میکند. تنظیمات چاپ اصلا سخت نیست و به راحتی فرآیند چاپ تکمیل میشود. در صورت بروز مشکل نیز راهنما و شرایط عیب یابی و برطرف کردن مشکل در اغلب موارد آسان است و با جستجو در اینترنت رفرنسهای فراوانی یافت میشود.

به طور خلاصه حداکثر روزولوشن پرینتر FDM به میزان ۲۰ میکرون است (با دقت ۱۰۰ تا ۲۰۰ میکرون نیز کیفیت قابل قبول است). دقت کنید که با افزایش دقت چاپ، میزان مصرف مواد و زمان ساخت افزاید.

کاربرد :

مدل های مفهومی

در ابتدای فرآیند طراحی می توانید از FDM جهت بررسی شکل، تناسب و راحتی طرح خود استفاده کنید.

سپس طراحی خود را بر اساس هر نوع نقصی که شناسایی کردید؛

به روز رسانی نمایید. فرآیند تکرار را تا زمانی که یک مفهوم و یا تصور بی نقص پیدا نکرده اید ادامه دهید.

گذر از دنیای دو بعدی به قطعات فیزیکی، فرآیند توسعه ی محصولات را سرعت بخشیده و هزینه ها را کاهش می دهد.

نمونه های کاربردی

جهت محک زدن طرح خود می توانید یک نمونه ی دقیق کاربردی بسازید. قطعات FDM را برای تست های عملیاتی و ارزیابی های دقیق مهندسی استفاده کنید. زمان تولید اجزای نمونه های کاربردی معمولا از چند ساعت تا نیمه های شب به طول می انجامد. این کار به شما اجازه می دهد تا نواقص احتمالی را قبل از آنکه قطعه به یک محصول مهندسی پر هزینه تبدیل شود رفع نمایید. همچنین زمان فرستادن محصول به بازار را کاهش می دهد و عملکرد محصول را به حداکثر می رساند.

ابزارهای ساخت

آیا در فرآیند تولید کارخانه ی شما نیازی به وسایل، لوازم جانبی، ابزار اندازه گیری، الگوها، قالب و … است؟ شما می توانید آنها را با پرینتر سه بعدی تولید و تهیه کنید به جای آنکه وقت، پول خود را صرف ماشین، ساخت، قالب و یا شکل دادن آنها کنید. پرینتر سه بعدی تولید FDM نه تنها وقت و هزینه ابزار تولید را کاهش می دهد بلکه فرآیند مونتاژ را بهبود می بخشد. تولید بر اساس لایه گذاری این امکان را به شما می دهد تا اشکال سبک وزن، پیچیده و راحت را طراحی کنید که باعث می شود تولید بسیار موثر و با کیفیت باشد.

کالاهای تمام شده

کمپانی های هوا فضا، سازندگان تجهیزات پزشکی، خودرو سازان و … از جمله صنایعی هستند که می توانند از پرینتر سه بعدی استفاده کنند. به جای استفاده از فرآیندهای تولید سنتی قالب گیری تنها با یک پرینتر سه بعدی می توانید قطعات خود را بسازید. با کم رنگ شدن فرآِیندهای سنتی هم میتوان از هدر رفت زمان جلوگیری کرد و هم اینکه میتوان هر زمان که نیاز بود در طراحی خود تجدید نظر کرد.

پارامترهای پرینتر :

بیشتر سیستم های FDM اجازه تنظیم چند پارامتر فرآیند، از جمله دمای هر دو نازل و پلت فرم ساخت،

سرعت ساخت، ارتفاع لایه و سرعت فن خنک کنندهرا می دهد. این معمولا توسط اپراتور تعیین می شود.

از منظر طراح مهم است که اندازه و ارتفاع لایه را ایجاد کنید:

اندازه ساخت موجود برای یک پرینتر سه بعدی رومیزی معمولا ۲۰۰ × ۲۰۰ × ۲۰۰ میلی متر است،

در حالی که برای دستگاه های صنعتی این می تواند ۱۰۰۰ × ۱۰۰۰ × ۱۰۰۰ میلی متر باشد.

اگر یک رایانه رومیزی ترجیح داده شود (به عنوان مثال برای کاهش هزینه) یک مدل بزرگ را می توان به قطعات کوچکتر تقسیم کرد و سپس آن را مونتاژ کرد.
ارتفاع لایه معمولی مورد استفاده در FDM بین ۵۰ تا ۴۰۰ میکرون متغیر است و می توان با قرار دادن سفارش مشخص کرد.

یک لایه کوچکتر تولید قطعات نرمتر را انجام می دهد و هندسه های منحنی را دقیق تر می کند،

در حالی که ارتفاع بزرگتر قطعات را سریعتر و ارزان تر تولید می کند.ارتفاع لایه ای ۲۰۰ میکرون بیشترین کاربرد را دارد.

انواع دستگاه های FDM از لحاظ مکانیزم حرکتی
در حال حاضر چهار نوع چاپگر FDM از لحاظ مکانیزم حرکتی وجود دارد:

۱-    کارتزین ۲- دلتا ۳- پولار ۴- اسکارا

انواع fdm
کارتزین (Cartesian)

چاپگرهای سه بعدی کارتزین رایج ترین و محبوبترین نوع از چاپگرهای FDM در بازار می باشند. این تکنولوژی بر اساس سیستم مختصات دکارتی در ریاضیات کار کرده به این صورت که برای تعیین موقعیت و مسیر چاپ درست، سر پرینتر را در سه جهت X، Y و Z  به صورت خطی جابجا می نماید. چاپگرهای سه بعدی کارتزین برای رسیدن به مختصات های مختلف X و Yو Z خود را به صورت هماهنگ در جهت های جلو، عقب، چپ و راست حرکت می دهند.

دلتا (Delta)

پرینترهای دلتا نیز از سیستم مختصاتی کارتزین استفاده نموده با این تفاوت که سیستم نگه داشتن بازوها کاملا متفاوت است. این دسته از چاپگرها بسیار جذاب به نظر آمده اما هدف تولیدشان این امر نمی باشد،

در مدل های دلتا صفحه اصلی دستگاه معمولا دایره ای یا اشکالی مشابه دایره داشته، اکسترودر در مرکز ۳ بازو به صورت معلق قرار گرفته و بر روی صفحه چاپ به صورت مثلثی حرکت می نماید.

سیستم دلتا حاوی تعدادی لولا بوده و بازوها بر روی ریل ها حرکت نموده و این اجازه را به سرپرینتر داده تا در موقعیت های چاپ مناسب قرار گیرد.

یکی از اهداف اصلی مهندسان برای تولید چاپگرهای سه بعدی دلتا، افزایش سرعت در چاپ سه بعدی است همچنین به عنوان یک مزیت صفحه اصلی دستگاه در روش دلتا هیچ گونه حرکتی ندارد.

سریع بودن چاپگرهای دلتا، منجر به کاهش کیفیت چاپ آن ها می شود.  همان طور که می توانید تصور کنید حفظ ثبات بازوها نسبت به سیستم کارتزین بسیار دشوارتر است، البته پیشرفت این تکنولوژی این خلاء را تا حدی از بین برده است.

پولار (Polar)

اگر به دلایلی سیستم کارتزین را دوست ندارید، گزینه دیگری وجود دارد و آن سیستم مختصاتی پولار است. چاپگرهای Polar از یک شبکه دایره ای برای تعریف سیستم مختصاتی استفاده می کنند.

اساسا در این دسته از پرینترها سر پرینتر رو به جلو و عقب حرکت نموده که باعث پایداری بسیار خوب پرینتر شده، بازوی دستگاه به سمت بالا و پایین و همچنین دایره (صفحه اصلی دستگاه) در جهت ساعتگرد و پات ساعتگرد دوران  می کند.

سیستم پرینترهای پولار یک سیستم جذاب بوده که دارای کیفیت مناسب، تنظیم و استفاده آسان و کاملا بی صدا است. جالب توجه است که سیستم سه بعدی پولار مورد توجه مدارس و مبتدیان است.

اسکارا (Scara)

Scara   مخفف عبارت (Selective Compliance Assemble) به معنی بازوی ربات مونتاژ سازگار انتخابی می باشد. دستگاه های اسکارا جالب توجه و تماشایی هستند و ویدیوهایی که از ربات های بزرگ در کارخانه ها مشاهده نمودید را در ذهن شما تداعی می کند.

نیاز به تحقیق و کار بیشتری در زمینه Scara وجود دارد، اما به نظر می رسد دقیق و بسیار مفید در ایجاد اشیاء سه بعدی پیچده هستند. اسکارا به دلیل زمان کم جهت توسعه و هزینه های بالای این روش به اندازه کارتزین پیش نرفته البته پیش بینی می گردد این روال را در آینده تغییر دهد.

 

چسبندگی لایه ها در روشFDM

هنگامی که ترموپلاستیک ریخته گری از طریق نازل اکسترود شده است، در برابر لایه قبلی فشار داده می شود.

دمای بالا و فشار دوباره ، از لایه قبلی را ذوب می کند و اتصال لایه جدید را با بخش های قبلی چاپ می کند.

استحکام باند بین لایه های مختلف همیشه کمتر از استحکام پایه مواد است.

میزان اتصال بین لایه های مختلف همیشه کمتر از استحکام پایه مواد است و این امر بدان معنی است که قطعات FDM ذاتا ناهمسان هستند،

مقاومت آن ها در جهت محور Z همیشه کمتر از صفحه XY است.
به همین دلیل، بسیار حائز اهمیت است که هنگام طراحی برای FDM به جهتی که به قطعات نیرو وارد می شود و اینکه کدام جزئیات در قطعه برای ما حائز اهمیت است توجه کنیم.

به عنوان مثال تست کشش بر روی قطعات پرینت شده افقی با جنس ABS  با میزان پرشدگی ۵۰% نشانگر این امر بود که قطعاتی به صورت عمودی چاپ شده مقاومت کششی بیشتری در جهت X، Y در مقایسه با جهت Z دارند (۱۷ مگاپاسکال در برابر ۴/۴ مگاپاسکال) حدودا ۴ برابر بیشتر، همچنین مقاومت قطعه در برابر شکست نیز حدودا ۱۰ برابر بیشتر بود. (۸/۴ درصد در مقابل ۵/۰ درصد).

علاوه بر موارد مذکور، از آنجا که لایه مذاب نسبت به لایه قبلی فشرده شده و روی آن قرار می گیرد، شکل آن به بیضی تغییر شکل داده می شود، این بدین معنی است که قطعات FDM همیشه دارای سطح موج دار هستند. حتی برای لایه های با ارتفاع کم و مشخصه های کوچک همچون سوراخ های کوچک و رزوه های کوچک نیز ممکن است پس از چاپ نیاز به عملیات بعد از تولید وجود داشته باشد.

پرکننده میانی و ضخامت پوسته  density / infill

برای کاهش هزینه ها  و صرفه جویی در مواد، قطعات FDM معمولا به صورت یکپارچه تولید نمی گردند. به این صورت که محیط بیرونی با استفاده از چندین مرحله ایجاد می گردد که پوسته نامیده می شود و داخل با یک ماده با ساختار کم تراکم پر گردیده، که به آن پرکننده میانی گویند.

پرکننده میانی و ضخامت پوسته ها به شدت بر روی استحکام قطعه تاثیر می گذارد. برای پرینترهای FDM رومیزی، به صورت پیش فرض میزان تراکم برای پرکننده میانی ۲۵ درصد، و ضخامت پوسته ۱ میلیمتر است، که توازن و سازش خوبی بین قدرت و سرعت برای چاپ سریع فراهم می نماید.

عملیات پس از تولید در تکنولوژی FDM پرداخت

قطعات تولید شده به روش FDM را می توان با استفاده از روش هایی مختلف مانند پولیش، سنباده زدن، رنگ کردن، جوشکاری سرد، پوشش اپوکسی، پوشش فلزی و صاف کردن با بخار استون  به یک استاندارد بسیار بالا از لحاظ کیفیت ابعادی و هندسی رساند.

·         چه زمانی از چاپگر سه بعدی FDM استفاده کنیم

  1. برای نمونه سازی سریع در مقایسه با روش سنتی قالبسازی که خرج و زمان بالایی می طلبد.
  2. وقتی دوام و مقاومت مدل ساخته شده برای شما مهم است
  • برای چاپ سه بعدی مدل ها با هزینه کم
  1. برای ارزیابی قطعات قبل از تولید انبوه
  2. وقتی به سطح کاملا صیقلی و جزییات بسیار بالا در طرح نیاز ندارید
  3. هنگامی که ابعاد خیلی کوچک مطرح نیست
  • وقتی سایز چاپ بزرگ است مثلا نمونه سازی ماکت معماری

Characteristics / restrictions

  • Maximal build envelope: 914x610x914 mm3
  • Minimum feature size: 0.178 mm
  • Typical tolerance: +/-0.178 mm (can be improved through post-processing)
  • Minimum layer thickness: 0.178 mm

Application areas

  • Prototypes are produced for form / fit and functional testing in standard materials by FDM
  • Support parts (jigs, fixtures, helps) can be produced directly
  • Small series parts down to one of a kind are built in standard materials by fused deposition modeling

Synonyms

Fused Filament Fabrication, FFF, Fused Layer Modeling/Manufacturing, FLM.ا

۱۰۸۰
تعداد بازدید هفته اخیر
میزان مفید بودن این مطلب
۱۰/۱۰