پرینتر سه بعدی با صفحه چاپ استوانه ای ( 3D Rotoprinter )

پرینتر سه بعدی چرخشی ( 3D Rotoprinter ) نوع جدید پرینتر سه بعدی FDM است که با استفاده از محور های چرخشی رویکرد منحصر به فرد در تکنولوژی پرینت سه بعدی دارد. در کل پرینتر های سه بعدی ماشین های پیچیده ای هستند اما پرینتر سه بعدی روتوری پیچیدگی بیشتری دارد.

اگرچه پرینتر سه بعدی روتوری منحصر به فرد عمل می کند، اما همچنان بر پایه سیستم دکارتی ( محورهای x, y, z ) است. سبک حرکات پرینتر سه بعدی روتوری مشابه با دستگاه برش CNC است ( جسم در مقابل یک ابزار برشی می چرخد تا قطعه مورد نظر طراحی شود ) اما با این تفاوت که جسم درحال چرخش با کمک ساخت افزایشی ( Additive Manufacturing ) طراحی می شود.

پرینتر سه بعدی روتوری یک سیستم اکستروژن استاندارد FDM دارد که فیلامنت را ذوب و توسط نازل به استوانه درحال چرخش که همان صفحه چاپ پرینتر است اکسترود می کند تا قطعه موردنظر ساخته شود.

ممکن است حرکات پرینتر سه بعدی روتوری کمی غیر معمول و جدید باشد اما ساختار کلی آن (مثلا قاب) کاملا معمولی است و نکته جدید و خاصی ندارد به استثناء صفحه چاپ آن. همچنین پرینتر سه بعدی روتوری از یک اکسترودر  Bowden با هات اند استاندارد FDM استفاده می کند. هد چاپ در طول محور X حرکت می کند همچنین می تواند در امتداد محور Z نیز بالا و پایین برود. اما محورY حرکت چرخشی صفحه چاپ را مشخص می کند. که این همان ویژگی منحصر به فرد سبک حرکت پرینتر سه بعدی روتوری است.

با داشتن ویژگی صفحه چاپ استوانه ای، پرینتر سه بعدی روتوری قطعات استوانه ای، مانند پیچ های رزوه ای را در مقایسه با مدل های قدیمی تر با صفحه چاپ تخت، بهتر و با کیفت تر پرینت می کند. علاوه بر آن اثر پلکانی ( stair-stepping ) که معمولا در پرینتر های قدیمی تر دیده می شود با ویژگی چرخشی این پرینتر کاهش می یابد.

علاوه بر بهبود کیفت بصری قطعات پرینت شده، پرینتر سه بعدی روتوری نیاز به پرداخت پس از پرینت را در مقایسه با پرینتر های سه بعدی FDM معمولی کاهش می دهد. زیرا که در پرینتر روتوری به دلیل مدل خاص استوانه ای آن نیاز به ساپورت گذاری های معمول وجود ندارد و در نهایت باعث کاهش زمان مورد نیاز برای تمیز کردن، حذف ساپورت ها و سنباده زدن گوشه های برآمده و ناهموار می شود.

هات اند ( Hot end )

بعد از اینکه کلد اند به فیلامنت نیرو اعمال کرد تا بر اساس نیاز پرینتر سه بعدی آن را بکشد یا هل بدهد، به هات اند می رساند. هات اند، جایی که فیلامنت از حالت جامد به مایع تبدیل می شود. هات اند پرینتر سه بعدی معمولی شما یک دنباله خاص از قطعات است. 

هات اند یکی از مهم ترین اجزا پرینتر سه بعدی است. زیرا فیلامنت را گرم و به نازل منتقل می کند. هات اند معمولا از فلزات با دوام و با رسانایی بالا ساخته می شود که شامل  یک خنک کننده ( heat sink ) و فن آن ، کاتریج گرم کنند ( المنت حرارتی ) ، نازل، بلوک آلومینیومی، لوله PTFE و پیچ سوراخ دار می شوند.لازم به ذکر است که این قسمت اثرات قابلی توجهی بر پرینت می گذارد.

فیلامنت وارد پیچ سوراخ دار می شود، در آن جا توسط کاتریج گرم کننده، حرارت می بیند و از حالت جامد به مایع تبدیل می شود و برای اکسترود به نازل منتقل می شود. وجود یک لوله PTFE درون پیچ سوراخ دار باعث می شود که فیلامنت ذوب شده به دیواره های پیچ نچسبد و مشکلی در عمل اکسترود ایجاد نکند.

بزرگترین مشکل هات اند گیر کردن است. که می تواند باعث اشتباه اکسترود شدن مواد و حتی اصلا اکسترود نشدن، بشود. و یکی از دلایل رایج گرفتگی، خزش گرما (heat creep) است. برای از بین بردن این مشکل، لازم است از heat sink برای سرد کردن قسمت بالایی فیلامنت استفاده کرد تا فیلامنت قبل از ذوب شدن وارد نازل نشود.

از سوی دیگر هرچه هات اند در حفظ گرما بهتر باشد احتمال گرفتگی نیز کمتر می شود. 

نازل پرینتر سه بعدی

نازل پرینتر سه بعدی، جز جدایی ناپذیر هات اند است که تاثیر به سزایی بر خروجی نهایی پرینتر می گذارد. احتمالا نازل یکی از قطعات پرینتر سه بعدی است که بیشترین بازدید را دارد. زیرا اغلب مردم، با اشتیاق هنگام پرینت لایه اول به نازل چشم می دوزند.

یکی از بهترین ویژگی های پرینتر های سه بعدی رو میزی توانایی تعویض نازل متناسب با هدف پرینت است. یک طیف گسترده ای از انواع سایز و مواد سازنده نازل وجود دارد که اصولا نازل ها بر این اساس طبقه بندی می شوند.

 مواد سازنده نازل:

وجود یک نازل 0.4 میلیمتری و احتمالا از جنس برنج در پرینت های معمولی رو میزی رایج است. این نازل برای پرینت فیلامنت های PLA و ABS بسیار مناسب است. اما برای پرینت فیلامنت هایی با جنس سخت تر، استفاده از این نازل مشکل ساز می شود.

اکسترود مدام فیلامنت های حاوی ذرات سخت، باعث سائیده شدن نازل پرینتر سه بعدی می شود و در قطر داخلی نازل انحراف ایجاد می  کند. این امر کیفیت پرینت را کاهش می دهد. به همین دلیل لازم است از یک نازل سخت شده برای پرینت فیلامنت های سخت تر استفاده کرد. در ادامه به طور مختصر به چند نوع از متریال رایج در بازار اشاره می کنیم.

1. در بین تمام انواع مواد سازنده نازل پرینتر سه بعدی، نازل برنجی نرم ترین آن ها هستند که به راحتی ماشین کاری می شوند، ارزان هستند و به طور گسترده در دسترس قرار دارند. همچنین هدایت حرارتی بالا، مقاومت در برابر خوردگی و مقاومت کم دربرابر سایش از دیگر ویژگی های آن است. کل این ویژگی ها آن را به نازل ایده آلی برای فیلامت های پلاستیکی "نرم" مانند PLA و ABS تبدیل کرده است. همچنین برای فیلامنت هایی که حاوی ذرات افزودنی ( برای مثال فلز و فیبر کربن ) هستند مناسب نیست.

2. فولاد سخت شده یا ضد زنگ ( stainless/hardened steel )، سخت تر از برنج است. این مواد امکان پرینت مداوم فیلامنت های دارای ذرات سخت مثل فیبر کربن، شیشه یا فلز را بدون ریسک فرسایش خارج میکنند . هدایت حرارتی ضعیف نازل های فولادی نسبت به نازل های برنجی یکی از نکات منفی آن است.

3. نازل هایی با نوک کریستالی که به تازگی وارد بازار شدند که قطر بسیار دقیق و مستحکم هستند که مانند فولاد برای فیلامنت های بسیار ساینده مورد استفاده قرار می گیرند. این نازل پرینتر سه بعدی هدایت حرارتی بسیار خوبی دارد. همچنین در برابر خوردگی و سایش مقاوم است اما به علت قیمت بسیار بالا، مورد استقبال قرار نگرفته است.

4. کاربید تنگستن ( Tungsten Carbide ) نیز از مواد جدید سازنده نازل پرینتر سه بعدی است. این نازل هدایت حرارتی و مقاومت در برابر سایش بالایی دارد که برای مصارف خاص و فیلامنت های بسیار ساینده مورد استفاده قرار می گیرد.

سایز نازل:

قطر نازل تاثیر به سزایی در دقت قطعه پرینت شده دارد. هرچه قطر نازل کوچکتر باشد به معنای جزئیات بیشتر و لبه های تیز تر است.

 نازل هایی با قطر 0.4  میلی متر، متداول ترین نازل مورد استفاده در پرینتر های سه بعدی هستند. اما برای پرینت قطعات دقیق تر و با جزئیات بیشتر، می توانید از نازل هایی با قطر 0.2 و 0.3 میلیمتر استفاده کنید.

و برای پرینت سه بعدی قطعات بزرگتر نازل های 0.5 یا 0.8 میلیمتر مناسب تر است.

اکسترودر ( Extruder ): کلد اند ( Cold End )

اکسترودر پرینتر سه بعدی، از بخش هایی تشکیل شده است که حرکت و پروسه ذوب فیلامنت را کنترل می کند.

اغلب مردم فکر می کنند؛ اکسترودر "فقط" یک موتور و قطعات مرتبط با آن است که فیلامنت را نگه می دارد و حرکت می دهد. درحالی که برخی دیگر هات اند ( محل ذوب شدن و رسوب گذاری فیلامنت ) را اکسترودر می دانند. اکسترودر شامل سه بخش: کلد اند، هات اند و نازل است.

برای ساده سازی، ما کل مجموعه را اکسترودر در نظر می گیریم. توضیح اکسترودر نیاز به یک نگاه دقیق به دو اسمبلی مهم دارد؛ که به آن ها، کُلد اند ( cold end ) و هات اند ( hot end ) گفته می شود.

Cold end

همان طور که از اسمش مشخص است کُلد اند، سرد است. کُلد اند به قسمت های بالایی اکسترودر پرینتر سه بعدی گفته می شود، جایی که فیلامنت تغذیه می شود و به هات اند ( بخش پایینی سیستم اکسترودر پرینتر سه بعدی ) برای ذوب و اکسترود بر روی صفحه چاپ فرستاده می شود.

طراحی و موقعیت کُلد اند پرینتر سه بعدی شما به نوع اکسترودر ( مستقیم یا Bowden ) بستگی دارد. که  کُلد اند، فیلامنت را به مقدار مناسب داخل هد چاپ ( اصطلاحی برای کل اسمبلی که حرکت می کند تا فیلامنت را بر روی صفحه چاپ دیپوز کند ) می فرستد تا هات اند آن را ذوب کند و به صورت لایه های نازک برای ساخت قطعه بیرون بیاید.

کُلد اند، شامل یک موتور و چرخ دنده است که بسته به نوع اکسترودر، بر روی قاب پرینتر یا هد چاپ نصب شده است. علاوه بر این ممکن است یک لوله PTFE برای هدایت فیلامنت به هات اند نصب شده باشد ( این لوله در اکسترودر Bowden ضروری است ).

کُلد اند معمولا شامل: یک موتور استپر ( stepper motor ) برای حرکت دادن فیلامنت ( تصویر آن را در بالا مشاهده می کنید که با یک چرخ دنده فلزی اسمبل شده است )، چرخ دنده که روی شفت موتور برای انتقال حرکت نصب شده است، یک هرزگرد فنری ( معمولا نوعی یاتاقان ) برای کاهش فشار فیلامنت، یک بلبرینگ شیار دار، و یک لوله PTFE برای هدایت فیلامنت در مسیر.

در بالا مفصل ترین شرح از کُلد اند در اکسترودر پرینتر سه بعدی را مشاهده کردیم. اگرچه، تنوع زیادی در کارکرد اکسترودر و شرایط خاصی که می توان بر طرح های مختلف اعمال کرد، موقعیت پرینتر، و پیچیدگی انتقال قدرت از موتور استپر به فیلامنت وجود دارد.

موتور استپر ( ساده و کوچک اما موثر )، حرکت و اکسترود را در اکثر پرینتر های سه بعدی کنترل می کند به جز بعضی از پرینتر های سه بعدی مدرن رو میزی. موتور استپر یک موتور DC بدون جاروبک است که دقت بسیار بالای در انجام حرکت های کوچک و انتقال کامل گشتاور در سرعت های کم دارد. و این دقیقا چیزی است که برای تحویل مقدار دقیق فیلامنت به هات اند نیاز داریم.

اما تنها موتور استپر برای تغذیه فیلامنت به هات اند کافی نیست. قطعاتی به شفت محرک موتور استپر متصل شده اند و با آن کار می کنند لازم است فیلامنت را به صورت فیزیکی گرفته و در طول مسیرش به هات اند تحویل دهند.

ساده ترین و معمول ترین اکسترودر یک چرخ دنده دارد که مستقیما، روی شفت موتور برای گرفتن و تغذیه فیلامنت نصب شده است. که به عنوان direct drive شناخته می شود. همچنین استفاده از چرخ دنده برای تغییر گشتاور اعمال شده به فیلامنت غیر معمول نیست.

اینکه چقدر از مسیر فیلامنت در کُلد اند محدود شده باشد، بر نحوه پرینت تاثیر می گذارد. ( مخصوصا در مورد مواد انعطاف پذیر ) در حالی که فیلامنت از بین چندین جز سازنده کُلد اند و هات اند می گذرد، وجود فاصبه هوایی در بین شکاف های مسیر محدود شده، باعث خم شدن یا برگشتن فیلامنت می شود. اگر قصد دارید که با مواد منعطف یا سرعت بالا پروسه پرینت را انجام دهید لازم است بدانید که مسیر حرکت فیلامنت شما در کل سیستم اکسترودر محدود است یا خیر. این بدان معناست که کانال ها و لوله ها را مستقیما بر روی چرخ دنده تغذیه فیلامنت قرار دهید. 

برای دیدن مطالب "هات اند" کلیک کنید.