پرینت سه بعدی قطعات نهایی با پرینتر سه بعدی وندار ۳۵۰

در سه دهه گذشته تکنولوژی پرینت سه بعدی به عنوان یک فرایند اصلی تولید قطعات اولیه شهرت یافته است. این قطعات اغلب چیزی بیشتر از مدل های مفهومی نمایشی یا نمونه های اولیه نبودند. با این حال روش های تولید در حال تغییر است و پرینتر های سه بعدی جدیدی به بازار عرضه می شوند. دستگاه پرینتر سه بعدی دونازله محفظه گرم Vandar 350 DE-HC شرکت آیدیزاین دارای فناوری FDM می باشد. این دستگاه با ابعاد میز کار ۳۵۰ میلیمتری برای ساخت پروتوتایپ، قطعات فانکشنال و قطعات بصری مورد استفاده قرار میگیرد. در این مقاله به بررسی این دستگاه، ویژگی ها و برتری های آن می پردازیم.

فهرست محتوای مقاله

طرح یک مشکل: پرینتر سه بعدی – فقط ساخت ماکت و مدل یا توانایی ساخت قطعات نهایی؟

پرینتر های سه بعدی از بدو ورود به صنعت و شروع این فناوری در دهه ۸۰ و ۹۰ میلادی دستگاه های بزرگ و گران قیمت چند صد دلاری و یا حتی میلیون دلاری بوده اند که در دسته پرینتر های سه بعدی پودری (SLS)، رزینی (SLA) و فیلامنتی (FDM) قرار می گرفتند. طبیعتاً به علت سرشکن شدن قیمت این دستگاه ها روی قطعات تولید شده، این پرینتر های گران قیمت دارای قطعات پرینت شده گران قیمتی نیز بوده اند. مشکلی که پیش می آمد این بود که قیمت تمام شده بالای قطعات سبب به صرفه نبودن استفاده از فناوری پرینتر سه بعدی در بسیاری از صنایع می گردید، به همین علت اغلب موارد استفاده از این دستگاه ها به ساخت نمونه های اولیه، مدل ها و ماکت ها محدود می شد. با گذشت زمان از این فناوری برای ساخت قطعات کم تیراژ با ارزش افزوده زیاد مانند قطعات در صنعت هوافضا و صنایع پزشکی مورد استفاده قرار گرفت. کم کم محققان و صنعتگران فعال در حوزه ساخت افزایشی با هدف کاهش قیمت فرایندهای پرینت سه بعدی چه از نظر دستگاه ها و مواد اولیه و چه از نظر سرعت تولید که به نوبه خود سبب افزایش نرخ تولید و کاهش قیمت تمام شده قطعات پرینت سه بعدی شده می گردد، دستگاه های جدید ارزان قیمت و با سرعت تولید بیشتری توسعه دادند. بنابراین امروزه دستگاه های پرینتر سه بعدی رزینی و فیلامنتی ارزان قیمت و کوچک رومیزی در بازار در دسترس می باشند. اما این هدف هنوز در مورد پرینتر های سه بعدی پودری مانند پرینتر سه بعدی SLS نتیجه بخش نبوده است. در نتیجه در حال حاضر پرینتر های سه بعدی پودری کوچک و رومیزی وجود ندارند یا همان موارد کمی که وجود دارند نیز با مشکلاتی روبرو هستند. در حوزه پرینتر های سه بعدی رزینی و فیلامنتی با وجود اینکه قیمت کاهش یافت، اما تولید قطعات نهایی عملکردی با آنها ممکن نبود. در مورد پرینتر های فیلامنتی رومیزی به علت ساده سازی، داشتن محفظه های باز و همچنین عدم امکان پردازش پلیمر های مهندسی مناسب استفاده نهایی، این دستگاه ها قادر به تولید قطعات فانکشنال نبوده اند و بیشتر با موادی مانند فیلامنت های PLA کار می کنند که دارای نقطه ضعف های جدی از جمله تحمل دمایی پایین، ضربه پذیری پایین و شکنندگی می باشند. پرینتر های سه بعدی رزینی نیز با مشکل عدم امکان استفاده به عنوان قطعات فانکشنال روبرو هستند زیرا قطعات رزینی درسترس تحمل دمایی پایینی دارند و یا در صورت تحمل دمایی بالا بسیار شکننده هستند و از دوام پایینی برخوردارند که سبب می شود پس از مدتی خواص آن ها تغییر کند. پس برای ساخت مدل ها و ماکت ها می توانستیم از پرینترهای سه بعدی رومیزی ارزان قیمت استفاده کنیم، اما امکان ساخت قطعات استفاده نهایی با این دستگاه ها وجود نداشت یا هزینه های زیادی را در بر داشت.

یک پرینتر سه بعدی صنعتی اما گرانقیمت و با قیمت تمام شده قطعات بسیار گرانقیمت

جرقه یک راه حل برای رفع مشکل

ما در شرکت پرینتر سه بعدی آیدیزاین نیز با مشکل مطرح شده مواجه بودیم و در پاسخ به نیاز مشتری ها برای تولید قطعات نهایی قیمت بسیار بالای روش های FDM و SLS صنعتی را اعلام می کردیم و یا در مواردی که قیمت ها مقرون به صرفه می شد، خواص قطعه برای عملکرد مورد نظر قابل قبول نبود و استاندارد های مورد نیاز مشتری را برطرف نمی کرد. این موضوع سبب ایجاد جرقه ای در ذهن ما جهت توسعه یک پرینتر سه بعدی دارای فناوری FDM با قابلیت پرینت سه بعدی با کیفیت بالا و بدون مشکل مواد فانکشنال شامل ABS، ASA و پلی آمید و سایر ترموپلاستیک های مهندسی-عملکردی شد. این پروژه از سال ۹۸ با هدف توسعه یک پرینتر سه بعدی FDM با قابلیت ساخت قطعات فانکشنال آغاز شد. نتیجه این پروژه ساخت دستگاه پرینتر سه بعدی FDM محفظه گرم دو نازل وندار ۳۵۰ است که توانایی ساخت قطعات فانکشنال و بزرگ بدون مشکلات مطرح شده را دارا می باشد.

پرینتر سه بعدی محفظه گرم دو نازل – وندار ۳۵۰

ویژگی های پرینتر سه بعدی وندار ۳۵۰

ویژگی های پرینتر سه بعدی وندار سبب می شود بتوان از آن برای تولید قطعات فانکشنال و عملکردی استفاده کرد. نخستین ویژگی، بسته بودن محفظه این دستگاه است که باعث می شود اتمسفر تولید قطعه در این پرینتر سه بعدی به طور جداگانه و با هیتر های مجزا کنترل شود و همچنین مکانیزم های گردش حرارتی داخل این دستگاه وجود دارد که می تواند یکنواختی دمایی را در محفظه حفظ کند که باعث می شود بتوانیم قطعات با ابعاد بزرگ را بدون مشکلاتی نظیر تاب برداشتن یا انقباض (shrinkage) تولید کنیم. این ویژگی امکان تولید قطعات بزرگ از جنس ABS، ASA و پلی آمید و سایر ترموپلاستیک های مهندسی را فراهم می کند.

ویژگی بعدی پرینتر سه بعدی وندار ۳۵۰ مکانیزم هد (کلّگلی) دو نازله آن است که سبب ایجاد صافی سطح بالایی در قطعات پرینت سه بعدی شده می گردد. در این مورد در ادامه به تفصیل سخن خواهیم گفت.

ویژگی بعدی این دستگاه این است که مکانیزم های این پرینتر سه بعدی به گونه ای طراحی شده است که خارج از محفظه گرم قرار دارند و مکانیزم های مکانیکی و الکترونیکی این دستگاه در معرض مستقیم حرارت قرار ندارند که سبب طول عمر بالای آن ها می شود.

دستگاه پرینتر سه بعدی وندار ۳۵۰، قابلیت اطمینان بالایی دارد به این معنا که شما می توانید مکرراً و بدون نگرانی بابت خرابی قطعه، قطعات کوچک و بزرگ با شکل های مختلف را با این دستگاه پرینت سه بعدی کنید. این دستگاه شامل اکسترودر dual drive و برد کنترلر قوی ۳۲ بیتی، و همچنین میز CNC دستگاه مجهز به ریل و واگن بال اسکرو می باشد. هیتر صفحه ساخت این دستگاه مکانیزم منحصر بفردی دارد که یکنواختی دما را در سطح ساخت فراهم می کند که باعث جلوگیری از تاب برداشتن قطعات بزرگ و چسبیدن درست آنها به سطح ساخت می گردد.

تولید قطعه قاب آینه خودور از جنس پلاستیک ASA با قابلیت کاملا عملکردی توسط پرینتر سه بعدی وندار ۳۵۰

چرا محفظه گرم برای این پرینتر سه بعدی لازم است؟

علت نیاز به محفظه گرم برای تولید قطعات فانکشنال این است که متریال های با خواص عملکردی نهایی مانند ABS، ASA و پلی آمید در هنگام ذوب و منجمد شدن انقباض های بالایی بروز می دهند و در صورت پرینت سه بعدی در محفظه های باز یا سرد دچار تاب برداشتگی شده و از صفحه ساخت دستگاه جدا می شوند یا ترک بر می دارند و لذا قابل پرینت نیستند. بنابراین ما به محفظه گرمی نیاز داریم که بتواند اتمسفر با دمای مشخص و با چرخش هوای کنترل شده که در واقع کنترل جریان همرفت و انتقال حرارت از قطعه کار است را برای پرینت سه بعدی ایجاد کند تا مشکلات تاب برداشتن رخ ندهد. این محفظه گرم باید بتواند به صورت یکنواخت و با جریان همرفتی صحیحی دما را کنترل کند. علاوه بر این، محفظه گرم باعث بهتر چسبیدن لایه ها به یکدیگر و افزایش استحکام در جهت Z نیز می شود.

قطعه تاب برداشته که در محفظه باز پرینت سه بعدی شده است.

آیا قرار دادن یک پرینتر FDM معمولی در جعبه گرم (Warm Box) کافی است؟

بعضی کاربران پرینتر های سه بعدی برای ایجاد توانایی پرینت سه بعدی متریال های عملکردی مانند ABS این ایده را استفاده کرده اند که یک دستگاه معمولی محفظه باز را داخل یک جعبه قرار بدهند و با افزایش دمای سطح ساخت پرینتر باعث گرم شدن دمای داخل جعبه شده و به این شیوه اتمسفر گرم برای پرینت سه بعدی متریال ABS را فراهم کنند. قرار دادن یک پرینتر FDM معمولی در محفظه گرم مشکلاتی به وجود می آورد، اولاً دمای این محفظه گرم قابل کنترل نیست و ما به درستی نمی توانیم دما و یکنواختی آن را کنترل کنیم. در مقابل پرینتر سه بعدی وندار ۳۵۰ به یک سیستم کنترل حرارت مجهز است که همراه با پرینت سه بعدی قطعه آن را انجام می دهد. این مکانیزم با ایجاد جریان همرفتی و سیستم گردش هوا سبب یکنواختی دما می گردد. علاوه بر این، در صورت قرار دادن یک پرینتر معمولی در محفظه گرم، کل پرینتر سه بعدی شامل بورد های الکترونیکی، سیم ها، مکانیزم های مکانیکی و سیستم های CNC در معرض حرارت قرار می گیرند که سبب آسیب به این اجزا و کاهش طول عمر دستگاه می شود. دستگاه وندار با برطرف کردن تمام این موارد امکان پرینت قطعات فانکشنال در ابعاد بزرگ را همراه با قابلیت اطمینان صنعتی فراهم می آورد.

قرار دادن یک پرینتر سه بعدی رومیزی در داخل جعبه گرم که ممکن است باعث آسیب به اجزای پرینتر سه بعدی نیز بشود

چرا مکانیزم هد دو نازل؟

در حوزه صنعت پرینتر سه بعدی با مفهومی به نام “ساپورت” که یک ساختار پشتیبان جهت جلوگیری از ریزش مواد در موارد زوایای منفی و در اثر گرانش در هنگام پرینت سه بعدی قطعات می باشد روبرو هستیم. در پرینتر های سه بعدی تک نازله جنس ساپورت و قطعه یکسان است که بنابراین لازم است فاصله ای را ایجاد کنیم تا ساپورت پس از تکمیل عملیات پرینت سه بعدی قابل جداسازی باشد. این امر باعث ریزش مختصر مواد در محل ساپورت می شود که خود سبب کاهش صافی سطح در این نواحی در پرینتر های تک نازله می گردد. راه حل این مشکل استفاده از پرینتر های سه بعدی دو نازله است. در این پرینتر های سه بعدی، قطعه از جنس ۱ و ساپورت از جنس ۲ ساخته می شود. در این پرینتر ها محل ساپورت که در مجاورت قطعه قرار دارد به صورت کاملاً پر پرینت شده و در نتیجه سطح کاملاً صافی ایجاد می کند که قطعه روی آن ساخته می شود. بنابراین صافی سطح قطعات ساخته شده بر روی ساپورت با استفاده از دستگاه پرینتر سه بعدی دو نازله وندار بسیار بالا است و عملاً قسمت رو و زیرین قطعه و محل ساپورت و غیر آن از نظر صافی سطح تفاوت چندانی ندارند. ویژگی دیگری که دو نازله بودن دستگاه ایجاد می کند این است که در دستگاه های محفظه گرم و در زمان استفاده از متریال ABS و سایر متریال هایی که چسبندگی لایه ها زیاد است و با توجه به این موضوع که در محفظه گرم این مسئله تشدید می شود، ساپورت بیشتر به قطعه می چسبد که عملیات جداسازی را دشوارتر می کند. این موضوع باعث کاهش صافی سطح در پرینتر های محفظه گرم تک نازله می شود که ما با مجهز کردن دستگاه به دو نازل این مسئله را برطرف کرده ایم. مزیت دیگر این است که می توان ساپورت را در حلال آن حل کرد و از قطعه جدا کرد که امکان ساخت هندسه های پیچیده که دسترسی به ساپورت در آن ها وجود ندارد را فراهم می سازد.

صافی سطح پرینت سه بعدی تک نازل (تصویر سمت راست) در قیاس با صافی سطح پرینت سه بعدی دو نازل (قطعه سمت چپ)

سایر ویژگی های وندار

پرینتر سه بعدی وندار ۳۵۰ علاوه بر موارد ذکر شده ویژگی های دیگری نیز دارد. به عنوان مثال اکسترودر دستگاه از فناوری Dual Drive بهره می برد که موجب تزریق بهتر و یکنواخت ماده می گردد، هد دونازله دستگاه مجهز به فناوری تغییر اکسترودر (Switching Extruder) می باشد که پرینت سه بعدی دو نازله را امکان پذیر می کند و از برخورد نازل دوم به قطعه و نازل اول به ساپورت جلوگیری می کند. میز CNC در این دستگاه مجهز به ریل و واگن بال اسکرو و المان های صنعتی می باشد. مکانیزم حرکتی آن مکانیزم اصولی CNC می باشد که کیفیت پرینت سه بعدی بسیار خوبی را ارائه می دهد. در این دستگاه از سیستم الکترونیکی قوی و برد ۳۲ بیتی استفاده شده است که سرعت انتقال داده بیشتری را نسبت به برد های ۸ بیتی دارد. همچنین تابلو برق استاندارد این دستگاه از پشت آن قابل دسترسی است. طراحی دستگاه به گونه ای است که مکانیزم ها خارج از محفظه گرم قرار دارند که عمر کاری دستگاه را به شدت افزایش می دهد.

صنایع هدف و قطعات قابل تولید با وندار

پرینتر سه بعدی وندار ۳۵۰ در هر جا که نیاز به تولید قطعات نهایی در تیراژ کم با هندسه های پیچیده و یا پروتوتایپ های عملکردی باشد قابل استفاده است. از جمله کاربرد های این پرینتر می توان به صنعت ریخته گری و ریخته گری دقیق اشاره کرد که مدل های پیچیده به علت مشکلات مربوط به ناصافی سطح و ساپورت با پرینتر های سه بعدی تک نازله قابل دستیابی نیستند یا ساخت آن ها به صورت چند جزئی امکان پذیر است که عملیات مونتاژ و مشکلات آب بندی را ایجاد می کند. این پرینتر سه بعدی به دلیل دو نازله بودن قطعات را به صورت یکپارچه تولید می کند. در صنعت تجهیزات پزشکی این پرینتر سه بعدی می تواند برای ساخت نهایی بدنه تجهیزاتی که تیراژ تولید آن ها در سال کم است مورد استفاده قرار گیرد. این دستگاه در صنایع مخابرات و الکترونیک برای توسعه قطعه بدنه دستگاه های الکترونیک و قطعاتی که در تیراژ کم تولید می شوند استفاده می شود. شرکت های دانش بنیان تولید کننده تجهیزات می توانند از این دستگاه برای تولید بدنه تجهیزات خود استفاده کنند. در صنایع خودروسازی نیز از این سیستم می توان برای تولید قطعات فانکشنالی که در هنگام مونتاژ به آن ها ضربه وارد می شود یا در معرض دما قرار دارند استفاده کرد. در بخش نمونه سازی در صنایع لوازم خانگی نیز می توان از قطعات ABS تولید شده با دستگاه وندار ۳۵۰ بهره برد که هم مقاومت به ضربه خوبی دارند و هم دما تا ۸۰ درجه را تحمل می کنند. از این پرینترسه بعدی برای تولید قطعات یدکی در صنعت خودروسازی و لوازم خانگی نیز می توان استفاده کرد.