درسنامه آموزشی ساخت تجهیزات مکاتروتیکی کلاس یازدهم مکاترونیک

واحد یادگیری 4: شایستگی کار با چاپگر سه‌بعدی

مقدمه

پیشرفت فناوری‌های نوین در دهه‌های اخیر موجب شده است که بشر به منظور رفع نیازهای صنعتی، ماشین‌های جدیدی را به خدمت گیرند. استفاده از سیستم‌های هوشمند و حذف دخالت دست در تولید صنعتی سال‌های اخیر با عنوان انقلاب صنعتی چهارم شناخته می‌شود. ایده انقلاب صنعتی چهارم در سال 2011 در نمایشگاه صنعتی هانوفر آلمان معرفی شد. این ایده همان‌طور که ارتباطات و بازار مصرف را دگرگون کرد، تولید را نیز تحت تأثیر خویش قرار داد. ایده اصلی انقلاب صنعتی چهارم این است که تولید صنعتی باید همگام با فناوری اطلاعات و ارتباطات پیشرفته رشد کند. در این میان نمونه‌سازی سریع (RP) با طراحی و ساخت دستگاه‌های «چاپگر سه بعدی» نقش پر رنگی در فرایند ساخت و تولید را مطرح نمود.

استاندارد عملکرد

تهیه و تولید برنامه برای ساخت نمونه فیزیکی به کمک دستگاه چاپگر سه‌بعدی.

پیش‌نیاز و یادآوری

برای یادگیری این واحد هنرجو باید علاوه بر آشنایی کار با رایانه با یکی از نرم‌افزارهای مدل‌سازی مانند Solidworks و Inventor و ... هم آشنا باشد.

روش‌های متداول ساخت قطعات

روش‌های تولید معمول و رایج قطعات که امروزه در صنعت بیشتر دیده می‌شود عبارتند از:

ریخته‌گری، فورج، نورد، اکستروژن، کشش، شکل‌دهی ورق، انواع روش‌های ماشین‌کاری و...

چاپگر سه بعدی (3D printer)

چاپ سه بعدی یکی از روش‌های نمونه‌سازی سریع به‌شمار می‌آید که در مقایسه با «روش‌های نمونه سازی معمول» از سرعت بیشتر، دقت بالاتر و هزینه کمتر در نمونه‌سازی قطعات برخوردار است از جمله محاسن آن می‌توان به کاهش زمان، کاهش هزینه، افزایش سرعت طراحی محصول جدید، اعمال سریع اصلاحات و عرضه سریع محصولات جدید به بازار اشاره نمود.

محدودیت‌های عمده نمونه‌سازی سریع از قبیل خواص مکانیکی نسبتاً ضعیف قطعات تولیدی، هزینه بالای نگهداری دستگاه و کاهش کیفیت سطح را می‌توان بر شمرد.

کاربردهای چاپگر سه‌بعدی:

امروزه مدل‌سازی سه‌بعدی در رشته‌های گوناگونی همچون قطعه‌سازی، معماری، طراحی صنعتی، روباتیک، صنایع هوافضا و… رایج شده‌است. این مدل‌سازی‌ها تا پیش از این به شکل تصاویر دوبعدی روی نمایشگر یا روی کاغذ ارائه می‌شدند و یا به روش‌های سنّتی به کمک مهارت دست ساخته می‌شدند تا افراد با دیدن آن‌ها درکی از آنچه طراحان در ذهنشان دارند را بدست آورند. اما چاپگرهای سه‌بعدی ایده‌های طراحان را در زمان بسیار کوتاهی به واقعیت تبدیل می‌کنند.

تکنولوژی چاپگرهای سه بعدی

تکنولوژی‌های استفاده‌شده در چاپگرهای سه‌بعدی به شرح زیر است.

1- تکنولوژی FDM (Fused Deposition Modeling)

چاپگرهایی که با این فرآیند کار می‌کنند از یک فیلامنت (Filament) «سیم پلاستیکی توپر» از جنس ترموپلاستیک تغذیه می‌کنند که با ذوب‌کردن این فیلامنت و سپس اکسترود (Extrude) کردن آن جسم سه‌بعدی را به‌صورت لایه به لایه تشکیل می‌دهد. 

نحوه کار FDM

در این روش، نازل اکستروژن حرکتی افقی و عمودی را برای رسم مقطع نمونه موردنظر بر روی صفحه (platform) طی می‌کند. این لایه نازک که از پلاستیکی سخت می‌باشد، بلافاصله به لایه زیر چسبیده و هنگامی‌که لایه کامل می‌شود. لایه بعدی روی آن از مواد ذوب‌شده تشکیل می‌شود و این عمل لایه به لایه تا جایی ادامه پیدا می‌کند که هندسه قطعه کار کامل شود. در این تکنولوژی چاپگر سه بعدی کیفیت سطح نسبتا متوسط و سرعت نسبتا پایین دارد. اما یکی از متداول‌ترین روش‌های امروزه می‌باشد.

2- تکنولوژی Digital Light Processing) DLP)

پردازش دیجیتال نور با استفاده از منبع نور معمولی، از این روش برای ساخت نمونه‌های با دقت بالا در صنعت طلاسازی، دندانپزشکی و ساخت مدل‌های ریخته‌گری دقیق استفاده می‌شود. در این روش رزین‌های پلیمری در یک مخزن قرار دارد و با تابش نور به این رزین‌های پلیمری داخل مخزن مواد تغییر حالت داده و قطعه موردنظر تولید می‌شود تابش نور به‌صورت لایه لایه بوده و هر لایه از قطعه یکجا شکل می‌گیرد. قطعات تولیدی توسط این روش از دقت بالایی برخوردار هستند.

3- تکنولوژی (StereoLithography) SLA

تبدیل مواد اولیه از جنس پلیمر مایع به جامد، در این تکنولوژی برخلاف تکنولوژی‌های دیگر، از یک مایع رزین و تابیدن اشعه بر روی این مایع و در نهایت جامد شدن آن و ساختن نمونه استفاده می‌شود.

4- تکنولوژی (Sintering Laser Selective) SLS

تکنولوژی لیزری و رسوب مواد اولیه معمولاً فلزی، در این روش در مقایسه با دیگر روش‌های چاپ سه‌بعدی می‌توان از مواد اولیه مختلفی برای ساخت قطعات استفاده نمود. موادی از جنس پلیمرها مانند نایلون (خالص و شفاف)، پلی‌استر، فلزات (از جمله فولاد، تیتانیوم) آلیاژهای مخلوط، کامپوزیت‌ها و شن می‌توانند به‌عنوان مواد اولیه چاپ به‌وسیله این تکنولوژی به‌کار بروند.

مراحل کار چاپگر سه‌بعدی

برای انجام عملیات پرینت سه‌بعدی سه گام زیر باید طی شود.

گام اول: مدل‌سازی نمونه (Modeling)

با استفاده از نرم‌افزارهای مدل‌سازی مانند سالیدورکز مدل سه‌بعدی قطعه در فضای نرم‌افزار ایجاد می‌شود.

گام دوم: تبدیل به زبان پرینتر توسط نرم‌افزارها (Slicer)

استفاده از نرم‌افزارهای برش‌دهنده (Slicer) می‌باشد. وظیفه این نرم‌افزارها تبدیل مدل سه‌بعدی به برش‌های عرضی که با قراردادن این برش‌ها بر روی هم هندسه قطعه کار کامل می‌شود. هرکدام از این برش‌ها جهت عملیات به دستگاه چاپگر سه‌بعدی فرمان حرکت ترکیبی طولی و عرضی مناسب نازل را می‌دهد.

گام سوم: عملیات پرینت سه بعدی (3D printer)

فرآیند ریزش پلاستیک خمیری شده به‌صورت صفحه به صفحه روی هم که در دستگاه چاپگر سه بعدی انجام می‌شود.

نرم‌افزارهای برش‌دهنده فرضی مدل اهمیت خاصی در کیفیت پرینت خواهد داشت که نرم‌افزار Cura به عنوان نرم‌افزار استفاده شده در این کتاب توضیح داده خواهد شد.

آموزش کار با نرم‌افزار (Cura)

در ابتدا از مدلی که در نرم‌افزار سه‌بعدی طراحی کرده‌ایم خروجی با پسوند stl و با obj می‌گیریم، برای‌ اینکه cura این فرمت را می‌خواند. زمانی که در برنامه cura یک طرح سه‌بعدی با فرمت stl را باز می‌کنیم در صفحه شطرنجی cura آبجکت (قطعه کار) خود را می‌بینیم.

1		بارگذاری مدل سه‌بعدی طراحی‌شده با پسوندهای stl/obj/dae/amf.
2		ذخیره مدل به زبان ماشین (Gcode)
3		اشتراک‌گذاری مدل
4		زمان پرینت، طول و وزن فیلامنت
5		تحلیل و نمایش پروسه پرینت در حالات مختلف
6		چرخش مدل و یا برگرداندن به حالت اولیه
7		تغییر اندازه مدل و یا برگرداندن به ابعاد اولیه
8		قرینه‌سازی یا مدل آینه‌ای در راستای محورها

نوار ابزارهای مهم Cura

علاوه بر زبانه‌های تصویری (1 تا 8) با کلیک‌راست کردن روی صفحهٔ نمایش گزینه‌های صفحهٔ بعد نمایان می‌شود.

1- قراردادن مدل در وسط صفحه ساخت
2- پاک‌کردن مدل از صفحه ساخت
3- ایجاد کپی از مدل
4- جداکردن مدل به اجزای تشکیل‌دهنده
5- پاک‌کردن کلیه مدل
6- بار گذاری همه مدل‌ها
7 و 8 برگرداندن مدل (موضوع) پرینت به موقعیت اولیه

تنظیمات اصلی نرم‌افزار

تنظیمات اصلی نرم‌افزار برای انجام عملیات پرینت به قرار زیر می‌باشد.

1- Basic setting

کیفیت پرینت (Quality)

layer height: جهت تعیین ضخامت لایه‌های پرینت. 

shell thickness: ضخامت دیواره‌های خارجی مدل در راستای افق.حالت متعارف برای این گزینه برابر است با ضرایب قطر نازل دستگاه. (در حالت نرمال باید حداقل دو برابر سایز نازل باشد).

Enable retraction: تو و پس کشیدن نازل. 

پر کردن (Fill)

Botton/Top thickness: جهت تعیین‌نمودن ضخامت کف مدل و ضخامت بالای مدل که معمولاً ضرایبی از ضخامت لایه‌ها می‌باشد که در قسمت قبل اشاره گردید. 

Fill Density: جهت تعیین‌نمودن درصد تراکم شبکه‌های داخل مدل. 

سرعت و دما (Speed And Temperature)

Print Speed: جهت تعیین سرعت حرکت اکسترودر به‌کار می‌رود. سرعت حرکت اکسترودر تعیین‌کننده کیفیت چاپگر می‌باشد.

Print Temperature: جهت تنظیم دمای اکسترودر اصلی (اکسترودر سمت چپ ) به‌کار می‌رود و قابلذکر است که می‌بایست بر اساس نوع مواد مورد استفاده تنظیم گردد.

Bed Temperature: جهت تنظیم دمای صفحه ساخت به‌کار می‌رود و قابل‌ذکر است که می‌بایست بر اساس نوع مواد مورد استفاده تنظیم گردد. (مقدار صفر این گزینه را غیرفعال می‌نماید).

نگه دارنده (Support)

Support Type: جهت مدل‌هایی که نیازمند ساپورت گذاری می‌باشند، فعال‌نمودن این گزینه مهم می‌باشد. اصولاً قطعاتی که دارای زاویه 45 درجه به بالا می‌باشند، ساپورت گذاری الزامی است. عدم ساپورت گذاری باعث ریزش مواد از روی مدل درحال پرینت و در نتیجه خراب‌شدن پرینت می‌شود.

Platform Adhesion Type: گزینه‌های متفاوتی جهت جلوگیری از بلندشدن لبه‌های قطعه در حال پرینت از صفحه ساخت در این گزینه موجود می‌باشد. 

Filament: برای تنظیم ابعاد فیلمان و جریان ذوب به‌کار می‌رود.

Machin: برای تنظیم ابعاد نازل به‌کار می‌رود. 

Advance Setting -2

Retraction: (تنظیمات تو و یا پس کشیدن)

Speed: جهت تعیین سرعت پس کشیدن مواد می‌باشد و سرعت مناسب باعث پرینت باکیفیت می‌شود که معمولاً سرعت 80 میلی‌متر برثانیه مورد استفاده قرار می‌گیرد. انتخاب سرعت بالا ممکن است باعث افت کیفیت پرینت شود.

Distance: جهت تعیین اندازه پس کشیدن مواد به‌کار می‌رود. تعیین مقدار صفر به منزله خاموش‌نمودن عمل پس کشیدن می‌باشد. تعیین مقدار 5 برای این گزینه باعث پرینت با کیفیت می‌شود.

Quality: (کیفیت)

Initial layer thickness: جهت تعیین ضخامت پایین‌ترین لایه از بستر به‌کار می‌رود.

Initial layer line width: جهت تعیین ظرفیت اکسترودر در هنگام پرینت لایه اول به‌کار می‌رود.

Cut off object bottom: جهت فرو بردن مدل در صفحه کار می‌باشد. این گزینه در مواقعی مورد استفاده قرار می‌گیرد که مدل دارای کف صاف نمی‌باشند و همچنین جهت بریدن قطعه و پرینت نمودن قسمتی از آن کاربرد دارد.

Dual Extrution overlap: هم‌پوشانی نازل ثانویه بر روی نازل اصلی (در پرینت‌های دو نازله)

Speed: (سرعت کار)

Travel speed: جهت تعیین سرعت حرکت نازل در حالتی که پرینت انجام نمی‌شود به‌کار می‌رود. معمولاً تعیین سرعت 80 بهترین سرعت است و افزایش مقدار آن احتمال ایجاد خطا نیز دارد.

Bottom layer speed: جهت تعیین سرعت پرینت در هنگام پرینت لایه اول به‌کار می‌رود. مقدار 20 برای این گزینه مقدار خوبی است و تعیین مقدار صفر به معنی انتخاب سرعت پرینت لایه اول همانند سرعت پرینت لایه‌های دیگر می‌باشد. کاهش سرعت باعث افزایش چسبندگی لایه اول به صفحه ساخت می‌شود.

Infill speed: جهت تعیین سرعت پرینت شبکه داخلی مدل می‌باشد. تعیین مقدار صفر به معنی انتخاب سرعت پرینت شبکه داخل همانند سرعت پرینت لایه‌های دیگر می‌باشد.

Top / bottom speed: تعیین سرعت لایه اول و لایه آخر

Outer shell speed: جهت تعیین سرعت پرینت در هنگام پرینت دیواره‌های خارجی می‌باشد. تعیین مقدار صفر به معنی انتخاب سرعت پرینت دیواره‌های خارجی همانند سرعت پرینت لایه‌های دیگر می‌باشد.کاهش سرعت پرینت دیواره‌های خارجی باعث افزایش کیفیت دیواره‌های خارجی می‌شود.

Inner shell speed: جهت تعیین سرعت پرینت در هنگام پرینت دیواره‌های داخلی می‌باشد. تعیین مقدار صفر به معنی انتخاب سرعت پرینت دیواره‌های داخلی همانند سرعت پرینت لایه‌های دیگر می‌باشد. افزایش سرعت پرینت لایه‌های داخلی باعث کاهش زمان پرینت می‌شود.

COLL: خنک‌کردن مواد ریخته‌شده از نازل 

مرحله اول: اگر تنظیمات دستگاه به درستی انجام شده باشد. باید دستگاه در اولین لایه شروع به سایه‌زدن کند.

مرحله دوم: لایه اول مربوط به (Base) قطعه کار پرینت می‌شود.

مرحله سوم: حجم مورد نظر قطعه کار در حال تکمیل شدن

مرحله چهارم: قطعه کار کامل شده و آماده جداکردن از Bed می‌باشد.

Plugins -3

Puling:

چندین افزودگی در این نرم‌افزار جهت افزایش کنترل پارامترها در این نرم‌افزار تعبیه شده است. با اعمال تنظیمات در این گزینه‌ها جهت پرینت مدل‌ها با ارتفاع‌های متفاوت می‌توانید دقت پرینت خود را افزایش دهید. جهت استفاده از هر یک از این افزونه‌ها می‌توانید بر روی آن‌ها دبل کلیک نمائید. همچنین جهت بستن این افزونه‌ها می‌توانید بر روی آیکون V کلیک نمائید.

Expert setting

تنظیمات جزیی و دقیق‌تر که در زبانه‌های Advance و Basic توسط کاربر که نیاز به نمایش و تنظیم یکجا داشته باشد از گزینه Open Expert setting در زبانه Expert از نوار ابزار اصلی قابل دسترسی می‌باشد.

1- Retraction: تنظیمات برگشت مواد به داخل نازل 
2- Skirt: محدوده پرینت را مشخص می‌کند (در هنگام شروع)
3- Cool: تنظیمات‌دمنده و خنک‌کننده مذاب از خروجی نازل
4- In fill: تنظیمات تراکم لایه‌های داخلی
5- Support: تنظیمات نگهدارنده قطعه اصلی 
6- Black Magic: تنظیمات کیفیت گوشه‌ها در هنگام حرکت محور Z
7- Brim: اجزای کمکی در ساخت صفحه اول برای جلوگیری از انقباض
8- Raft: تنظیمات محدوده بستر محافظ قطعه کار