Guide: How to Design 3D Prints for an FDM Printer

  • -

Guide: How to Design 3D Prints for an FDM Printer

With the explosion of 3D printing in the past few years, at-home 3D printers are becoming more and more affordable. This means that more and more people are relying less on ordering 3D prints and instead joining the 3D printing movement as makers armed with their own FDM printers.

This means that a whole new population of people is looking for high-quality designs to print at home, but not all prints are FDM printable. So, how do you design an FDM compatible 3D print?

American Sports Car Model

What is an FDM printer?

Before you can design for an FDM printer, you need to understand how it works. 3D printers carry out additive manufacturing, which means that materials are joined to create objects from 3D model data. This is different from traditional subtractive manufacturing where material is cut into and removed in order to create a final product.

A Fused Deposition Modeling (FDM) printer is the most common type of home 3D printer. This kind of printer works by feeding filament through a nozzle where it is melted into a liquid and laid out, layer by layer, onto the printing platform where it immediately cools and hardens. The nozzle repeats this process of melting and laying out the material in the filament until the entire print is formed. Here’s a video of an FDM printer in action!

Why should I design for FDM?

The easiest and most direct answer for this is cost and convenience. Commercially 3D printed designs are much more expensive to produce than those generated on FDM printers. Secondly, but equally important, is the demand for FDM printable products is high. The 3D printing industry is taking off and a lot of that interest is coming from makers who own their own printers and need high-quality designs to print on them.

Rock Cup In Action

What makes something FDM printable?

There are a few common things to keep in mind in order to make your design FDM printable:

1. Design for the right materials: At home printers most commonly use acrylonitrile butadiene styrene (ABS) and polylactic acid (PLA) plastic filaments. It’s important to keep the properties of these materials in mind whenever you’re designing your prints, because certain design elements will need to be adjusted. For example, a wall hook that is very sturdy when commercially printed in ceramic might have to be adjusted to be thicker in places in order to support a coat whenever it is printed in PLA.

Similarly, it is important to consider the melting point of the filament being used. A cookie tray might be FDM printable, but since it’s melting point is 221°F in ABS or 302°F in PLA, it is not usable to actually bake cookies.

2. File Type: FDM printers can print .STL and .OBJ files (which are converted to Gcodes by a slicing engine before printing).

.STL files include information about the surface geometry of a 3D object without any coloring or texture attributes.

.OBJ files contain surface data, a MAT index and texture file.

3. The 45 rule: Because each layer needs to build off the last, angles of more than 45 degrees generally require supports to be printed along with the design. Although needing to add a few supports to a design before printing isn’t a big deal, it is important to keep the number of supports at a minimum to facilitate ease of print and to keep the cost of producing the print affordable. It isn’t ideal for a maker to have to use $5 worth of support material to print a design in addition to the material that will actually go into creating the design (Check out our video tutorial on the 45 Rule here).

Bow With and Without Supports

Another things to consider here, is that you might want to design two versions of the same file – one with supports and one without – since some of your customers may prefer to generate their own supports, while others might prefer to just hit print. 

4. Design for the printer size: FDM printers range from build area between 120 mm x 120 mm x 120 mm on the small side (as seen in the UP Mini) to 305 mm x 305 mm x 305 mm on the large side (as seen in Type A Machines, Series 1). Users can adjust the size of downloaded files to fit their printer, but on the stream option this isn’t possible. For that reason, it’s important to keep the maximum print size in mind whenever you’re designing files for the stream option.

Type A Machines

5. Pay attention to your detailing: There are limitations to details that can be printed on an FDM printer. Don’t make detailing so fine that they can’t possibly be printed.

Here are some detailing guidelines to keep in mind for an FDM printer:

The suggested minimum text size on the top or bottom build plane of your model is 16 point boldface and 10 point bold face for vertical walls on most FDM printers. 

The suggested minimum wall thickness for designs depends on the specific layer thickness used by the printer and the specifics of the design (how large it is, how much weight it will hold, etc.), but a wall size of 1MM or larger is generally safe for most FDM printers. 

The minimum spacing between interlocking parts is .4mm on most FDM printers, but the more space the better.

6. Watch your polycount: A high polycount design can produce very detailed printed models, but it can be hard to work with due to its massive file size. To make the files easier to access try to keep the poly count as low as possible without losing the essential detailing. The maximum model size for Pinshape is 50MB, but again, the lower the better. (View our video tutorial on polycount here.)

Pinshape Logos

You can lower the poly count by decimating the file size in programs like Blender or Meshmixer (View our video tutorial on how to decimate .STL and .OBJ file size here.)

7. Mind your meshes:  Make sure that your meshes are manifold (watertight). This doesn’t mean that you can’t have spacing between multiple parts – you can – but you need to make sure that there are no holes in your design where solid parts should be. Holes in your mesh will render the design not printable. (View our video tutorial on watertight meshes here.)

You can check for holes by using tools like Solid Inspector (a free plugin for Sketchup), which will show you the holes in your mesh. You can also run your file through Netfabb, which will close any holes in our mesh.

8. Keep it real with your renders: Keep in mind that your renders should reflect how the model will actually print. FDM printers use all one color filament – there is no multicolor option. Renders with coloration on them can make it look like the print will be textured when in fact it will come out as a smooth service. This can leave makers feeling misled and upset with the outcome of the print purchase.

9, Pro Tip: Try running your design through Magics, Netfabb or Meshmixer to repair any errors in your design (i.e. non-manifold meshes) before uploading the file to Pinshape.

 Pug Figurine Printed

Remember: Material Matters!

Since the maker is taking on production for the design, help them out by designing with material usage in mind to cut down costs and print time:

Follow that 45 rule to reduce the need for support material! 

Scale down the bounding box size – a smaller design is less expensive and time consuming to create. Keep in mind that, if you allow downloads of your design, then makers will be able to resize the design how they want. A streamed file, however, is pre-sliced, so makers won’t be able to make changes like this.

Combine separate files into a single one, separated by 2mm between each part. This will make it easier for the maker to print the files all in one go. Remember that for an FDM printer all the parts need to be touching the build plate, so make sure to have all of the different parts placed at the same starting height.

Follow these pointers, and you should be well on your way to FDM printing success!

منبع :


  • -
پرینت سه بعدی ماکت معماری

نکات بسیار مهم جهت داشتن ماکت با کیفیت به کمک پرینترهای سه بعدی

گاه ماکت های معماری در پروسه پرینت سه بعدی بسیار نا مناسب پرینت شده و موجب نارضایتی می گردد.در این مقاله با ما باشید تا برای پیشگیری ازاین مشکل بیشتر بدانیدگاه ماکت های معماری در پروسه پرینت سه بعدی بسیار نا مناسب پرینت شده و موجب نارضایتی می گردد.در این مقاله با ما باشید تا برای پیشگیری ازاین مشکل بیشتر بدانید.
تاریخ ژوژمان و ارائه کار نزدیک است و بسیار عجله دارید برای داشتن ماکت  ای تمیز و مناسب و درخورد ارائه به استاد گرامی .فایل را برای پرینت سه بعدی به یک شرکت تازه کار در این زمینه می فرستید و قرار است چند ساعت مانده به تاریخ ژوژمان ماکت را تحویل بگیرید.بسیار دردناک است ولی گاهی ماکتی که به دست شما می رسید بسیار افتضاح است. بخشی از این موضوع مربوط به متریال نامناسب مورد استفاده در دستگاه،کیفیت پایین دستگاه و همچنین تنطیمات نادرست اپراتور دستگاه می باشد و  بخش دیگری مربوط به فایل سه بعدی ای است که افراد تهیه و برای پرینت ارسال می نمایند. با فرض اینکه شرکت مناسبی جهت پرینت سه بعدی فایل خود پیدا کرده اید ، در این مقاله سعی بر راهنمایی دوستان گرانقدر طراح و معمار جهت مدل سازی مناسب و بدون ایراد طرح های معماری برای پرینت سه بعدی می باشد.سایر طرح های سه بعدی که توسط مهندسین مکانیک یا طراحان صنعتی(همکاران عزیز) مدل سازی می شود به دلایلی که در ادامه گفته می شود مشکلی ندارد و معمولا مشکلات پرینت سه بعدی در طرح های معماری دیده می شود.پس در ادامه با ما باشید تا فایل های بهتری جهت پرینت سه بعدی داشته باشیم .
بیشترین درصد پرینتر های سه بعدی در ایران مربوط به دستگاه های با تکنولوژی FDM می باشد.این دستگاه در عین قیمت ارزان برای خدمات پرینت سه بعی دارای مشکلاتی در هنگام پرینت برخی طرح ها هستند که باید مورد توجه قرار گیرد.یکی از این موارد مشکل این روش در پرینت قطعات باریک و بلند و پرینت قطعت ظریف می باشد.
پرینت سه بعدی ماکت پلان شهری
1-اسکیل یا مقیاس شدن ماکت های معماری : یکی از بزرگ ترین مشکلات پرینت ماکت های معماری اسکیل و کوچک شدن بیش از حد آنهاست . معمولا در طراحی فنی و مهندسی ضخامت دیوارها حدود 30 سانتیمتر و ستون ها 40 سانتیمتر در نظر گرفته می شود.در عین حال هنگامی که یک ماکت در ابعاد 30 در 30 سانتیمتر پرینت می شود ، معمولا بین 200 تا 500 بار کوچک تر مقیاس شده است ( به طور متوسط ) . این اسکیل باعث می شود در بهترین حالت دیواره ها ، سقف ها ، ستون ها ، فریم پنجره ها و…به ضخامتی کمتر از نیم میلیمتر برسند که باعث دفرمگی بسیار شدید یا سستی ماکت و کاهش شدید کیفیت پرینت می گردد.
راهکار : در نظر داشته باشید که اگر قرار است طرح سه بعدی خود را جهت پرینت نیز استفاده کنید ، فایلی دیگر برای همین منظور تهیه نمایید که ترجیحا از داخل به صورت تو پر و سالید باشد . در غیر اینصورت دیواره ها را چندین برابر از داخل ضخامت بدهید و ستون ها یا قسمت های باریک و بلند را نیز کمی ضخیم تر در نظر بگیرید.قسمت هایی مانند شیشه ها نیز از این قاعه مستثنی نیستند و باید ضخیم در نظر گرفته شوند. نکته : نمای ساختمان ها با در نظر گرفتن شیشه ها در پرینت سه بعدی تمیز تر و محکم تر خواهد بود. در صورت حذف شیشه ها و فریم های خالی ، اطراف فریم شیشه به خوبی پرینت نشده و باعث دفرمگی سطح ماکت می گردد.
2-طرح های باریک و بلند : در نظر داشته باشید ستون بلندی مانند یک میل پرچم یا چیزی شبیه به آن که در اسکیل ماکت قطعه با قطر یک میلیمتر و ارتفاع 150 میلیمتر ( پانزده سانتیمتر) شده است در هنگام پرینت سه بعدی به دلیل حرارت دویست درجه ای نازل دستگاه،دفرمه شده و به هیچ عنوان ماکت مناسبی از آب در نخواهد آمد.
راهکار: تا حد امکان ستون ها ، طرح های باریک روی نما ، میله ، درخت و هر نوع حجم باریک و بلند را در ماکت تا حد امکان حذف یا ضخامت آنرا بیشتر نمایید طوری که در هنگام پرینت و اسکیل نهایی مقطع این قطعات حداقل 2 الی 3 میلیمتر قطر داشته باشند.
3-طرح های مشبک  : پرینت سه بعدی به روش FDM به کمک فیوز کردن و لایه گذاری مذاب پلاستیک ساخته می شود و بهتر است برای فرم ها سالید و ضخیم استفاده شود. در هنگام پرینت طرح هایی که به شکل توری و با ضخامت پایین هستند ، مذاب پلاستیک دچار دفرمگی شده و معمولا خروجی خوبی بدست نمی آید.
راهکار : در این مورد هم بهتر است ضخامت مقاطع تا حد امکان افزایش یابد یا کلا ماکت مورد نظر به روش های دیگری مانند SLS یا SLA ساخته شود .
4-مشکلات نرم افزاری : یکی از بزرگترین قاتلان ماکت هایی که به روش پرینت سه بعدی ساخته می شوند نرم افزار 3dMax مکس می باشد .گپ های بسیار زیاد ، صفحات بدون اتصال و غیر یکپارچگی ، پوسته های غیر سالید و بدون ضخامت از مشکلاتی است که در نود درصد مواقع باعث می شود حجم هایی که به کمک نرم افزار مکس طراحی می شوند دچار مشکل شده و با اشکال در پروسه پرینت مواجه شوند.
راهکار : ترجیحا به کمک نرم افزار های صنعتی تر مانند راینو ، کد سه بعدی و موارد مشابه فایل خود را جهت پرینت سه بعدی مدل سازی نمایید.
5-ضخامت بخش های محتلف : دقت نمایید که سرفیس های بدون ضخامت در هنگام تهیه رندر مناسب هستند ولی برای داشتن حجمی فیزیکی نیاز است که تمامی بخش ها دارای ضخامت و اندازه باشند.برای این منظور دقت نمایید تمامی دیواره ها،سقف هاو…دارای ضخامت و به صورت تو پر طراحی شوند.
امیدواریم این مقاله باعث شود تا حد امکان خروجی کیفی ماکت های ساخته شده به روش پرینت سه بعدی بیشتر شود و مورد استفاده علاقه مندان و معماران محترم قرار گیرد.

  • -
پرینت سه بعدی خانه

دوبی قصد دارد تا سال 2030 بیست و پنج درصد از ساختمان هایش را به روش پرینت سه بعدی بسازد

دولت آمریکا انجمنی را به صورت پایلوت در سال 2012 جهت کار بر روی تکنولوژی پرینت سه بعدی ایجاد نموده است.همچنین دولت آفریقای جنوبی پروژه ای را جهت گسترش تکنولوژی های ساخت بر پایه مدول افزونه ای یا پرینت سه بعدی آغاز نموده هست. بریتانیا نیز پروژه ای 21.9 میلیون دلاری را در زمینه ایجاد مرکز تکنولوژی تولید ایجاد و در سال 2015 شروع به کار نموده است.همچنین کشور استرالیا آزمایشگاه پرینت سه بعدی خود را در سال 2015 با بودجه 4.6 میلیون دلاری افتتاح نموده است.دولت ها کم کم درحال سوق یافتن به سمت توسعه تکنولوژی های پرینت سه بعدی هستند.مسابقه ای که میان دولت ها آغاز شده است و نیازمند تحقیق و توسعه است تا دولت ها از یکدیگر در این رقابت تکنولوژیک عقب نمانند.یکی از این دولت ها و بازیگران در عرضه تکنولوژی های پرینت سه بعدی شهر دوبی می باشد.شهری که تا 2030 می خواهد پیشتاز تکنولوژی های پرینت سه بعدی و هاب منطقه ای در خاور میانه باشد.دوبی می خواهد در سه زمینه وارد این حوزه شده و جز بازیگران اصلی آن باشد که شامل : ساخت و ساز حوزه ساختمان – تجهیزات پزشکی – محصولات مصرفی .این شهر از سال 2019 و شروع استفاده از پرینتر های سه بعدی در صنعت ساختمان وارد استفاده از آن خواهد شد.در ابتدا سهم پرینتر های سه بعدی در این صنعت تنها 2 درصد خواهد بود و تا سال 2025 به رقم 817 میلیون دلار نزدیک خواهد شد.همچنین در صنعت پزشکی موارد مورد پیشبینی شامل دندان ها ، استخوان مصنعوی ،ارگان های مصنوعی ، تجهیزات پزشکی و غیره .ارزش این بخش تا سال 2025 در حدود 460 میلیون دلار خواهد بود. همچنین در بخش خانگی و محصولات مصرفی لوازم خانگی ، جواهرات ، خوراکی های پرینت سه بعدی و…را شامل شده که ارزشی در حدود 760 میلیون دلار تا قبل از 2025 خواهد داشت .ممکن است برخی از این ایده ها کمی بلند پروازانه به نظر برسد ولی با توجه به توسعه روز افزون صنعت و تکنولوژی و ازایش آهنگ رشد تکنولوژی پرینت سه بعدی بع نظر می رسد می توان انتظار داشت این صنعت نقش عمده ای در آینده بشریت داشته باشد.

  • -
Metal 3d printer (2)

پرینتر سه بعدی MetalFab با قابلیت پرینت سه بعدی قطعات فلزی

در زمستان 2015 شرکت MetalFab از آخرین دستگاه پرینتر سه بعدی خود در فرانکفورت آلمان رونمایی کرد.این شرکت در ابتدای فعالیت خود در زمینه تکتولوژی های افزونه ای (پرینت سه بعدی) می باشد و این محصول نیز به صورت نمایش غیر محصولی و به صورت رندر های کامپیوتری بوده است.با این حال بازدید کنندگان از طریق نوعی بازی واقعیت مجازی با این سیستم آشنا شده و عماکرد آنرا بررسی نموده اند.این دستگاه با ادعای توانایی تولید ده برابر سریع تر ، مقرون به صرفه تر و قابل انعطاف تر نسبت سایر نمونه های پیشین ، انقلاب بسیار بزرگی در زمینه پرینتر های سه بعدی آلیاژ های فلزی می باشد.

Metal 3d printer (2)

دستگاه متال فب دارای تعداد زیادی تجهیزات کنترلی جهت تنظیم کیفیت و اتوماسیون جهت سهولت پروسه پرینت می باشد.

این دستگاه با صفحه کارگیر اتوماتیک ، سیستم تغذیه پودر فلز خودکار و چندین راهگاه ورود مواد فلزی باعث می شود که چهار آلیاژ مختلف را بتوان با یک دستگاه مورد استفاده قرار داد .بدون نیاز به صرف زمان اضافی جهت تعویض متریال یا خنک شدن آن جهت تعویض و مشکلات مشابه دستگاه های قبلی.این مشخصات باعث افزایش اتوماسیون و کاهش هزینه های تولید می گردد ولی نکته مهم تر در دستگاه های پرینت سه بعدی فلزات بحث کیفیت تولید قطعات و تداوم کیفیت و دقت در قطعات تیراژ بالا می باشد.

پرینتر سه بعدی فلزات

میز کار اتوماتیک -سیستم تغزیه پودر خودکار و ورودی های چهارگانه فلزات باعث افزایش راندمان و کاهش هزینه های تولید پرینت محصولات می گردد.

یکی از مشکلات رایج پرینتر های قدیمی فلزات مشکل به دست آوردن تنظیمات دقیق و درست جهت پرینت نوعی فلز مورد نیاز شماست.با این توضیح که هر آلیاژ نیاز به تنظیمات خاص خود و روش سعی و خطا جهت بدست آوردن بهترین تنظیمات و پرینت قطعه بدون ایراد می باشد.این مسئله باعث می شود تا تولید کنندگان دستگاه تصمیم بر ساخت دستگاه های تک متریاله بگیرند و برای تولید قطعه با هر متریالی نیاز به تهیه دستگاهی جداگانه باشد.شرکت متال فب با ارائه نرم افزار 3DSM که بر پایه سیستم های ابری کار میکند می تواند به شما تصویری تقریبا درست از تنظیمات صحیح و قطعه ای که پس از پرینت در اختیار شما خواهد بود پیش از پرینت به شما بدهد که باعث کاهش شدید هزینه ها خواهد شد.یکی از مشتریان عمده این نرم افزار که در حال حاضر در نسخه بتا عرضه شده است شرکت ایرباس می باشد.

منبع سایت آرشین

  • -

غرش موشک اطلس 5 به سوی فضا با قطعات پلاستیکی ای که پرینت سه بعدی شده اند

سیستم های تولید افزونه ای Additive Manufaturing (AM) در حال دگرگونی بسیاری از صنایع در حال فعالیت است.یکی از صنایعی که با استفاده از این سیستم (پرینت سه بعدی) خواهد توانست صرفه جویی بسیار زیادی در هزینه ها داشته باشد صنایع هوافضا می باشد.پرتاب اطلس 5 در 22 مارچ مثال خوبی از قدرت و پتانسیل روش های افزونه ای (پرینت سه بعدی) در تکنولوژی های فضایی است.این موضوع نه فقط به دلیل پرتاب اولین پرینتر سه بعدی تجاری که با این موشک و به همراه محموله فضایی سیگناس Cygnus ارسال شد،بلکه به دلیل تعداد زیادی از قطعات صنعتی داخل موشک که به وسیله تکنولوژی پرینت سه بعدی و در تعداد بالا از ترمو پلاستیک ها ساخته شده است.در ادامه این اتفاق باعث می شود که نگاهی نو به روش های تولید ایجاد شود و بسیاری از روش های تولید کلاسیک و پر هزینه که شامل تولید قطعات فلزی بوده اند با قطعات ترموپلاستیک پرینت سه بعدی جایگزین شوند.

atlas 5 rocket

ULA’s Atlas V rocket, which launched from Cape Canaveral on Tuesday, March 22, carrying a number of 3D-printed plastic parts. (Image courtesy of Stratasys.)

با تکیه بر دانش و مهارت های شرکت استراتاسیسStratasys

که معروف به تکنولوژی های پیشرفته اش در صنایع پرینتر های ترموپلاستیک است پروژه اطلس 5 موفق به تولید قطعات مختلف سیستم های انتقال حرارتی داکت داخل موشک در تعداد بالا گردید.در این پروژه نازل ها ، براکت ها و برخی پنل های پوششی که به کمک دستگاه Fortus 900mc شرکت استراتاسیس ساخته شده اند باعث کاهش وزن پرتاب این موشک گردید.در یکی از موارد قطعه کنترل شرایط دمایی موشک که وظیفه اش کنترل خنک شدن قطعات به وسیله ارسال نیتروژن به قطعات حساس موشک است 57 درصد کاهش هزینه ساخت قطعه در مقایسه با روش تولید قدیمی داشته است.همچنین 16 مجموعه پرینت شده که به صورت کاور دور محموله بار موشک را می پوشاندند باعث جایگزینی 140 قطعه قدیمی شده اند که به صورت سنتی در این موشک مورد استفاده قرار می گرفت.


تصویر داکت ساخته شده به روش پرینت سه بعدی که وظبفه آن انتقال نیتروژن جهت سیستم خنک کننده قسمت های الکترونیک و اویونیک استفاده شده است.

جهت ایجاد امکان جایگزینی قطعات فلزی با قطعات پرینت سه بعدی پلاستیکی و گذراندن استاندارد های لازم ، متریالی تهیه شده است که مقاومت حرارتی بالایی در بازه دمایی -75 درجه  تا +225 فارنهایت داشته باشد.این متریال به صورت ویژه برای استفاده در صنایع هوافضا ، نظامی و خودرو طراحی شده است و ضمن تحمل رنج حرارتی بالا ،مقاومت شیمیایی بسیار مناسبی هم در برابر عوامل خورنده و آسیب رسان دارد.این متریال مقاومت بالایی از نظر تنش مکانیکی دارد و این خواص عالی و پاس کردن تست های لازم در صنعت هوافضا باعث می شود که با سهولت بیشتری به سایر صنایع نیز راه یابد .

قطعات پلاستیکی ساخته شده به روش پرینت سه بعدی در این صنایع به نسبت قطعات پرینت سه بعدی فلزی نیاز کمتری به عملیات پس از تولید دارند و طی زمان کوتاه تری آماده نصب و استفاده می شوند.همچنین  هزینه متریال پلاستیک نیز بسیار پایین تر می باشد.با این تفاسیر طبق بررسی های انجام شده استفاده از قطعات ترموپلاستیکی در پروژه اطلس باعث کاهش هزینه های شرکت تولید کننده به میزان یک میلیون دلار در سال شده است.

با اینکه موشک اطلس پروژه ای صد ها میلیون دلاری بوده است ، استفاده از قطعات پرینت سه بعدی پلاستیکی در این پروژه باعث آغاز راهی جهت سهولت در امر سفرهای فضایی و عمومی تر کردن سفر به فضا و تغییر آینده خواهد بود.

تهیه و ترجمه در گروه صنعتی آرشین .


  • -

مزایای ساخت قطعات به روش پرینت سه بعدی

با گسترش دستگاه های پرینتر سه بعدی در صنعت و جایگزینی آن با برخی روش های سنتی تولید به برخی مزایای تولید قطعات به این روش اشاره خواهد شد.پرینت سه بعدی روشی است که بر خلاف غالب روش های تولید و نمونه سازی صنعتی پیشین به صورت لایه گذاری و افزایشی اقدام به تولید قطعه می نماید.در این حالت مواد موجود که شامل انواع رزین و پلاستیک ها می باشد به صورت لایه لایه بر  روی هم چسبیده و شکل نهایی محصول را ایجاد می کنند.به دلیل لایه لایه بودن روش ساخت امکان تولید قطعات با هر نوع زاویه و شیب منفی امکان پذیر بوده و مهم نیست که قطعه از کدام سمت شروع به ساخت و تولید شود.بر خلاف روش پرینت سه بعدی در روش تراش سی ان سی بسیار مهم است که قطعه از کدام سمت تراشیده شده و برای تراش قطعات پیچیده باید حتما از دستگاه تراش پنج محور استفاده نمود تا قسمت های زیر قطعه نیز در یک مرحله تراشیده شده و قطعه نهایی بدست آید.از دیگر مزایای روش پرینت سه بعدی امکان تولید قطعات تو خالی یا دارای قسمت هایی خالی در داخل حجم اصلی بدون نیاز به ایجاد درز در پوسته بیرونی می باشد.در زمان تراش سی ان سی قطعات برای ایجاد قسمتی خالی داخل حجم اصلی می بایست قطعه از وسط دو نیم شده و پس از تراش قسمت داخلی دو قطعه تراشیده شده مجددا به هم چسبیده،پیچ یا جوش داده شوند.این مزیت روش پرینت سه بعدی باعث می شود تا محدودیتی جهت نمونه سازی قطعات مختلف وجود نداشته و در عین حال می توان هنگام پرینت قطعات با متوقف کردن پروسه پرینت قطعات دیگری از جنس فلز و غیره را در داخل قطعه در حال پرینت سه بعدی جاسازی نموده و سپس مجددا دستگاه را راه اندازی نمود.از دیگر مزیت های روش پرینت سه بعدی می توان به ضایعات بسیار ناچیز مواد اشاره نمود.در این روش مواد مذاب پلیمر یا رزین تنها به میزان مورد نیاز در قطعه مصرف شده و همانند روش تراش سی ان سی نیاز به تهیه یک بلاک مستطیل شکل کامل برای ساخت قطعه وجود ندارد.از دیگر ویژگی های ساخت نمونه های صنعتی به روش پرینت سه بعدی می توان به عدم نیاز کارفرما به تهیه و ارسال متریال جهت عملیات ساخت اشاره نمود و تمام پروسه تهیه مواد و عملیات تهیه فایل های GCODE برای شروع پروسه ساخت نمونه بر عهده شرکت خدمات دهنده می باشد.از دیگر ویژگی های روش نمونه سازی سریع به روش چاپ سه بعدی را می توان به کیفیت سطح بالا نسبت به روش تراش عنوان نمود.در پروسه ساخت نمونه های پرینت سه بعدی پایین ترین کیفیت ساخت در حدود ضخامت 0.4 میلیمتر می باشد و تا دقت 0.02 میلیمتر یا 20 میکرون نیز قابل افزایش است.این کیفیت سطح باعث می شود که در غالب موارد کیفیت سطح نهایی قطعه بسیار بالا بوده و با یک پرداخت ساده و رنگ آمیزی مناسب قطعه ای بسیار تمیز و قابل نمایش برای مصارف صنعتی و تجاری تهیه شود.

تصویر روش لایه گذاری دستگاه های پرینت سه بعدی FDM :


مصرف انرژی پایینتر دستگاه های پرینتر سه بعدی را می توان یکی دیگر از موارد بسیار مهم در پروسه نمونه سازی برشمرد.مصرف انرژی دستگاه های پرینتر سه بعدی صنتعتی به طور متوسط یک سوم دستگاه های تراش سی ان سی نیاز به انرژی برای تولید نمونه ای مشابه خواهند داشت.یکی از مزیت های دیگر تکنولوژی پرینت سه بعدی را می توان به امنیت بیشتر این روش جهت تولید نمونه در کارگاه های اشاره نمود.در روش تراش سی ان سی قطعات دائما به اطراف پرت شده و بسیار پر خطر می باشد.همچنین صدای تولید شده در هنگام پروسه پرینت سه بعدی بسیار کمتر است.در عین حال مواردی وجود دارد که باعث می شود روش تراش سی ان سی برای تهیه برخی از نمونه های صنعتی همچنان کاربرد داشته و به صرفه باشد که از جمله آنها می توان به عدم امکان پرینت سه بعدی قطعات بسیار بزرگ اشاره نمود.در روش پرینت سه بعدی ساخت قطعات با ابعاد تقریبی بیش از یک متر از لحاظ هزینه تولید غیر معقول بوده و امکان ساخت قطعه مشابه به روش تراش سی ان سی با هزینه کمتر بسیار بیشتر است.

تصویر تراش قطعه فلزی به روش سی ان سی:

Metal CNC machining

از دیگر موارد قابل اشاره می توان به هزینه پایین نمونه سازی نمونه های فلزی به روش تراش سی ان سی اشاره نمود.در حال حاضر دستگاه های پرینت صنعتی که قابلیت ساخت قطعات پرینت شده از جنس فلز را دارا باشند موجود بوده ولی از لحاظ جامعیت در صنعت و هزینه های تولید بسیار پرهزینه و غیر قابل رقابت با روش تراش سی ان سی می باشد.

  • -

پرینتر های سه بعدی

پرینتر های سه بعدی با ملقی شدن چند حق ثبت یا پتنت شرکت های بزرگ همچون 3D Systems در سال های اخیر بسیار ارزان تر شده و بدلیل اینکه سایر تولید کنندگان دستگاه نیازی به پرداخت حق ثبت به تولید کنندگان اولیه ندارند می توانند دستگاه های تولیدی را با هزینه ای بسیار معقول تر در اختیار مصرف کنندگان و واحد های صنعتی قرار دهند.پرینترهای سه‌بعدی به عنوان دستگاه های افزاینده یا لایه ای دسته بندی می شوند ، زیرا اساس کار آن‌ها بدین گونه است که محصول موردنظر را به‌ صورت لایه به لایه بر روی یکدیگر می‌سازد تا درنهایت به محصول مورد نظر ساخته شود.بزرگ‌ترین ویژگی این روش  نسبت به روش‌های دیگر دقت بالا و هدر رفت ماده اولیه خیلی کمتر است. مورد کاربردهای این‌گونه پرینترها باید گفته شود که آن‌ها هم‌اکنون در بسیاری از صنایع در حال خدمت‌رسانی هستند ولی مقیاس کار آن صنایع بسیار کوچک است، از پرینترهای سه‌بعدی به دلیل کنترل و طرز کار سخت آن‌ها معمولاً برای ساختن نمونه‌های اولیه محصولات مورداستفاده قرار می‌دهند و در خط تولید کارخانه‌ها کمتر مورداستفاده قرار می‌گیرند.امروزه با فعال شدن شرکت‌های تکنولوژی در این زمینه ما شاهد ساخته‌شدن مدل‌های خانگی این نوع پرینترها هستیم که البته هنوز جای خود را به آن صورتی که باید بین مصرف‌کنندگان خانگی باز نکرده است.در مورد چگونگی کارکرد این دستگاه‌ها و تفاوت اساسی آن‌ها با دستگاه‌های CNC (دستگاه‌های کنترل عددی) نیز بایستی گفت که پرینترهای سه‌بعدی عمدتاً از روش استفاده از مواد مذاب برای ساختن محصول نهایی استفاده می‌کنند ولی دستگاه‌های CNC عمدتاً از طریق برش یا جدا کردن بخشی از یک محصول کلی برای رسیدن به محصول نهایی استفاده می‌کنند.


البته در مورد کنترل هر دو دستگاه بایستی آموزش‌های لازم را دیده باشید وگرنه این دستگاه‌ها به‌راحتی قابل‌استفاده نیستند. حال‌آنکه پرینترهای سه‌بعدی با توجه به مواد ورودی‌شان نحوه کارکردشان فرق دارد به‌گونه‌ای که این پرینترها با پلاستیک و یا نایلون و یا فلز و یا دیگر مواد قابل سیلان کار می‌کنند که البته همه این‌ها بستگی به نوع درخواست ما از محصول نهایی دارد.

  • -

فناوری پرینت سه بعدی

ساخت قطعات به روش افزایشی یا تولید افزاینده (Additive manufacturing) یا به طور خلاصه AM به مجموعه‌ای از قطعات و اشیا گفته می‌شود که توسط تکنولوژی پرینتر های سه بعدی تولید شده باشند. معنی واژه AM در واقع ساخت یک حجم به وسیله افزودن ماده به آن به صورت لایه به لایه می‌باشد. این واژه به وسیله موسسه بین‌المللی ASTM برای استفاده در این تکنولوژی به وجود آمد اما در طول تاریخ، این تکنولوژی با نام‌های بسیاری مانند چاپ چندبعدی، لایه‌بندی سه بعدی و چاپ (پرینت) سه‌بعدی نام برده شد. در میان این نام‌ها چاپ یا پرینت سه‌بعدی به خاطر شباهت بسیار زیادش به نوع فرآیند این فناوری بیشتر مورد استقبال قرار گرفته است.

شما می توانید برخی از اصول اولیه فناوری AM را در غارهای ماقبل تاریخ، جایی که قطرات آب حاوی مواد معدنی بعد از هزاران سال بر روی هم چکیده و طاقدیس ها را به وجود آورده مشاهده کنید با این تفاوت که پرینتر های سه بعدی بر خلاف طاقدیس های هزاران ساله در عرض مدت کوتاهی و با طرح و برنامه قبلی از رایانه، اشیاء مورد نظر ما را به وجود می آورند. در واقع رایانه، به وسیله نرم افزار ویژه به طور دقیق جای هر لایه را مشخص کرده تا نهایتا به طرح مورد نظر ختم شود.

ساخت افزایشی و چاپ سه‌بعدی به طور چشمگیری در حال رشد است. فناوری جدیدی که به عنوان آغازی برای ساخت سریع نمونه‌های اولیه از محصولات پزشکی، دندان‌پزشکی، هوافضا و یا صنایع خودرو به کار می‌رود. چاپگرهای سه‌بعدی همچنین گذری هم بر دنیای اسباب‌بازی، مبلمان، هنر و مد داشته‌اند.

هواپیمای مدل ساخته شده به کمک فناوری چاپگرهای سه‌بعدی

ماکت توربین گاز ساخته شود به کمک فناوری چاپگرهای سه‌بعدی (رولز رویس)

این مقاله قصد دارد به طور گسترده به چاپگرهای سه‌بعدی بپردازد، از تاریخچه و فناوری آن تا گستره وسیع موارد قابل استفاده، از جمله چاپ مدل های سه بعدی در خانه.

تاریخچه چاپگرهای سه‌بعدی

نخستین بار در اواخر دهه ۱۹۸۰ و اوایل دهه ۱۹۹۰ از فناوری تولید افزایشی در ساخت نمونه‌سازی سریع استفاده شد. نمونه‌های اولیه به سازندگان اجازه می‌دهند پیش از تولید عمده و عرضه محصول خود با دقت بیشتری طراحی آن را بررسی و حتی کارایی آن را آزمایش کنند. به لطف این فناوری، ساخت نمونه های اولیه که تا پیش از آن گاهی تا چند ماه هم به طول می کشید به چند روز یا چند ساعت کاهش یافت.
طراحان در نمونه‌سازی سریع با استفاده از نرم‌افزارهای CAD، اصول اولیه را به کامپیوتر تفهیم کرده و سپس دستگاه با دریافت دستورات، آن را اجرا می کند. این فرآیند که بر پایه‌ی ایجاد اشیاء با پرینت و بر پایه طرح لایه به لایه به وجود آمد به عنوان چاپ سه‌بعدی شناخته می‌شود.

برای نخستین بار توسعه رسمی فناوری پرینترهای سه بعدی در موسسه فناوری ماساچوست (MIT) و شرکتی به نام 3D Systems آغاز شد. در دهه ۱۹۹۰, MIT طرحی را با استفاده از نام تجاری پرینت سه‌بعدی توسعه داد که بعدها به طور اختصار به 3DP نیز شناخته شد. در سال ۲۰۱۱ موسسه MIT به شش شرکت پیشگام در این زمینه مجوز استفاده از فرآیند 3DP را در محصولاتشان صادر کرد.

شرکت  3D Systems که در شهر راک هیل واقع شده از ابتدای حضورش در سال ۱۹۸۶ تا به امروز به عنوان یکی از پیشگامان توسعه و استفاده از این فناوری نوپا به شمار می‌رود. این شرکت همچنین محصولاتی هم مانند SLA و SLS با نام تجاری خود به ثبت رسانده است. هرچند که دانشگاه MIT و شرکت 3D Systems همچنان به عنوان پیشگامان این زمینه باقی مانده اند اما شرکت های دیگری نیز مانند Objet Geometries و Stratasys و Z در این زمینه به پیشرفت های چشمگیری دست یافته اند.

با بهبود هرچه سریعتر این فناوری از افزایش جزییات قابل چاپ توسط دستگاه تا افزایش سرعت پاک‌سازی قطعات پرینت شده و خروجی نهایی، امروز برخی از شرکت ها در کشور های پیشرفته از فناوری چاپ سه بعدی برای تولید محصولات نهایی خود استفاده می کنند. با سریعتر شدن فرآیندها، کاهش هزینه مواد و تجهیزات و افزایش گستره مواد قابل بکارگیری مانند فلزات و سرامیک، پرینترهای سه‌بعدی از اندازه یک ماشین سواری در حال تقلیل به یک ماکروویو کوچک هستند.

با این حال چاپگرهای سه‌بعدی و کلیه سیستم‌هایی که بر پاییه فناوری AM کار می کنند هنوز بازیگری نوپا در عرصه تولید محسوب می شود. به همین خاطر هنوز هم گاهی با فناوری های مشابه مانند سی‌ان‌سی (CNC) اشتباه گرفته شده یا مقایسه می شود. در صورتی که سی‌ان‌سی فرایند حذف لایه به لایه از شی مورد نظر برای رسیدن به محصول نهایی است درست مانند کنده کاری بر روی سنگ.

چاپ سه‌بعدی مستقیم و چسبی

یکی از مدل‌های پرینت سه بعدی مدل موسوم به مستقیم است. در این روش پرینتر از فناوری چاپگرهای جوهرافشان که در دهه ۱۹۶۰ برای چاپ دو بعدی بر روی کاغذ به وجود آمد استفاده کرده و درست مانند یک چاپگر دو بعدی، نازل برای توزیع مایع به حرکت عقب و جلو در خواهد آمد اما بر خلاف پرینترهای دو بعدی حرکات بالا و پایین نیز برای قراردادن چند لایه از ماده بر روی هم استفاده می شود. افزون بر این پرینترهای سه‌بعدی جوهر نیز نیاز نداشته و از موم و پلیمر برای تولید جسم سه بعدی بهره می برد.

نمونه‌های سریع که پیشتر نیز در مورد آن گفته شده بود، در واقع به عنوان عامل اصلی رشد چاپگرهای سه بعدی به روش مستقیم شناخته می شود. در سال ۱۹۹۴ شرکت ModelMaker با همکاری شرکت به نام Solidscape برای نخستین بار موفق به تجاری‌سازی پرینترهای جوهرافشان در زمینه نمونه‌سازی سریع شد. طولی نکشید که بسیاری از شرکت های مشابه در زمینه نمونه‌سازی دنباله روی آن‌ها شدند و رو به نمونه‌های مومی آوردند. برای نمونه امروزه نمونه‌های سریع و پیشرفته به وسیله فناوری‌هایی مانند  multi-jet modeling به اختصار MJM ساخته شده که ده ها تن از نمونه های مومی را به سرعت به وسیله نازل های چند گانه روی هم پیاده سازی می کند.

چاپگرهای سه‌بعدی چسبی درست مانند پرینترهای مستقیم با استفاده از نازل‌های جوهرافشان کار کرده و ماده را برای فرم‌گیری نهایی لایه به لایه روی هم سوار می‌کنند. اما چیزی که شبیه پرینترهای مدل مستقیم نیست به‌کارگیری مدل چسبی از دولایه متفاوت با هم برای ساخت هر لایه است چیزی مانند یک چسب خشک کننده قوی. پرینترهای سه بعدی چسبی در واقع دو مرحله را برای ساخت هر لایه طی می‌کنند مرحله نخست، جای‌گذاری لایه نازکی از پودر حاوی ماده مورد نظر و مرحله دوم استفاده از نازل برای اعمال چسب بر روی آن است. این مراحل دوگانه آنقدر ادامه پیدا می کند تا ساخت مدل به پایان برسد.

پرینت سه بعدی مستقیم و چسبی

پروژه چاپگر سه‌بعدی MIT از این دسته پرینتر بود که MIT مجوز استفاده از این فناوری را برای شرکت‌ها منوط به استفاده نوعی خاصی از مواد و چسب، عمومی کرد. استفاده کمتر از نازل برای پیاده‌سازی مواد و تنوع بیشتر در استفاده از مواد خروجی مانند فلزات، سرامیک یا حتی رنگ به عنوان برتری‌های مدل چسبی نسبت به مدل مستقیم شناخته می‌شوند.

مدل شکل‌دهی گرمایی

این مدل نیز از کلیات کاری مدل‌های دیگر بهره می‌برد و از نازل های بسیار نازک و نزدیک به هم آن پلاستیک مذاب خارج می‌شود. این مدل می‌تواند اشیاء بسیار زیر و دقیق در اندازه های چند میلیمتری تولید کند.

پلیمرسازی نوری و تثبیتی

در این روش چاپگر سه‌بعدی قطراتی از پلاستیک مایع را در معرض پرتو فرابنفش قرار می‌دهد. در طی این فرآیند مایع به واسطه نور به جامد تبدیل می‌شود. در طول این مدت در واقع واکنشی شیمایی به‌وسیله نور در پلیمر باعث ایجاد پلاستیک سرد می‌شود. در سال ۲۰۰۰ موسسه Piedmont Triad برای تحقیقات پیشرفته با مشارکت مدارس و مشاغل، آموزش مهارت‌های فلزکاری دستی را در کالیفرنای شمالی آغاز کرد. در برخی از این گروه‌های آموزشی یک دستگاه پلیمر ساز SLA از شرکت 3D Systems قرار داده شده بود. این دستگاه پرتو مستقیم از لیزر را به سمت نوع خاصی از پلاستیک مایع موسوم به فوتو پلیمر می‌فرستد. درست مانند پرینتر‌های سه‌بعدی دیگر SLA نیز با تکرار فرآیند کاری خود تا پایان پرینت ادامه خواهد داد.

چاپگر سه‌بعدی-پلیمرسازی نوری و تثبیتی

مدل پخت یکی دیگر از روش‌های فناوری محصولات افزودنی است که با ترکیب و داغ کردن تکه‌ها با یکدیگر تا پرینت کامل سطح جسم ادامه می یابد و  Selective laser sintering یا SLS نام دارد. این فناوری با استفاده از پرتو لیزر برای ذوب پودر پلاستیکی استفاده می‌کند. این درست شبیه سازوکاری است که در چاپگرهای دوبعدی برای داغ کردن تونر پودر و نفوذ دادن آن در کاغذ از آن استفاده می‌شود.

مدل پخت به خاطر اینکه غالبا فلزات نیاز به ذوب و تغییر شکل دارند بیشتر برای ایجاد اشیاء فلزی استفاده می‌شود.