فیلامنت چاپگر سه بعدی نوع خاصی از مواد چاپی است که توسط چاپگر سه بعدی نوع FFF استفاده می شود. این یکی از متداول ترین دسته بندی مواد پرینت سه بعدی در دنیا است. این رشته که از پودر رزین و مایع برای سایر فناوریهای چاپ سه بعدی متمایز شده است، به صورت یک نخ پلاستیکی باریک و پیوسته به طول معمولا صد متر تولید میشود که معمولاً به منظور ذخیره سازی و تغذیه چاپگر در یک قرقره قرار میگیرد. مواد خام Filament که توسط فرآیند اکستروژن حرارتی چاپگرهای FFF تعیین میشود، مواد ترموپلاستیک است که شامل بیشتر پلاستیک‌های پرکاربرد در زندگی میشود.
Filament به صورت قرقره بر حسب وزن بین 0.5 کیلوگرم تا 2 کیلوگرم فروخته میشود. در حال حاضر فیلامنتها با دو استاندارد قطر 1.75 و 3 میلی متر تولید میشوند. اولی به دلیل عملکرد بهتر چاپ مانند ثبات جریان اکستروژن، سهم بازار غالبی دارد. مصرف کنندگان میتوانند دریابند که بیشتر رشته های پلاستیکی 1.75 میلی متری در هر قرقره 1 کیلوگرمی به اندازه 330 متر به فروش می رسد.
Filament با مواد مختلف دارای دمای چاپ و خواص متفاوتی است که بعداً مورد بحث قرار خواهد گرفت. به طور کلی، پرینترهای مصرفی FFF حداکثر دمای چاپ را در حدود 260 درجه سانتیگراد ارائه می دهند که میتواند چاپ Filament پلاستیکی پایه را پوشش دهد. در حالی که Filament و کارایی چاپ پیشرفته تر به ظرفیت بالاتری از چاپگرهای حرفه‌ای FFF نیاز دارد که دمای چاپ آنها به 300 درجه سانتیگراد برسد، مانند Raise3D E2.
برای انجام خدمات طراحی و پرینت سه بعدی با بهترین قیمت و کیفیت با شماره زیر تماس بگیرید:
رسول محمدی 09126227210
موارد استفاده فیلامنت
قطعات پرینت سه بعدی توسط Filament در مناطق وسیعی به کار گرفته شده اند. اگرچه ماهیت ترموپلاستیک، محدودیت آن را در بعد مکانیکی تعیین میکند، فیلامنتها در نمونه سازی و استفاده سبک ارزش پیدا میکنند. نمونه سازی رایج ترین کاربرد است که به خواص مکانیکی کمتری از خود ماده نیاز دارد. به دلایل مشابه، بسیاری از شرکت‌ها و حرفه‌ای‌ها Filament را برای وسایل، جیگ و فیکسچر، اسباب بازیها، قطعات مونتاژ و مدلهای آموزشی انتخاب میکنند. از فیلامنتهای انعطاف پذیر (TPU) نیز در صنعت کفش استفاده میشود. تولیدکنندگان کفش از خاصیت لاستیک مانند آن لذت می برند که نیاز اصلی آنها را برای خاصیت مکانیکی مواد برآورده میکند.
آینده فیلامنت پرینت سه بعدی
همانطور که در حال رخ دادن است و بازار انتظار دارد، خواص Filament به سطح بالاتری میرود و بازار بیشتری را جذب کرده و به کاربردهای صنعتی جدی نزدیکتر می شود. در این سالها، تقریباً هر برند شناخته شده مواد شیمیایی در حال تحقیق و راه‌اندازی پلاستیک با عملکرد بالا مانند PEI و PEEK است. مواد پیچیده تر و پیشرفته تر Filament نیز ساخته میشود، مانند Filament کامپوزیت متشکل از فیبر کربن، فایبرگلاس، سرامیک و حتی پودر فلز.
کیفیت فیلامنت چاپ سه بعدی
فیلامنت چاپگر سه بعدی ممکن است از نظر ظاهری یکسان به نظر برسد و ساخت آن آسان باشد، اما کیفیت هنوز اهمیت دارد. واضحتر از همه، همه فیلامنتها دارای تنوع شعاع هستند. سازنده حرفه ای میتواند مقیاس را تا 0.05± میلی متر کنترل کند. تنوع بیشتر باعث عملکرد ضعیف چاپ، مانند کیفیت سطح و دقت قطعه میشود. خلوص مواد، استحکام کلی، سیم پیچی قرقره و جذب رطوبت، همه عواملی هستند که بر عملکرد چاپ و کیفیت نتیجه تأثیر میگذارند. سناریوهای کاربردی مختلف و فیلامنتها به عوامل خاصی که در بالا گفته شد، حساس هستند. به عنوان مثال، رویه کفش چاپ شده با جنس TPU به رطوبت و تنوع شعاع حساس است. جذب سریع رطوبت در حین چاپ باعث ترکیدن بخار از داخل میشود و منجر به تاخیر بین نخ اکسترود شده میشود. یک قرقره با دامنه تنوع بیش از حد، یک نخ اکسترود شده ناهموار ایجاد میکند و احتمالاً منجر به شکستگی پارچه میشود.
چگونگی انتخاب فیلامنت
پس از انتخاب یک چاپگر سه بعدی مناسب، اولین تصمیمی که باید بگیرید این است که از چه نوع فیلامنتی میخواهید استفاده کنید. چندین نوع مختلف وجود دارد. حتی اگر رنگهای متعدد را کنار بگذاریم. به عنوان مثال، فیلامنتها با نامهای شیمیایی ظاهر میشوند: پلی لاکتیک اسید، پلی وینیل الکل، فیبر کربن، و الاستومرهای ترموپلاستیک پیچ خورده. برای نامگذاری آنها از مخفف استفاده میشود که ممکن است گیج کننده باشد مانند: ABS، PLA، HIPS، CPE، PET، PETT، TPE، PVA، و PCTPE. اما ناامید نشوید. فقط تعداد کمی از انواع معمول استفاده میشوند و سازندگان تمایل دارند از نامهای بیش از حد متعارف اجتناب کنند و از نامهای توصیفیتر که اشاره به کیفیت اساسی Filament مانند انعطاف‌پذیری (مثلاً NinjaTek’s Ninjaflex و Polymaker’s Polyflex) و استحکام دارند (Makerbot، XYZprinting) استفاده کنند.
برای یک قطعه پرینت سه بعدی، خواص مواد آن نیمی از ارزش را تعیین میکند. خواص مکانیکی، عامل اصلی جهت عملکرد اجرایی است و خواص شیمیایی در درجه دوم قرار دارد. برای درک بهتر تفاوت خواص یا انتخاب Filament مناسب، کاربر میتواند با هرم پلاستیک ارزیابی کند، زیرا ماده اصلی فیلامنت پلاستیک است. هرم پلاستیک یک قانون ساده را نشان میدهد که Filament با عملکرد بالاتر باید دمای ذوب بالاتری داشته باشد. بنابراین، اگر کسی به دنبال Filament با کارایی بالاتر است، باید یک چاپگر سه بعدی FFF با پذیرش دمای بالاتر آماده کند.
مبانی فیلامنت
فیلامنتهای مورد استفاده در پرینت سه بعدی ترموپلاستیکها هستند که پلاستیکهایی (با نام مستعار پلیمرها) هستند که به جای سوختن در هنگام گرم شدن ذوب میشوند، میتوانند شکل داده و قالب‌گیری شوند و وقتی سرد شده جامد میشوند. Filament به محفظه گرمایشی در مجموعه اکسترودر چاپگر وارد میشود، جایی که تا نقطه ذوب خود گرم شده و سپس با حرکت مجموعه اکسترودر از طریق یک نازل فلزی اکسترود میشود و مسیری را که در یک فایل سه بعدی برنامه‌ریزی شده است، ردیابی میکند. لایه به لایه، قطعه چاپ میشود. اگرچه اکثر پرینترهای سه بعدی دارای یک اکسترودر واحد هستند، اما برخی از مدل های اکسترودر دوگانه وجود دارند که میتوانند یک قطعه را در رنگهای مختلف یا با انواع فیلامنتهای مختلف چاپ کنند.
فرآیند چاپ با Filament پلاستیکی یا ساخت Filament ذوب شده (FFF – Fused Filament Fabrication) یا مدلسازی رسوب ذوب شده (FDM – Fused Deposition Modeling) نامیده میشود. علامت اختصاری FDM توسط شرکت پیشگام چاپ سه بعدی Stratasys Corp ثبت شده است، بنابراین سایر تولیدکنندگان نام خود را برای توصیف فناوری چاپگرهای خود ایجاد کردند. FFF همان چیزی است که مورد توجه قرار گرفت. حتی امروزه، به جز در برخی از بروشورهای تولیدکنندگان، نامهایی را میبینید که به جای یکدیگر استفاده میشوند.
انواع فیلامنت از نظر جنس
ABS و PLA
تا کنون، رایجترین انواع فیلامنتها آکریلونیتریل بوتادین استایرن (ABS) و پلی لاکتیک اسید (PLA) هستند. بیشتر پرینترهای سه بعدی اولیه برای استفاده انحصاری از این فیلامنتها طراحی شده اند. بخشی از جذابیت آنها این است که نسبتاً ارزان هستند. ABS همان پلاستیکی است که در لگوها استفاده میشود. قطعات چاپ شده از ABS، سخت، بادوام و غیرسمی هستند. نقطه ذوب نسبتاً بالایی دارد و دمای چاپ آن از 210 درجه تا 250 درجه سانتیگراد است. گوشه های پایین قطعاتی که با ABS چاپ میشوند، تمایل دارند کمی به سمت بالا خم شوند، به خصوص اگر از سطح چاپ گرم نشده استفاده کنید. در حین چاپ، ABS میتواند بوی تند و ناخوشایندی متصاعد کند، بنابراین بهتر است فرآیند چاپ را با چاپگر قاب بسته در اتاقی با تهویه مناسب استفاده کنید. PLA نقطه ذوب نسبتاً پایینی دارد و دمای قابل استفاده آن بین 180 درجه تا 230 درجه سانتیگراد است. گیاهی و زیست تخریب پذیر است. سختتر از ABS است، بدون تاب برداشتن چاپ میشود و به طور کلی کار با آن آسان است، اگرچه در موارد نادری میتواند باعث گیرکردن اکسترودر شود. PLA اغلب به عنوان ماده پایه برای مواد مرکب و عجیب و غریب استفاده میشود که در ادامه به آن خواهیم پرداخت.
نایلون
نایلون یک ماده مصنوعی فوق‌العاده همه کاره است که در دهه 1930 ساخته شد و در همه چیز از مسواک گرفته تا چتر نجات تا لاستیکها و جورابهای ساق بلند و اکنون فیلامنتهای چاپگر سه بعدی استفاده میشود. در قلب آن یک پلیمر یا پلاستیک (یا به طور دقیقتر، خانواده ای از پلاستیکها) است. قوی و بادوام است و در عین حال انعطاف پذیر است و جزو فیلامنتهای پرینت سه بعدی ارزان قیمت است. در دمای بالاتر (حدود 240 درجه سانتیگراد) نسبت به اکثر فیلامنتها ذوب میشود. همه پرینترهای سه بعدی برای تحمل این گرما ساخته نشده اند. برخی از مواد رایج در اکسترودر، در آن دما بخار منتشر میکنند. مانند ABS، قطعات چاپ شده با نایلون تمایل به تاب برداشتن دارند که میتوان با استفاده از یک بستر چاپ گرم شده آن را کاهش داد.
فیلامنت انعطاف پذیر
TPEها (یا الاستومرهای ترموپلاستیک) ترموپلاستیک‌هایی هستند که خاصیت ارتجاعی بالایی دارند (اگرچه هنوز فاصله زیادی با نوارهای لاستیکی دارند). قطعات چاپ شده با آنها نسبتاً انعطاف پذیر هستند. یکی از انواع متداول TPE پلی اورتان گرما نرم (TPU) است.
فیلامنت های محلول: HIPS و PVA
یکی از کلمات اختصاری جذابتر، HIPS، مخفف پلی استایرن با ضربه بالا است. HIPS قیمت متوسطی دارد، سبک وزن است و میتوان آن را سمباده زد، چسب زد و با رنگهای اکریلیک رنگ کرد. شبیه ABS است، با این تفاوت که HIPS در لیمونن (حلال مبتنی بر مرکبات) محلول است و انتخاب خوبی است. این Filament به عنوان ساپورت است که پس از چاپ قابل حل شدن است. همچنین به تنهایی به خوبی چاپ میشود.
Filament محلول دیگر PVA (پلی وینیل الکل) است که به راحتی در آب حل میشود. PVA بی بو، غیر سمی و زیست تخریب پذیر است. نقطه ذوب پایینی دارد و هنگام گرم شدن بیش از حد میتواند نازل اکسترودر را مسدود کند. اغلب به عنوان ساپورت در چاپگرهای اکسترودر دوگانه استفاده میشود.
فیلامنتهای کامپوزیت
فیلامنتهای کامپوزیت دارای پایه ای از PLA یا دیگر ترموپلاستیکها هستند که ذرات، پودرها یا تکه های مواد دیگر در آن مخلوط شده اند. برخی از آنها مخلوط چوب هستند، برخی دیگر شامل ماسه سنگ یا سنگ آهک هستند و برخی دیگر دارای انواع مختلفی از فلزات از جمله آهن، آلومینیوم، برنج، برنز و مس هستند. این فیلامنتها برخی از خواص موادی را که با آنها مخلوط شده اند به خود میگیرند. یکی دیگر از کامپوزیتهای محبوب فیبر کربن است. قطعات چاپ شده از آن مقداری از استحکام فیبر را میگیرند. نکته منفی این فیلامنتهای کامپوزیت این است که قیمت آنها به طور قابل توجهی بیشتر از غیر کامپوزیتها است.
فراتر از فیلامنت پلاستیک: چاپ بر اساس رزین
با گسترش امروزی پرینترهای FFF، به راحتی میتوان این واقعیت را نادیده گرفت که مدلهایی بر اساس فناوریهای دیگر در بازار وجود دارد که از Filament استفاده نمیکنند. مهمترین آنها استریولیتوگرافی (با نام مستعار SLA)، اولین فناوری چاپ سه بعدی است که توسعه یافته است و قادر به چاپ بسیار دقیق و با وضوح بالا است.
در چاپ SLA، لیزر ماوراء بنفش، شکل قطعه مورد نظر را به صورت لایه به لایه، روی یک رزین حساس به UV (معروف به فوتوپلیمر یا رزین فوتوپلیمر) که در یک سینی یا خمره قرار دارد، نشان میدهد و رزین در معرض لیزر سخت میشود. برای تشکیل قطعه چاپ شده رزینها در بطریهای 500 میلی لیتری و 1 لیتری عرضه میشوند. برخی از تولیدکنندگان، رزینها را برای استحکام، انعطاف‌پذیری و کیفیت‌های دیگر فرموله کرده‌اند و این گونه رزینها تمایل به فروش با قیمت بالایی دارند. طیف رنگ رزینها محدود است و به رنگهای سیاه، خاکستری، سفید و شفاف محدود میشوند، اگرچه برخی از رزینهای رنگ روشنتر و فلزی اخیراً در دسترس قرار گرفته اند.
DLP شکلی از استریولیتوگرافی است که از پروژکتور به جای لیزر به عنوان منبع نور استفاده میکند و از نور مرئی به جای اشعه ماوراء بنفش استفاده میکند. این پروژکتور که از فناوری DLP (پردازش دیجیتال نور) استفاده میکند، مجموعه ای از تصاویر را در یک محفظه رزین فوتوپلیمری مشابه رزینهای مورد استفاده در چاپ SLA برای ساخت قطعه، لایه به لایه پخش میکند.
انواع فیلامنت از نظر کاربرد
برای مبتدیان
برای شروع، PLA آسانترین Filament برای چاپ با کمترین دمای ذوب (190-205 درجه سانتیگراد) و حداقل نیاز کالیبراسیون روی پارامتر چاپ و خود چاپگر است. زیر لایه پایین هرم پلاستیک است. حتی دانش آموزان دبیرستانی میتوانند Filament PLA را به شکل هندسی بسیار ظریف چاپ کنند. با این حال، همانطور که هرم پلاستیک نشان داد، کاربران میتوانند انتظار داشته باشند که یک قطعه PLA به راحتی در یک چالش مکانیکی شکست بخورد. همچنین PLA کمترین قیمت را دارد. بنابراین، این اولین انتخاب برای مبتدیان و علاقمندان پرینت سه بعدی برای اهداف بصری از جمله وسایل بازی، مجسمه ها، اسباب بازیها و تزئینات است.
در سطح کالا و مهندسی
انواع فیلامنتهای محبوب عبارتند از ABS، PC، PETG، TPU، ASA، PA و PP. این انواع Filament دارای ویژگی متمایزتر و دمای ذوب بالاتر هستند. در مقایسه با عملکرد محدود PLA، این فیلامنتها در تولیدات تجاری و تولیدی جدی مورد استفاده قرار میگیرند. به عنوان مثال، ABS در مدلهای ارتودنسی، جیگها و فیکسچرها برای مونتاژ خودرو استفاده شده است. همانطور که قبلاً ذکر شد TPU مستقیماً به عنوان کفیهای نگهدارنده و رویه کفش کتانی چاپ شده است.
هنگام در نظر گرفتن این دو سطح Filament برای کاربرد جدی، کاربران باید از تفاوت ویژگی Filament آگاه باشند. از نظر خواص مکانیکی از جمله سفتی، استحکام، چقرمگی، مدول کششی و سختی، هر ماده دارای مخلوط منحصر به فرد خود است، بنابراین منجر به عملکرد متفاوت در شرایط فیزیکی خاص میشود. کاربر باید Filament مناسب را انتخاب کند تا بتواند به هدف مورد نظر دست یابد. به عنوان مثال، مانند جک و یراق، سر ابزار نباید سطح محصول را خراش دهد. بنابراین، ABS معمولاً به عنوان سختی نسبتاً پایینتر در بین سایر پلاستیکها انتخاب میشود. از طرفی PETG به دلیل مقاومت در برابر ضربه و دوام بهتر نسبت به ABS برای بسته بندی ارجحیت دارد. هنگام افزودن جنبه‌های بیشتری مانند خواص شیمیایی، ASA برای قطعات خودرو به دلیل پایداری اشعه ماوراء بنفش هنگام قرار گرفتن در معرض نور خورشید بهتر است.
تامین کنندگان Filament در حال توسعه و راه اندازی مشخصات مختلفی برای هر نوع پلاستیک هستند تا بخشهای اقتصادی متعددی را برآورده کنند. کاربران میتوانند انتظار داشته باشند که فیلامنتها در آینده کاملتر شوند زیرا تامین کنندگان میخواهند سود بیشتری از فروش به دست بیاورند.
روند پیشرفت فیلامنت پرینت سه بعدی
روندهای کمی برای توسعه این صنعت وجود دارد مانند Filament پلاستیکی با کارایی بالا، Filament کامپوزیت و فلزی. در حال حاضر، این صنعت در حال شکستن دسته های مواد با کارایی بالا مانند PEEK و PEI است که دمای ذوب آنها فراتر از ظرفیت چاپگر حرفه‌ای است. خواص این مواد برای کاربردهای پیشرفته تر مانند ایمپلنت انسانی و هوافضا ارزشمند است. Filament فلزی ترکیبی از پودر فلز و چسب است. برای ذوب شدن به دمای بالاتر نیاز ندارد، اما برای سوختن چسب و ذوب پودر فلز به فرآیند پخت اضافی نیاز دارد. Filament کامپوزیت به Filament پلاستیکی تقویت شده با الیاف اشاره دارد و قصد دارد استحکام کششی قطعه پرینت سه بعدی را افزایش دهد. اما وضعیت دشوار این است که بسیاری از تامین کنندگان، Filament را با فیبر خرد شده تقویت میکنند زیرا افزودن فیبر بلند پیوسته به آن سخت است. فقط تعداد کمی از برندهای سطح بالا چنین راه حلهای Filament کامپوزیتی را ارائه می دهند که میتوانند استحکام کششی قطعات پرینت سه بعدی را تا حدی به سطحی مشابه با قطعات تقویت شده سنتی افزایش دهند.
