آناتومی یک پرینتر سه بعدی

صفحه ساخت

صفحه ساخت همانطور که از اسم آن بر می آیند صفحه ای است که قطعه ی مورد نظر بر روی آن ساخته می شود. به طور معمول این قطعه از پرینتر شامل یک صفحه ی شیشه ای، المنت گرمکن و موادی که به قطعه ی پلاستیکی مورد ساخت اجازه می دهد تا به صفحه ی ساخت بچسبد است.

صفحه کار داغ / صفحه کار سرد

اغلب صفحات ساخت پرینترهای سه بعدی دارای قابلیت گرم شدن هستند تا از تاب برداشتن قطعه بر روی صفحه ی ساخت جلوگیری کنند. به واسطه ی تبادل گرما، پلاستیک بعد از خنک شدن اندکی دچار انقباض می شود. این اتفاق موجب می شود که لبه های قطعه رو به بالا خم شوند و قطعه از صفحه ی ساخت جدا شود. صفحه های داغ با گرم نگه داشتن پایین قطعه از وقوع این اتفاق جلوگیری می کنند.

بعضی از پرینترها فاقد صفحات ساخت با قابلیت گرم شدن هستند. نداشتن صفحات ساخت گرم شونده این پرینترها را به استفاده از بازه ی محدودی از مواد اولیه محدود می کند. پرینترهای سه بعدی FDM که فاقد صفحات ساخت گرم شونده هستند تنها می توانند از پلاستیک PLA و در برخی موارد PET استفاده کنند.

سطح صفحه ساخت

سطح صفحه ساخت به پلاستیک اجازه می دهد تا در طول عملیات پرینت به صفحه ساخت بچسبد و از آن جدا نشود. همچنین سطح صفحه ساخت کمک می کند که بعد از تکمیل عملیات چاپ سه بعدی، قطعه به راحتی از صفحه ساخت جدا شود.انواع مختلفی از سطح صفحه ساخت وجود دارد.اغلب پرینترهای سه بعدی تنها از یک نوع صفحه ساخت برای چاپ همه ی مواد استفاده می کنند. ولی برای گرفتن نتیجه بهتر لازم است که برای استفاده از صفحات ساخت اختصاصی برای چاپ سه بعدی هر ماده استفاده شود.

فیلامنت

پرینترهای سه بعدی FDM از ترموپلاستیک٬ها به عنوان مواد مصرفی خود استفاده می کنند. این پلاستیک ها به فرم فیلامنت هستند و برای رسیدن به نازل پرینتر از یک قرقره عبور می کنند. اغلب پرینترها از دو نوع فیلامنت با قطرهای 1٫75 و 3 میلی متر استفاده می کنند.

اکسترودر

اکسترودر هسته ی یک پرینتر است. اگر بخواهید بدانید که "پرینتر سه بعدی چگونه کار می کند"، باید با عملکرد این قطعه ی مهم آشنا شوید. اکسترود جایی است که فیلامنت به درون آن وارد می شود، در آنجا ذوب می شود و سپس به بیرون هدایت می شود. اساساً اکسترودر کاملاً مشابه چسب های تفنگی که از ذوب کردن پلاستیک برای چسباندن دو قطعه استفاده می کنند عمل می کند.

با وجود کوچک بودن این قطعه، نقشی کلیدی را در پرینترهای سه بعدی در با تکنولوژی FDM دارد.هر اکسترودر از دو بخش اصلی تشکیل شده است: انتهای سرد و انتهای گرم. قسمت سرد.هر اکسترودر از دو بخش اصلی تشکیل شده است:

انتهای سرد و انتهای گرم

اکسترود دارای یک موتور است که فیلامنت را به درون خود می کشد و به سمت دیگر اکسترودر هدایت می کند. قسمت گرم اکسترودر جایی است که فیلامنت ذوب می شود و از اکسترود به بیرون جریان پیدا می کند.

مقایسه اکسترودرهای ارتباط مستقیم (Direct Drive) و اکسترودر باودن(Bowden)

در پرینترهای سه بعدی FDM قسمت سرد اکسترودر می تواند به روش های متفاوتی با قسمت گرم آن در ارتباط باشد و آن را از فیلامنت تغذیه کند. دو گونه ی متداول قرارگیری قسمت های سرد و گرم اکسترودر، ارتباط مستقیم و باودن نام دارند.دو گونه ی متداول قرارگیری قسمت های سرد و گرم اکسترودر، ارتباط مستقیم و باودن نام دارند.در اکسترودرهای ارتباط مستقیم، قسمت های سرد و گرم بدون واسطه به هم متصل هستند(یکی بر روی درگیری قرار دارد). فیلامنت بلافاصله بعد از عبور از قسمت سرد به درون قسمت گرم اکسترودر هدایت می شود.

در اکسترودرهای باودن قسمت سرد و گرم از هم مجزا هستند. همچنین قسمت سرد اکسترودر ثابت است و در یک جای مشخص به شاسی پرینتر متصل شده است. قسمت سرد، فیلامنت را از درون یک لوله ی بلند(لوله ی باودن) به درون قسمت گرم اکسترودر هدایت می کند. این ساختار مجزا کمک می کند که پرینتر وزن کمتری را جابه جا کند.

چرخدنده آیدلر(Idler Gear)

آیلدر یک ساختار متکی به فنر دارد که فیلامنت را در خلاف جهت چرخدنده هابیت می کشد. اغلب پرینترها راهکاری برای تنظیم کشش آیلدر دارند، بنابرلین فیلامنت به کمک این سیستم نه بیش از حد در حالت کشش خواهد بود و نه بیش از حد در حالت فشار!

انتهای داغ اکسترودر - مقایسه کاملا فلزی و Peek/PTFE

در صورت عدم استفاده از هیچ عایق پلاستیکی در ساختار انتهای داغ اکسترودر و تنها استفاده از فلز، می توان دماهای بالاتری را در نازل فراهم درد و در نتیجه طیف گسترده تری از مواد را چاپ کرد. هرچند در این حالت نیاز به سرمایش فعال در نازل بیشتر خواهد شد.

انتهای داغ اکسترودر - مقایسه هیت سینک(Heat Sink) در و فن تعبیه شده برای انتهای داغ

این سیستم های خنک کن تضمین می کنند که گرما به قسمت های بالایی پلاستیک انتقال پیدا نکند و آن ها را قبل از رسیدن به نازل ذوب نکند. به این پدیده خزش گرما گفته می شود و موجب جمع شدگی در فیلامنت می شود و اغلب در فیلامنت های PLA اتفاق می افتد. این فن باید هر موقع که انتهای داغ اکسترودر گرم است عمل کند.

کارتریج گرم کننده (Heater Cartridge)

همانطور که از اسم این قطعه پبداست، وظیفه ی آن گرم کردن فیلامنت است. این قطعه یک مقاومت الکتریکی توان بالا است. اغلب پرینترهای مدرن از گرم کننده های کارتریجی استفاده می کنند، در حالی که بسیاری از پرینترهای سه بعدی قدیمی از سیم پیچ های ساخته شده از سیم های نیکرومی(Nichrome؛ آلیاژی از نیکل و کرومیم) استفاده می کردند. سیم پیچ های نیکرومی همچنان در توسترهای آشپزخانه ای استفاده می شوند.اگر قصد دارید کارتریج گرم کننده ی پرینتر و یا حتی کل انتهای داغ پرینتر خودتان را عوض کنید، از این موضوع اطمینان پیدا کنید که پرینترتان از برق 12 ولت استفاده می کند و یا 24 ولت!

ترمیستور(Thermistor)/ترموکوپل/RTD

هرکدام از این سه قطعه نوعی متفاوت از سنسور هستند که می توانند برای اندازه گیری دمای انتهای داغ اکسترودر مورد استفاده قرار گیرند. همه٬ی این قطعات اساساْ دماسنج های الکترونیکی هستند. در اغلب پرینترهای سه بعدی از ترموسترها برای اندازی گیری دمای انتهای داغ اکسترودر استفاده می شود، ولی در بعضی از پرینترها برای پرینت در دماهای بسیار بالا از ترموکوپل ها استفاده می شود.

نازل یک پرینتر سه بعدی چگونه کار می کند؟

نازل به بیان ساده قطعه ای است که سوراخی در درون آن قرار دارد و فیلامنت ذوب شده از آن عبور می کند. نازل قابل جایگزینی است و در قطرهای متفاوتی وجود دارد.نازل قابل جایگزینی است و در قطرهای متفاوتی وجود دارد.قطر معمول نازل ها 0.4 میلی متر است. برای رسیدن به جزئیات بیشتر می توان از نازل هایی با قطر کمتر و برای رسیدن به سرعت ساخت بیشتر می توان از نازل هایی با قطر بیشتر استفاده کرد. نازل ها در برخی موارد ممکن است که دارای انسداد شوند. انسداد نازل ها یکی از شایع ترین مشکلاتی است که برای پرینترهای سه بعدی FDM به وجود می آید.

فن خنک کننده ی لایه ها

این فن بلافاصله بعد از اینکه پلاستیک از نازل خارج شد و در جای خودش قرار گرفت، شروع به سرد کردن آن می کند. این فرآیند به قطعه کمک می کند که شکل خودش را حفظ کند. معمولاً اسلایسرها متناسب با ماده ای که در چاپ است، این فن را در زمان مناسب روشن و یا خاموش می کنند.این قطعه با فن مختص به سینک حرارتی متفاوت است. فن سینک حرارتی تنها انتهای داغ اکسترودر را خنک می کند در حالی که فن خنک کننده ی لایه کل قطعه پرینت شده را خنک می کند.

مقایسه پرینترهای سه بعدی کارتزین و دلتا

اگر بخواهیم بدانیم که پرینتر سه بعدی چگونه کار می کند، یکی از مهم ترین نکاتی که باید به آن توجه داشته باشیم مکانیزم حرکتی مورد استفاده در پرینتر است.پرینترهای سه بعدی کارتزین در هر راستا از یک یا دو موتور استفاده می کنند و به دلیل استفاده از دستگاه مختصات هندسی کارتزین اینگونه نام گرفتند. این پرینترها دارای صفحه ی ساخت مستطیلی و فضای کار سه بعدی مکعب مستطیلی هستند. پرینتر سه بعدی پروسا یکی از انواع خوب اینگونه از پرینترها است.

پرینترهای سه بعدی دلتا دارای سه بازو هستند که به کمک هم نازل را در بالای صفحه ی ساخت جابه جا می کنند. پرینترهای سه بعدی دلتا هم از سیستم مختصاتی کارتزین استفاده می کنند، ولی به جای استفاده از هر موتور در یک راستای خاص، همه ی بازوها در جهات و سرعت های مختلف و به طور هماهنگ با یکدیگر حرکت می کنند.

میله های رزوه شده/لیدسکرو

بسیار مهم است که بدانیم اسکروهای یک پرینتر سه بعدی چگونه کار می کند تا بتوانیم به یک پارامتر مهم دقت آن پرینتر پی ببریم. معمولاً از این قطعات برای حرکت پرینتر در راستای Z استفاده می شود. وقتی که این قطعات به دوران در آیند، نازل به صورت خطی در راستای Z جابه جا می شود. در پرینترهای سه بعدی ارزان قیمت معمولاً ار میله های بلند رزوه شده ی فولادی استفاده می شود. ولی در پرینترهای گران قیمت اغلب از لیداسکروهای پوشیده شده از یک لایه کروم استفاده می شود تا کمترین میزان پس زنی در حرکت پرینتر به وجود آید.لیدسکرو برای حرکت پرینت سه بعد در راستای Zلیداسکرو - برای حرکت پرینتر سه بعدی در راستای Z

نوار تسمه

اغلب از نوار تسمه برای حرکت نازل پرینتر در راستاهای X و Y استفاده می شود. موتورهایی که برای جابه جایی در این راستاها تعبیه شده اند از چرخدنده برای حرکت دادن نوار تسمه استفاده می کنند. در اغلب پرینترها برای تنظیم میزان کشیدگی تسمه سازوکاری تعبیه شده است.

استپر موتور

برخلاف موتوهای DC متداول، که به طور پیوسته جابه جا می شوند، استپر موتورها با گام های مشخصی دوران می کنند. این امر سبب می شود که اینگونه موتورها کنترل دقیقی بر میزان حرکت خود داشته باشند. اغلب پرینترها از استپر موتورهای NEMA17 که دارای 200 گام در هر دور دوران است استفاده می کنند.

چارچوب پرینتر سه بعدی

امروزه ثابت شده است که چارچوب پرینتر سه بعدی در اینکه یک پرینتر سه بعدی چگونه کار می کند می تواند تأثیر بسزایی داشته باشد. چارچوب یک پرینتر همه ی قطعات آن را در کنار هم قرار می دهد. در پرینترهای اولیه از تخته ی چندلا برای ساخت چارچوب استفاده می شد. در پرینترهای کنونی از ورقه های فلز و یا پلاستیک برای ساخت چارچوب اصلی استفاده می شود. اغلب برای ساخت بسیاری از قسمت های پرینترهای سه بعدی از قطعات پرینت شده استفاده می شود. هر چقدر چارچوب پرینتر صلب تر باشد، حرکات پرینتر دقیقتر خواهد بود.

محفظه

بعضی از پرینترهای سه بعدی به گونه ای طراحی می شوند که فضای کاری آن ها درون محفظه ای بسته قرار داشته باشد. استفاده از محفظه دلایل مختلفی می تواند داشته باشد: جلوگیری از برخورد ناخواسته با قطعات متحرک و یا داغ، جلوگیری از نفوذ گرد و غبار به درون محفطه و یا کنترل بیشتر بر همه ی نواحی قطعات در حال ساخت.

قطعات الکتریکی

در ادامه خواهیم دید که اجزای الکترونیکی یک پرینتر سه بعدی چگونه کار می کند.با توجه به ساختارهای مکاترونیکی پرینترهای سه بعدی، آشنایی با اجزای الکترونیکی آن ها ضروری است. در ادامه برای اینکه بدانیم پرینتر سه بعدی چگونه کار می کند، به معرفی اجزای الکترونیکی آن می پردازیم.

منبع تغذیه

این قطعه برق جریان متناوب 220 ولت را به عنوان ورودی می گیرد و آن را تبدیل به برق جریان مستقیم با ولتاژ پایین می کند.منبع تغذیه ATX: این همان منبع تغذیه ای است در کامپیوترهای خانگی استفاده می شود. این منابع تغذیه بسیار مقاوم و بهینه هستند و توانایی ایجاد خروجی هایی با ولتاژهای مختلف هستند(12ولت، 5ولت، 3ولت).

ولتاژ: برخی از پرینترها از سیستم الکترونیکی 12ولتی و برخی دیگر از سیستم 24ولتی استفاده می کنند. دانستن این موضوع زمانی اهمیت پیدا می کند که بخواهیم برخی از قطعات پرینتر را تعویض کنیم؛ خصوصاً کارتریج گرم کننده و انتهای داغ اکسترودر.

مادربرد

مادربرد مغز پرینتر سه بعدی است. مادربرد فرمان های که در غالب Gcode به پرینتر داده می شود را دربافت می کند و دستورهای لازم را برای اجرا به دیگر اجزای پرینتر می دهد. مادربرد شامل یک میکروکنترلر و مدارات مورد نیاز است تا بتواند موتورها را کنترل کند، اطلاعات سنسورها را دریافت و پردازش کند و همچنین با کامپیوتر بیرونی در ارتباط باشد.

محرک استپرها

این چیپ ها مسئول به حرکت درآوردن استپر موتورها هستند. بسیاری از مادربردها دارای محرک است استپر موتور در درون خود هستند، ولی برخی از آن ها محرک استپر موتورهایی ماژولار دارند که قابل جدا شدن است.

رابط کاربری

بعضی از پرینتهای سه بعدی از نمایشگر LCD استفاده می کنند که این امکان را ایجاد می کند تا بدون اتصال به کامپیوتر بتوان فرآیند چاپ را انجام داد. این نمایشگرها می توانند مانند VIKI2 ابتدایی و سیاه و سفید باشند و یا مانند MatterControl Touch لمسی و قابل اتصال با wifi باشند.

شکاف SD Card

بعضی از پرینترها دارای شکاف SD Card هستند که به آن ها اجازه می دهد که Gcodeها ورودی را بدون نیاز به اتصال به کامپیوتر دریافت و اجرا کند.

متوقف کننده ها (End Stops)

این قطعات به پرینترها اجازه می دهد که تشخیص دهند که نازل آن ها در چه مکانی قرار دارد. وقتی نازل پرینتر به انتهای یک محور می رسد، کلیدی کوچکی در آن جا وجود دارد که فعال می شود. این همان روشی است که به واسطه ی آن پرینتر از محل قرارگیری نازل در شروع کار با خبر می شود. اغلب پرینترها از کلیدهای مکانیکی استفاده می کنند، ولی در بعضی از پرینترها از کلیدهای اپتیک استفاده می شود.

تنظیم فاصله ی نازل تا صفحه ساخت (Bed Leveling)

در اغلب پرینترهای سه بعدی سیستمی تعبیه شده است تا به طور خودکار فاصله ی نازل و صفحه ی ساخت را در ابتدای فرآیند ساخت بررسی کند. ولی در بعضی از سیستم ها این سیستم تعبیه نشده و باید به طور دستی این فاصله را کالیبراسیون کرد.