بررسی کامل پرینتر سه‌بعدی

پرینتر سه‌بعدی از دید مهندسی

در این شماره یک پرینتر سه‌بعدی FFF را از صفر تا صد باز می‌کنیم.پرینتر سه بعدی از دو بخش اصلی الکترونیک و مکانیک تشکیل شده که ما در این نشریه به قسمت مکانیکی آن می پردازیم.

پرینتر سه‌بعدی FFF چیست؟ پرینتر سه‌بعدی FFF یا Fused Filament Fabrication دستگاهی است که با ذوب کردن یک رشته پلاستیکی به نام فیلامنت، قطعات سه‌بعدی را به‌صورت لایه‌به‌لایه می‌سازد. در این فرآیند، فیلامنت وارد هات‌اند شده و پس از ذوب شدن، از طریق نازل روی سطح چاپ قرار می‌گیرد. سپس پرینتر با حرکت دقیق در محورهای مختلف، لایه‌های بعدی را روی یکدیگر قرار می‌دهد تا شکل نهایی قطعه ساخته شود. به‌طور ساده: فیلامنت → ذوب شدن → خروج از نازل → ساخت لایه‌به‌لایه قطعه

شاسی و زیرسیستم‌ها

بدنه از پروفایل آلومینیوم ۲۰ در ۲۰ ساخته شده و سه محور حرکتی + سیستم اکسترودر روی آن سوار می‌شوند.

سیستم حرکتی پرینتر سه بعدی

وقتی به یک پرینتر سه‌بعدی نگاه می‌کنیم، شاید در ابتدا مجموعه‌ای از موتور، تسمه، ریل و قطعات فلزی ببینیم که هرکدام به شکلی در حال حرکت هستند. اما پشت این حرکات، یک سیستم مکانیکی دقیق قرار دارد که وظیفه دارد نازل پرینتر را با دقت بالا به موقعیت موردنظر برساند. برای اینکه یک پرینتر سه‌بعدی بتواند یک قطعه را لایه‌به‌لایه بسازد، باید بتواند در سه جهت مختلف حرکت کند. این سه جهت را معمولاً با نام محورهای X، Y و Z می‌شناسیم. محور X معمولاً حرکت چپ و راست را انجام می‌دهد. محور Y وظیفه حرکت در جهت جلو و عقب را دارد. محور Z حرکت عمودی یا بالا و پایین را کنترل می‌کند. ترکیب این سه حرکت باعث می‌شود نازل بتواند تقریباً به هر نقطه‌ای در فضای چاپ برسد.

تسمه، پولی و ریل

یکی از نکات مهم در مکانیزم پرینتر سه‌بعدی این است که موتور مستقیماً باعث حرکت خطی نازل نمی‌شود. استپر موتور در ابتدا یک حرکت دورانی ایجاد می‌کند، اما پرینتر برای حرکت دادن هد، میز یا سایر قطعات به حرکت خطی نیاز دارد. به همین دلیل، از مکانیزم‌های مختلفی برای تبدیل حرکت دورانی موتور به حرکت خطی استفاده می‌شود. برای مثال در بسیاری از محورهای X و Y، مسیر انتقال حرکت به این شکل است: استپر موتور ← پولی ← تسمه ← بخش متحرک موتور شروع به چرخش می‌کند، پولی متصل به موتور می‌چرخد و تسمه را حرکت می‌دهد. تسمه نیز نیروی موردنیاز را به بخش متحرک منتقل می‌کند و باعث جابه‌جایی آن روی ریل یا شفت می‌شود. در محور Z معمولاً از مکانیزم متفاوتی استفاده می‌شود. در اینجا حرکت دورانی موتور توسط یک لیداسکرو به حرکت خطی تبدیل می‌شود و مجموعه موردنظر به سمت بالا یا پایین حرکت می‌کند.

محور X معمولاً وظیفه حرکت هد یا بخشی از سیستم چاپ را در راستای چپ و راست برعهده دارد. در این محور معمولاً از ترکیبی از استپر موتور، پولی، تسمه، ریل و کالسکه استفاده می‌شود.

محور Y حرکت سیستم را در جهت جلو و عقب کنترل می‌کند. بسته به طراحی پرینتر، ممکن است هد چاپ روی این محور حرکت کند یا خود میز چاپ جابه‌جا شود. جرم قطعات متحرک در این محور اهمیت زیادی دارد. هرچه جرم بیشتر باشد، برای رسیدن به شتاب مشخص به نیروی بیشتری نیاز خواهیم داشت.

محور Z وظیفه ایجاد حرکت عمودی را برعهده دارد. این محور معمولاً نسبت به محورهای X و Y با سرعت کمتری حرکت می‌کند، اما دقت آن نقش مهمی در کیفیت لایه‌های چاپ‌شده دارد. در بسیاری از پرینترها، برای حرکت محور Z از لیداسکرو استفاده می‌شود. این مکانیزم می‌تواند حرکت چرخشی استپر موتور را به حرکت خطی دقیق تبدیل کند.

محور های X , Y , Z

استپر موتور؛ شروع حرکت استپر موتور یکی از اصلی‌ترین قطعات سیستم حرکتی پرینتر سه‌بعدی است. تفاوت مهم آن با موتورهای معمولی این است که می‌تواند حرکت خود را به گام‌های مشخص و کنترل‌شده تقسیم کند. برای مثال، یک استپر موتور رایج ممکن است برای یک دور کامل به ۲۰۰ استپ نیاز داشته باشد. یعنی هر استپ موتور را مقدار مشخصی می‌چرخاند. کنترلر پرینتر با ارسال تعداد مشخصی از پالس‌ها به موتور تعیین می‌کند که موتور چه مقدار بچرخد. به همین دلیل می‌توان موقعیت محور را با دقت بالایی کنترل کرد. البته استپر موتور به‌تنهایی باعث حرکت خطی نمی‌شود. حرکت چرخشی آن باید توسط یک مکانیزم انتقال حرکت به حرکت موردنیاز محور تبدیل شود.

محور های X , Y

پولی؛ ارتباط بین موتور و تسمه پولی معمولاً روی شفت استپر موتور نصب می‌شود. با چرخش موتور، پولی نیز می‌چرخد و حرکت خود را به تسمه منتقل می‌کند. یکی از مشخصات مهم پولی، تعداد دندانه‌های آن است. برای مثال، اگر از تسمه‌ای با گام ۲ میلی‌متر و یک پولی ۲۰ دندانه استفاده کنیم، با یک دور کامل پولی، تسمه به اندازه زیر حرکت می‌کند: ۲۰ × ۲ = ۴۰ میلی‌متر بنابراین یک دور کامل موتور می‌تواند ۴۰ میلی‌متر حرکت خطی ایجاد کند. تعداد دندانه‌های پولی روی سرعت و دقت حرکت محور تأثیر دارد و به همین دلیل یکی از پارامترهای مهم در طراحی سیستم حرکتی محسوب می‌شود.

محور های X , Y

تسمه وظیفه دارد حرکت ایجادشده توسط موتور را به بخش متحرک منتقل کند. مسیر انتقال حرکت در یک سیستم تسمه‌ای به این شکل است: استپر موتور → پولی → تسمه → بخش متحرک در بیشتر پرینترهای سه‌بعدی از تسمه‌های دندانه‌دار استفاده می‌شود تا تسمه و پولی بدون لغزش با یکدیگر درگیر شوند. یکی از تسمه‌های رایج، GT2 است که گام دندانه‌های آن ۲ میلی‌متر است. ترکیب گام تسمه و تعداد دندانه‌های پولی مشخص می‌کند که با هر دور موتور، محور چه مقدار جابه‌جا شود.

محور های X , Y

پولی هرزگرد؛ هدایت مسیر تسمه در بسیاری از مکانیزم‌ها، تسمه برای رسیدن به مسیر موردنظر باید تغییر جهت دهد. این وظیفه معمولاً بر عهده پولی هرزگرد یا Idler Pulley است. پولی هرزگرد برخلاف پولی اصلی به موتور متصل نیست و نیروی محرک تولید نمی‌کند. وظیفه آن هدایت تسمه و حفظ مسیر صحیح حرکت آن است. این قطعه معمولاً با استفاده از بلبرینگ حرکت می‌کند تا تسمه بتواند با اصطکاک کم از روی آن عبور کند.

محور های X ,Y

تسمه‌کش؛ تنظیم کشش تسمه برای عملکرد دقیق سیستم، تسمه باید کشش مناسبی داشته باشد. اگر تسمه بیش از حد شل باشد، ممکن است هنگام تغییر جهت حرکت، لقی ایجاد شود و دقت محور کاهش پیدا کند. از طرف دیگر، تسمه بیش از حد سفت نیز می‌تواند فشار اضافی به موتور، پولی‌ها و بلبرینگ‌ها وارد کند. بنابراین وظیفه تسمه‌کش این نیست که تسمه را تا حد ممکن سفت کند؛ بلکه به ما اجازه می‌دهد کشش مناسب تسمه را تنظیم کنیم. تنظیم صحیح تسمه نقش مهمی در دقت حرکت و کیفیت نهایی چاپ دارد.

محور Z

همه محورهای پرینتر از سیستم تسمه‌ای استفاده نمی‌کنند. برای مثال، در بسیاری از پرینترها محور Z با استفاده از لیداسکرو حرکت می‌کند. در این سیستم، شفت استپر موتور باید به لیداسکرو متصل شود. این اتصال معمولاً توسط قطعه‌ای به نام کوپلینگ انجام می‌شود. مسیر انتقال حرکت در این حالت به شکل زیر است: استپر موتور → کوپلینگ → لیداسکرو → حرکت خطی کوپلینگ علاوه بر انتقال حرکت چرخشی موتور، می‌تواند مقدار محدودی از خطاهای کوچک در هم‌راستایی دو شفت را نیز جبران کند.

محور Z

تا اینجا دیدیم که در محورهای X و Y معمولاً از تسمه برای تبدیل حرکت موتور به حرکت خطی استفاده می‌شود. اما در بعضی بخش‌های پرینتر، به‌خصوص محور Z، معمولاً از مکانیزم دیگری به نام لیداسکرو استفاده می‌شود. لیداسکرو در ظاهر شباهت زیادی به یک پیچ بلند دارد، اما وظیفه آن فقط اتصال قطعات نیست. این قطعه برای تبدیل حرکت چرخشی به حرکت خطی طراحی شده است. وقتی استپر موتور لیداسکرو را می‌چرخاند، مهره‌ای که روی آن قرار گرفته می‌تواند در امتداد طول پیچ حرکت کند. اگر مهره به بخش متحرک پرینتر متصل باشد، با چرخش لیداسکرو، آن بخش به سمت بالا یا پایین جابه‌جا می‌شود. مسیر انتقال حرکت به این شکل است: استپر موتور → کوپلینگ → لیداسکرو → مهره → حرکت خطی مهره لیداسکرو چه کاری انجام می‌دهد؟ مهره لیداسکرو قطعه‌ای است که روی رزوه‌های لیداسکرو قرار می‌گیرد و حرکت آن را دریافت می‌کند. می‌توان برای درک ساده‌تر، این مکانیزم را تا حدی شبیه ترکیب پیچ و مهره در نظر گرفت؛ با این تفاوت که در اینجا هدف اصلی محکم کردن دو قطعه به یکدیگر نیست. در یک پیچ معمولی، با چرخاندن پیچ یا مهره، معمولاً قطعات به یکدیگر نزدیک شده و محکم می‌شوند. اما در سیستم لیداسکرو، از همین ایده برای ایجاد یک حرکت کنترل‌شده استفاده می‌کنیم. یعنی: لیداسکرو می‌چرخد، اما مهره در طول آن حرکت می‌کند. در پرینتر سه‌بعدی معمولاً مهره به یک بخش از محور Z متصل می‌شود. بنابراین با حرکت مهره، کل مجموعه نیز در راستای بالا و پایین جابه‌جا خواهد شد. گام لیداسکرو چرا مهم است؟ یکی از مشخصات مهم لیداسکرو، مقدار حرکتی است که در هر دور کامل ایجاد می‌کند. این مقدار مشخص می‌کند که با یک دور چرخش موتور، مهره چه مقدار در راستای محور حرکت می‌کند. هرچه این مقدار کمتر باشد، با هر دور موتور حرکت کمتری ایجاد می‌شود و کنترل حرکت می‌تواند دقیق‌تر انجام شود. از طرف دیگر، مقدار حرکت در هر دور روی سرعت محور نیز تأثیر دارد. به همین دلیل، انتخاب لیداسکرو باید با توجه به نیاز محور انجام شود. در محور Z معمولاً سرعت بسیار بالا اهمیت اصلی نیست؛ بلکه حرکت دقیق، پایدار و توانایی تحمل بار اهمیت بیشتری دارد. به همین دلیل لیداسکرو انتخاب مناسبی برای این محور محسوب می‌شود.

تا اینجا با دو روش اصلی برای تبدیل حرکت دورانی موتور به حرکت خطی آشنا شدیم: سیستم تسمه‌ای و سیستم لیداسکرو. هر دو سیستم یک وظیفه مشترک دارند؛ حرکت چرخشی استپر موتور را به حرکت خطی تبدیل می‌کنند. تفاوت اصلی آن‌ها در نحوه انتقال نیرو و کاربردشان است. در سیستم تسمه‌ای، موتور پولی را می‌چرخاند و پولی باعث حرکت تسمه می‌شود. این سیستم معمولاً سبک و سریع است و به همین دلیل برای محورهایی مانند X و Y گزینه مناسبی محسوب می‌شود. در مقابل، لیداسکرو حرکت موتور را از طریق رزوه‌ها به مهره منتقل می‌کند. این مکانیزم معمولاً برای حرکت‌های دقیق‌تر و محورهایی که باید بار بیشتری را تحمل کنند، مناسب‌تر است. به همین دلیل در بسیاری از پرینترهای سه‌بعدی می‌بینیم که: محورهای X و Y → تسمه محور Z → لیداسکرو البته این یک قانون ثابت نیست و طراحی پرینتر می‌تواند متفاوت باشد، اما این ترکیب در بسیاری از طراحی‌ها رایج است.

محور های X , Y , Z

استپر موتور و تسمه نیروی لازم برای حرکت محور را فراهم می‌کنند، اما این سؤال باقی می‌ماند که بخش متحرک چگونه در یک مسیر مستقیم و دقیق حرکت می‌کند؟ اینجاست که شفت و بلبرینگ خطی وارد عمل می‌شوند. شفت چیست؟ شفت خطی یک میله فلزی صاف و دقیق است که مسیر حرکت را مشخص می‌کند. بخش متحرک پرینتر روی این شفت حرکت می‌کند و شفت کمک می‌کند مسیر حرکت مستقیم و پایدار باقی بماند. بلبرینگ خطی چیست؟ بلبرینگ خطی روی شفت قرار می‌گیرد و به بخش متحرک اجازه می‌دهد با اصطکاک کم روی آن حرکت کند. در داخل آن معمولاً ساچمه‌هایی قرار دارند که حرکت را روان‌تر می‌کنند. به‌طور ساده: شفت → مسیر حرکت را مشخص می‌کند بلبرینگ خطی → حرکت روان روی مسیر را ممکن می‌کند در یک محور، تسمه نیروی حرکت را منتقل می‌کند و شفت و بلبرینگ مشخص می‌کنند که این حرکت دقیقاً در چه مسیری انجام شود. ریل خطی؛ جایگزینی برای شفت در بعضی پرینترها به‌جای شفت و بلبرینگ خطی از ریل خطی و واگن استفاده می‌شود. وظیفه آن‌ها نیز مشابه است؛ ریل مسیر حرکت را مشخص می‌کند و واگن روی آن حرکت می‌کند. سیستم‌های ریل خطی معمولاً صلبیت و دقت بالایی دارند و به همین دلیل در بسیاری از پرینترهای جدید و سریع استفاده می‌شوند.

محور های X , Z

برای چاپ یک قطعه، فیلامنت باید از مسیر مشخصی عبور کند، گرم شود و در نهایت با دقت از نازل خارج شود. این مسیر به‌طور کلی به شکل زیر است: نازل → هات‌اند → اکسترودر

اکسترودر

کسترودر وظیفه دارد فیلامنت را با سرعت و مقدار مشخص به سمت هات‌اند حرکت دهد. استپر موتور و چرخ‌دنده‌های اکسترودر، حرکت چرخشی موتور را به حرکت خطی فیلامنت تبدیل می‌کنند. اکسترودرها معمولاً به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند: Direct Drive: اکسترودر نزدیک هات‌اند قرار دارد و کنترل دقیق‌تری روی فیلامنت دارد. Bowden: اکسترودر از هات‌اند فاصله دارد و فیلامنت از طریق یک لوله به سمت نازل هدایت می‌شود. این طراحی باعث سبک‌تر شدن هد می‌شود.

هات‌اند

هات‌اند بخشی است که فیلامنت در آن گرم و ذوب می‌شود. این مجموعه معمولاً شامل هیت‌سینک، Heat Break، هیتر و نازل است. هیت‌سینک مانع انتقال بیش از حد گرما به قسمت بالایی می‌شود تا فیلامنت قبل از رسیدن به محل مناسب نرم نشود.

نازل

نازل آخرین بخش مسیر فیلامنت است. مواد ذوب‌شده از سوراخ کوچک نازل خارج می‌شوند و لایه‌های قطعه را تشکیل می‌دهند. قطر نازل تأثیر مستقیمی روی دقت و سرعت چاپ دارد. نازل کوچک‌تر معمولاً جزئیات بیشتری ایجاد می‌کند، در حالی که نازل بزرگ‌تر می‌تواند مواد بیشتری را در زمان کوتاه‌تری خارج کند.

سنسور دما

کنترل دمای هات‌اند اهمیت زیادی دارد. اگر دما بیش از حد پایین باشد، فیلامنت به‌خوبی ذوب نمی‌شود و اگر بیش از حد بالا باشد، ممکن است کیفیت مواد کاهش پیدا کند. برای کنترل دما معمولاً از سنسورهایی مانند ترمیستور استفاده می‌شود. این سنسور دمای هات‌اند را اندازه‌گیری می‌کند و اطلاعات را به کنترلر می‌فرستد تا دمای هیتر تنظیم شود. به این ترتیب، کل سیستم با همکاری اکسترودر، هات‌اند، نازل و سنسور دما، مقدار مناسبی از فیلامنت را ذوب کرده و با دقت روی قطعه قرار می‌دهد.

محورY

هیت‌بد؛ سطح گرم چاپ هیت‌بد یا Heated Bed همان سطحی است که قطعه روی آن چاپ می‌شود. این بخش معمولاً دارای یک المنت حرارتی است که سطح میز را تا دمای مشخصی گرم می‌کند. گرم بودن Bed چند مزیت مهم دارد: چسبندگی بهتر لایه اول به سطح کاهش احتمال جدا شدن قطعه هنگام چاپ کاهش تاب برداشتن یا Warping در بعضی مواد روی هیت‌بد معمولاً یک سطح چاپ قرار می‌گیرد که می‌تواند از جنس‌های مختلفی باشد. در بسیاری از پرینترها از صفحه‌های انعطاف‌پذیر و مغناطیسی استفاده می‌شود تا جدا کردن قطعه بعد از چاپ راحت‌تر باشد. دمای هیت‌بد نیز مانند هات‌اند توسط یک سنسور دما اندازه‌گیری و توسط کنترلر تنظیم می‌شود.

استپر موتور می‌تواند محور را حرکت دهد، اما زمانی که پرینتر روشن می‌شود، کنترلر لزوماً نمی‌داند هد یا میز دقیقاً در چه موقعیتی قرار دارند. برای مشخص کردن نقطه مرجع، از سنسورهای موقعیت استفاده می‌شود.

Endstop

اند استاپ یا Endstop سنسوری است که معمولاً در ابتدا یا انتهای مسیر یک محور قرار می‌گیرد. هنگام روشن شدن پرینتر، محور به سمت سنسور حرکت می‌کند. زمانی که Endstop فعال شود، کنترلر متوجه می‌شود که محور به موقعیت مرجع رسیده است. این فرآیند را Homing می‌نامند. به‌طور ساده: حرکت محور → رسیدن به Endstop → تشخیص موقعیت مرجع بعد از انجام Homing، پرینتر می‌تواند موقعیت سایر بخش‌های مسیر را با توجه به این نقطه محاسبه کند.

سنسور تعیین سطح؛ فاصله نازل تا Bed

یکی دیگر از سنسورهای مهم، سنسور تعیین سطح یا Bed Leveling Sensor است. این سنسور به پرینتر کمک می‌کند فاصله بین نازل و سطح چاپ را در نقاط مختلف اندازه‌گیری کند. سطح Bed ممکن است کاملاً صاف و هم‌سطح نباشد. سنسور نقاط مختلف را بررسی می‌کند و پرینتر می‌تواند این اختلاف‌ها را در طول چاپ جبران کند. این فرآیند باعث می‌شود لایه اول با فاصله مناسب روی سطح چاپ قرار بگیرد؛ موضوعی که تأثیر زیادی روی کیفیت و موفقیت چاپ دارد.

در پرینترهای سریع، حرکت ناگهانی هد می‌تواند باعث ایجاد لرزش شود. این لرزش ممکن است روی سطح قطعه به شکل خطوط یا موج‌های ناخواسته دیده شود. سنسور شتاب‌سنج یا Accelerometer می‌تواند این لرزش‌ها را اندازه‌گیری کند. اطلاعات این سنسور به سیستم کنترل کمک می‌کند حرکت محورهای پرینتر بهتر تنظیم شود و لرزش‌های ایجادشده کاهش پیدا کنند. به این ترتیب، سنسورها به پرینتر کمک می‌کنند علاوه بر حرکت، بتواند موقعیت، دما، سطح چاپ و وضعیت لرزش سیستم را نیز بررسی و کنترل کند.