۱- مقدمه
ساخت به روش برهم افزایی (Additive Manufacturing)؛ خلق اشیای سه بعدی به صورت لایه به لایه به کمک طراحی کامپیوتری (CAD) است. این فرآیند به روش های مختلف انجام می شود که دسته بندی آنها در شکل ۱ به تصویر کشیده شده است. همان طور که مشاهده می شود این تقسیم بندی بر اساس حالت فیزیکی ماده مورد استفاده و بر سه مبنای جامد، مایع و پودری است. این فرآیندها که در گذشته استفاده شده اند عبارتند از استریولیتوگرافی (SL)، پلی جت، مدلسازی لایه نشانی گداخته (FDM: Fused Deposition Modeling) ساخت اشیای چند لایه (LOM: Laminated Object Manufacturing )، چاپ سه بعدی ( ۳DP: 3D Printing )، پرومتال، کلوخه سازی انتخابی با لیزر ( SLS: Selective Laser Sintering)، شکل دهی شبکه ای مهندسی شده چند لایه ای (LENS: Laminated engineered net shaping) و ذوب سازی با بیم الکترونی (EBM: Electron Beam Melting). در ابتدا از این روش ها تنها برای تولید مدل های اولیه استفاده می شد ولی در حال حاضر گسترش بیشتری یافته اند.
روشی که در اینجا به توضیح آن پرداخته می شود روش FDM است. در این روش که نوعی فناوری تولید سریع نمونه آزمایشی اولیه است، فیلامنت نازک از جنس پلیمر به عنوان خوراک به ماشین چاپگر داده می شود. در قسمت سر چاپگر ( Print head ) این رشته ها ذوب می شوند و با ضخامت مشخصی اکسترود می شوند. مزایای این روش عبارتند از: کاهش زمان تولید قطعه از چند ماه به چند روز، ساده سازی طراحی و ساخت قطعه با کارایی بالاتر، آزادی طراحی و تکرار پذیری حتی برای قطعات پیچیده، عدم نیاز به پس فرآیند های شیمیایی، عدم وجود رزینی که باید پخت شود، ماشین چاپگر ارزان تر و اقتصادی بودن فرآیند از نظر نوع مواد مورد استفاده. معایب این روش نیز شامل قدرت تفکیک کم روی محور Z در مقایسه با سایر روش های ساخت افزودنی (AM) و در نتیجه نیاز به صیقلکاری سطح پس از فرآیند و زمان زیاد در حد چند روز برای چاپ قطعات پیچیده است. در ادامه این روش بر اساس متون شرکت Stratasys با جزئیات بیشتری معرفی شده و ملاحظات مورد نیاز در طراحی یک قطعه توسط این روش معرفی شده است.
۲- اجزای اصلی چاپگر FDM
روش FDM یکی از فناوری های ساخت به روش برهم افزایی است که توسط شرکت Stratasys به ثبت رسیده است. در این روش، قطعات با گرمایش و اکستروژن فیلامنت یک پلیمر ترموپلاستیک به صورت لایه به لایه ساخته می شود. این فرآیند با یک فایل CAD و با استفاده از نرم افزاری مانند Insight TM آغاز می شود که به چاپگر داده می شود. این نرم افزار به کاربر این امکان را می دهد تا تمامی گزینه ها برای ساخت قطعه از ضخامت لایه گرفته تا جهت چاپ قطعه را انتخاب کند و بنابراین قابلیت تغییر همه جانبه و بهبود قطعه را فراهم می کند.
ماشین های FDM می توانند از دو ماده به دنبال هم استفاده کنند که یکی برای ساخت قطعه و دیگری برای ساخت نگهدارنده هاست و مانع از افتادن قطعه در جاهای آویزان می شود. قسمت ای نگهدارنده پس از اتمام ساخت قطعه، جدا می شوند. شکل ۲ تصویر اجزای اصلی چاپگر FDM ساخت شرکت Stratasys را نشان میدهد. فیلامنت FDM به دور قرقره ها پیچیده شده است و از آنجا وارد سیستمی می شود که دارای نازل اکستروژن یا build tip است. نوک نازل توسط یک مایع کننده و در محفظه ای با دمای کنترل شده گرم می شود تا فیلامنت را ذوب کند و به طور همزمان فیلامنت ذوب شده در محور های افقی ( xوy) بر روی صفحه ساخت، می نشیند و مسیر حرکت صفحه ساخت در جهت عمودی (z) حرکت می کند تا فضا را برای نشستن لایه بعدی آماده کند.