ملاحظات اصلی در طراحی
یکی از کاربردهای این روش برای ساخت قالب کامپوزیتی است. به منظور دستیابی به کارآمدی بالا در استفاده از این روش باید به موارد زیر توجه نمود:
دمای پخت
ضریب انبساط حرارتی (CTE)
جهت ساخت قطعه
دقت (accuracy) و تلورانس
پارامترهای فرآیندی
آماده سازی قطعه یا طرح قالب
کاربرد مورد انتظار و عمر قالب
در ادامه هر یک از این موارد شرح داده می شود.
۳-۱- دمای پخت
دمای پخت سازه کامپوزیتی پارامتر مهمی در انتخاب ماده یا همان فیلامنت FDM می توانند گستره وسیعی از دماها را پوشش دهند. در این فرآیند مواد مختلفی استفاده می شوند مانند پلی کربنات (PC)، اکریلونیتریل بوتادین استایرن (ABS)، پلی فنیل سولفون (PPSF)، آمیخته های ABS- PCو ISO- PC که گرید پزشکی پلی کربنات است. علاوه بر اینها رزین هایی با نام تجاری ULTEM 9085 و ULTEM 1010 نیز به کار می روند. رزین ULTEM 1010 قابلیت تحمل دمایی بالایی دارد و به دلیل ضریب انبساط حرارتی کم، انتخال ترجیحی برای شرکت Stratasys است. همچنین خواص قطعات FDM به دلیل ماهیت فرآیند ساخت، اغلب ناهمگون است. این مشکل با استفاده از رزین ULTEM 1010 کمتر است.
۳-۲- ضریب انبساط حرارتی (CTE)
اهمیت ضریب انبساط حرارتی به دلیل اثر آن بر شکل فیزیکی نهایی سازه کامپوزیتی است. به دلیل بالا بودن نسبی ضریب انبساط حرارتی مواد FDM باید بررسی های لازم از همان ابتدای طراحی ابزار آغاز شود تا بتواند تغییرات ابعادی ناشی از انبساط حرارتی در دماهای بالا را جبران کند. برای محاسبه تغییرات ابعادی می توان از رابطه زیر استفاده کرد:
Expansion factor=(T_Cure-T_initial)×CTE
که در آن T_Cure حداکثر دمای پخت و T_initial دمای شروع و معمولا همان دمای اتاق است. باید دقت کرد که آنچه از این معادله به دست می آید فاکتور انبساط قطعه کامپوزیتی نیست زیرا بر حسب نوع ماده و نیز شکل لایه گذاری تغییر می کند. با کم کردن مقدار فوق از یک، فاکتور tool scaling به دست می آید که باید در تنظیمات قطعه وارد شود تا ابعاد، شکل و اندازه نهایی به درستی به دست آید. برای مثال برای رزین ULTEM 1010 با دمای پخت ℃ ۱۷۷ و دمای شروع℃ ۲۴، فاکتور tool scaling برابر ۹۹۲۸۵/۰ محاسبه می شود. روش دقیق بر حسب نوع نرم افزار CAD استفاده می شود ولی برای نرم افزار SOLIDWOKS به این صورت است که در گزینه Insert و سپس Features باید Scale را انتخاب نموده و مانند شکل ۳ فاکتور scaling را وارد نمایید.
۳-۳- جهت ساخت قطعه
جهت ساخت قطعه با چاپگر FDM موضوع مهمی است زیرا بر زمان ساخت، مقدار ماده نگهدارنده مورد نیاز، کیفیت نهایی سطح (میزان پله ای شد سطح) و عملکرد کلی قطعه (به دلیل ناهمگونی در خواص) اثر گذار است. همچنین باید این موضوع در حین طراحی اولیه قطعه و نه پس از آن بررسی شود زیرا گزینه های انتخابی در این مرحله تعیین می شوند. جهت های مرسوم و ابتدایی شامل جهت های افقی و عمودی است که نمونه هایی از آن ها در شکل های ۴ تا ۶ آمده است. البته این جهت تنها جهت های انتخابی نیستند ولی به عنوان مرجعی جهت بیان مزایا و معایب هر یک معرفی می شوند.
به طور کلی بیشتر جهت عمودی برای قطعات FDM پیشنهاد می شود زیرا میزان ناهمواری سطح، مقدار ماده نگهدارنده و زمان ساخت را به حداقل می رساند و همگی این ها بر قیمت نهایی اثر می گذارد. در مقایسه دو شکل عمودی ۵ و ۶ باید دقت داشت که شکل ۵ هرچند به صورت عمودی است ولی باز هم ایده ال نیست زیرا به مقدار ماده نگهدارنده زیادی نیاز دارد در نتیجه هم هزینه را زیاد می کند و هم زمان مورد نیاز برای جدا کردن نگهدارنده ها پس از ساخت قطعه. شکل ۶ حالت بهینه را نشان می دهد. به طور کلی اگر قطعه چندین سطح با برجستگی های زیاد (کانتور بالا) داشته باشد، باید تلاش کرد تا قطعه در جهتی ساخته شود که بیشتر سطوح حداقل حالت پلکانی را داشته باشد.
دقت و تلورانس
چاپگر FDM قادر به تولید ابزار با دقت mm 0889/0 ± یا mm/mm 0381/0 ± است. باید دقت داشت که به دلیل ماهیت حرارتی فرآیند، تمامی دقت ها وابسته به هندسه قطعه است. برای قطعات کامپوزیتی که به دقتی بالاتر از آنچه به طور مستقیم با چاپگر سه بعدی FDM به ست می آید، نیاز دارند، یک راه حل این است که ابتدا قطعه ای بسیار مشابه آنچه مورد نظر است با FDM ساخته شود و سپس ماشین کاری و پوشش سطحی انجام شود.