طباعة FDM ثلاثية الأبعاد: كل ما تحتاج إلى معرفته

هل أنت مهتم بالتعرف على أساسيات الطباعة ثلاثية الأبعاد FDM؟ تستكشف هذه المقالة المبادئ الأساسية لتقنية FDM وتشرح سبب كونها خيارًا عمليًا وفعالًا من حيث التكلفة للنماذج الأولية السريعة. استمر في القراءة لاكتساب رؤى حول أحدث تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد من أجل اتخاذ قرار مستنير عند النظر إلى خيارات الطباعة ثلاثية الأبعاد.

جدول المحتويات
سوق الطباعة ثلاثية الأبعاد FDM المتنامي
فهم شامل لتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد FDM
مزايا وعيوب طريقة الطباعة FDM ثلاثية الأبعاد
تطبيقات الطباعة ثلاثية الأبعاد FDM

سوق الطباعة ثلاثية الأبعاد FDM المتنامي

كان سوق الطباعة ثلاثية الأبعاد العالمي يساوي دولارًا أمريكيًا13.84 مليار في عام 2021 ومن المتوقع أن ينمو بمعدل نمو سنوي مركب (CAGR) بنسبة 20.8٪ بين عامي 2020 و 2030. نما السوق بسبب الاستثمار الكبير في البحث والتطوير في الطباعة ثلاثية الأبعاد والطلب المتزايد على تطبيقات النماذج الأولية في السيارات والرعاية الصحية ، والصناعات الدفاعية.

نمت الطباعة ثلاثية الأبعاد بتقنية FDM في السنوات الأخيرة نظرًا لأدائها العالي بتكلفة أقل ، مما يوفر الأعمال التجارية بنسبة تصل إلى 3 ٪ في عملية الأدوات الخاصة بهم. تشمل المزايا الأخرى النماذج الأولية السريعة والطباعة عند الطلب ومرونة التصميم والحد الأدنى من النفايات وما إلى ذلك.

استمر في القراءة للتعرف على أساسيات FDM تقنية الأبعاد الثلاثية وخصائصها ومميزاتها عن طرق الطباعة الأخرى.

فهم شامل لتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد FDM

ما هي تقنية FDM للطباعة ثلاثية الأبعاد؟

نمذجة الترسيب المنصهر (FDM) هي تقنية تصنيع مضافة تتضمن بثق المواد من خلال فوهة ودمجها لإنتاج كائنات ثلاثية الأبعاد. مقارنة بالطباعة ثلاثية الأبعاد للخرسانة والطعام ، تختلف عملية FDM القياسية عن تقنيات بثق المواد الأخرى. وهي تستخدم اللدائن الحرارية كمواد وسيطة ، عادة في شكل خيوط أو كريات.

نموذجيا ، FDM 3D طابعة يذوب المواد عن طريق دفع فتيل قائم على البوليمر عبر فوهة مسخنة ؛ ثم يتم إيداع المواد على منصة البناء في طبقات ثنائية الأبعاد. تندمج هذه الطبقات في النهاية لتشكيل أجزاء ثلاثية الأبعاد.

بشكل عام ، تعد طابعة FDM أسرع طريقة للطباعة ثلاثية الأبعاد ويمكن الوصول إليها وفعاليتها. تهيمن هذه الطابعات على سوق الطباعة ثلاثية الأبعاد لأنها أسهل في الاستخدام من طابعات الراتنج ثلاثية الأبعاد وأقل تكلفة من نظيراتها القائمة على المسحوق مثل SLS. 

متى تم تقديم تقنية FDM؟

على الرغم من أن FDM هي تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد الأكثر استخدامًا حاليًا ، إلا أنها لم تكن أول تقنية ثلاثية الأبعاد يتم إنشاؤها. بعد سنوات قليلة من تقديم براءات الاختراع الخاصة بالطباعة الحجرية (SLA) والتلبيد الانتقائي بالليزر (SLS) ، قدم سكوت كرومب براءة اختراع FDM الأولى في عام 3.

كانت تقنية FDM شائعة فقط بين المستخدمين غير التجاريين ، مثل الأكاديميين في جامعة باث ، الذين كانوا مهتمين في المقام الأول بإنشاء أجهزة ذاتية النسخ. ومع ذلك ، انتهت صلاحية براءة اختراع FDM في عام 2009 ، وقام الأفراد الذين ابتكروا هذه التقنية بتأسيس MakerBot Industries لتسويق ثلاثي الأبعاد طابعات.

كيف تعمل طباعة FDM ثلاثية الأبعاد؟

An FDM تقوم الطابعة ثلاثية الأبعاد بإنشاء كائنات عن طريق ترسيب مواد الفتيل المنصهرة فوق طبقة منصة بناء بطبقة حتى تحصل على جزء كامل. يستخدمون ملفات التصميم الرقمية التي تم تحميلها على الجهاز للحصول على الأبعاد المادية. تستخدم هذه الطابعات بوليمرات مثل PLA و ABS و PEI و PETG ، والتي يتم نقلها كخيوط من خلال فوهة ساخنة.

يتم تحميل بكرة من فتيل لدن بالحرارة في الطابعة لبدء تشغيل الطابعة. بمجرد وصول الفوهة إلى درجة الحرارة المطلوبة ، يمر الفتيل عبر رأس البثق والفوهة. 

يرتبط رأس البثق هذا بنظام ثلاثي المحاور ويمكن أن يتحرك على طول المحاور X و Y و Z. تقوم الآلة بعد ذلك ببثق المواد المنصهرة في حوامل رقيقة ، وترسب طبقة تلو طبقة في التصميم المحدد مسبقًا. في النهاية ، تبرد المادة وتتصلب. 

يستغرق الأمر عدة تمريرات لإنهاء المشروع. تنخفض منصة التصميم ، وتبدأ الطابعة في العمل على الطبقة التالية بعد الانتهاء من الطبقة السابقة. في بعض الآلات ، يتحرك رأس البثق لأعلى ولأسفل حتى تكتمل القطعة.

ما هي مميزات الطباعة ثلاثية الأبعاد FDM؟

على الرغم من أن FDM 3D طابعات تختلف من حيث جودة الجزء وأنظمة البثق الخاصة بهم اعتمادًا على العلامة التجارية والطراز ، وهناك بعض الخصائص المتسقة عبر كل طابعة FDM. 

1. بناء السرعة ودرجة الحرارة

تسمح جميع أنظمة FDM تقريبًا للمستخدمين بتغيير درجة الحرارة ، وسرعة البناء ، وسرعة مروحة التبريد ، وارتفاع الطبقة حسب الحاجة. يتم تحديدها عادةً بواسطة مزود خدمة الطباعة وتختلف وفقًا للمادة.

2. بناء الحجم

يشير حجم الإنشاء إلى حجم الجزء الذي يمكن للطابعة إنشاؤه. عادةً ما تحتوي الطابعة ثلاثية الأبعاد DIY على حجم بناء 3 × 200 مم ، بينما يمكن أن تحتوي الآلة الصناعية على حجم بناء 200 × 1000 × 1000 مم. يجب على المستخدمين مراعاة حجم بناء الطابعة وتصميمهم المقترح قبل الشراء. ومع ذلك ، يمكن أيضًا طباعة النماذج الكبيرة في أجزاء أصغر. 

3. طبقة التصاق

في طباعة FDM ، يعد الالتصاق المحكم بين الطبقات المترسبة للجزء أمرًا ضروريًا. يتم دمج الطبقة المطبوعة مسبقًا مع اللدائن الحرارية المنصهرة التي تقوم الطابعة ببثقها من خلال الفوهة. تذوب هذه الطبقة تحت ضغط ودرجة حرارة مرتفعين ، مما يسمح لها بالارتباط بالطبقة السابقة.

بالإضافة إلى ذلك ، يتغير شكل المادة المنصهرة إلى شكل بيضاوي حيث تضغط على الطبقة المطبوعة مسبقًا. بغض النظر عن ارتفاع الطبقة المستخدمة ، فإن أجزاء FDM لها دائمًا سطح متموج ، وقد تحتاج الميزات الصغيرة مثل الخيوط أو الثقوب الصغيرة إلى معالجة لاحقة.

4. ارتفاع طبقة

في آلة FDM ، يمكن أن يكون ارتفاع الطبقة بين 0.02 مم و 0.4 مم. يتم إنتاج أجزاء أكثر سلاسة ، ويتم التقاط الأشكال الهندسية المنحنية بدقة باستخدام ارتفاعات الطبقة المنخفضة. من ناحية أخرى ، فإن طباعة الأجزاء ذات ارتفاع الطبقة الأعلى تكون أسرع وأقل تكلفة. عادةً ما يكون ارتفاع الطبقة البالغ 0.2 مم بمثابة توازن جيد بين الوقت والتكلفة والجودة.

5. سمك الردم والقشرة

لا تنتج طابعات FDM عادةً أجزاء صلبة لتسريع وقت الطباعة والمواد المهدرة. بدلاً من ذلك ، تتعقب الطابعة المحيط الخارجي للغلاف عدة مرات قبل ملء الجزء الداخلي ، المعروف باسم الحشو ، بهيكل داخلي منخفض الكثافة.

يتم تحديد قوة الأجزاء المطبوعة من خلال سمك الحشوة والقشرة. تحتوي معظم طابعات FDM المكتبية على كثافة تعبئة افتراضية تبلغ 20٪ وسماكة غلاف 1 مم. ينتج عن هذا توازن مثالي بين القوة والسرعة للطباعة السريعة.

6. تزييفها

التزييف هو أحد عيوب FDM الأكثر شيوعًا - عندما تصلب المواد المبثوقة ، فإنها تتقلص في الحجم. علاوة على ذلك ، تبرد أقسام مختلفة من الجزء المطبوع بمعدلات متفاوتة ، وتتغير أبعادها أيضًا بسرعات مختلفة. نظرًا لتراكم الضغط الداخلي الناتج عن هذا التبريد التفاضلي ، تتحرك الطبقة الأساسية لأعلى وتلتف.

ومع ذلك ، هناك طرق مختلفة لمنع الالتواء. يتمثل أحد الأساليب في مراقبة درجة حرارة النظام عن كثب ، وخاصة منصة البناء والغرفة. الخطوة الثانية هي تحسين الالتصاق بين منصة البناء والجزء.

مزايا وعيوب طريقة الطباعة FDM ثلاثية الأبعاد

المزايا

الأداء

• على عكس الطرق الأخرى مثل طابعات الراتنج ثلاثية الأبعاد ، فإن FDM طابعات يمكن تحجيمها بسهولة إلى أي حجم ، مع كون القيد الوحيد هو حركة كل جسر. 
• فيما يتعلق بمواد الطباعة ، فإن خيوط FDM ميسورة التكلفة ، خاصةً بالمقارنة مع المواد المطلوبة للطرق الأخرى ، مثل SLS وطباعة الراتنج.
• بالمقارنة مع منافسيها ، فإن طابعات FDM أكثر مرونة. مع القليل من التحسينات والتعديلات ، يمكنهم طباعة مجموعة واسعة من المواد البلاستيكية الحرارية ، وهو أمر غير ممكن مع الطرق الأخرى حيث يجب أن تكون المادة من الراتينج أو المسحوق الناعم.

جودة الطباعة

• تتميز طابعة FDM بالمرونة ويمكنها استيعاب مواد مختلفة من مواد FDM. يمكنه إنشاء أجزاء ذات خصائص ومظاهر مختلفة ببساطة عن طريق تغيير نوع الفتيل.
• لا تشير جودة الطباعة إلى المظهر فحسب ، بل تشير أيضًا إلى أدائها الميكانيكي. بالمقارنة مع المطبوعات ثلاثية الأبعاد الهشة من الراتنج ، تنتج FDM أجزاء صلبة ومتينة.
• تعد طابعات FDM أيضًا متعددة الاستخدامات حيث يمكن التضحية بجودة الطباعة من أجل السرعة والبراعة ، مما يجعلها أداة مثالية لإنشاء أجزاء وظيفية وممتعة من الناحية الجمالية.

عيوب

• تعد طباعة FDM ثلاثية الأبعاد هي الأنسب لإنتاج الأجزاء الصغيرة الحجم ، ولكن من المحتمل أن تحتوي المنتجات النهائية على أسطح خشنة وتحتاج إلى معالجة لاحقة للحصول على تشطيب أكثر سلاسة.
• نظرًا لأن طابعات FDM تضع الشعيرات طبقة تلو الأخرى ، فهي عرضة للكسر ، مما يتسبب في أن تكون المطبوعات متباينة الخواص.
• تتطلب طباعة FDM استخدام الهياكل الداعمة ، والتي يمكن أن ترفع التكاليف.

تطبيقات الطباعة ثلاثية الأبعاد FDM

النمذجة المعمارية: تستخدم الطابعات ثلاثية الأبعاد على نطاق واسع لإنشاء نماذج معمارية لأنها أسرع وأرخص نسبيًا من الطرق التقليدية. يمكن أن تنتج لفة الشعيرة الواحدة من ثلاثة إلى أربعة نماذج ، مما يوفر التكاليف. 

تصنيع السيارات: تستخدم الطباعة ثلاثية الأبعاد بشكل شائع لتصميم الهيكل الداخلي للسيارة. يمكن للمستخدمين إنشاء قياسات دقيقة لتصنيع السيارات باستخدام برامج ثلاثية الأبعاد.

النماذج الجراحية: ال FDM مكنت التكنولوجيا ثلاثية الأبعاد الأطباء من التخطيط بشكل أفضل للعمليات الجراحية من خلال تزويدهم بأعضاء هي نسخة طبق الأصل من المريض. لها هيكل دقيق ، ويمكن جعلها صلبة أو مجوفة ، ويمكن طباعتها في ساعات.