چگونگی ساخت یک نمونه پلاستیکی با پرینت سه بعدی
ساخت یک قطعه پلاستیکی در گذشته معمولاً به ساخت قالب، ماشینکاری یا روشهایی نیاز داشت که برای تولید تنها یک یا چند نمونه اولیه هزینه و زمان زیادی ایجاد میکردند. ظهور پرینترهای سهبعدی این روند را تا حد زیادی تغییر داده است. امروزه میتوان یک مدل دیجیتالی را طراحی کرد و در مدت نسبتاً کوتاهی آن را به یک قطعه فیزیکی پلاستیکی تبدیل کرد.
ساخت نمونه پلاستیکی با پرینت سه بعدی یکی از رایجترین روشهای نمونهسازی سریع یا Rapid Prototyping محسوب میشود. مهندسان، طراحان صنعتی، مخترعان و تولیدکنندگان با استفاده از این فناوری میتوانند پیش از ورود به مرحله تولید انبوه، شکل، ابعاد، مونتاژ و حتی بخشی از عملکرد محصول را آزمایش کنند.
اما تبدیل یک ایده به نمونه فیزیکی فقط به زدن دکمه Print محدود نمیشود. طراحی مدل، انتخاب متریال، تنظیمات چاپ، جهت قرارگیری قطعه و عملیات پس از چاپ همگی روی کیفیت نمونه نهایی تأثیر دارند.
در ادامه مراحل ساخت یک نمونه پلاستیکی با پرینتر سهبعدی را قدم به قدم بررسی میکنیم.
نمونهسازی با پرینت سه بعدی چیست؟
نمونهسازی با پرینت سهبعدی فرایندی است که در آن مدل دیجیتالی یک قطعه به صورت لایهلایه به یک جسم فیزیکی تبدیل میشود.
در روشهایی مانند FDM یا FFF، یک رشته پلاستیکی که به آن فیلامنت گفته میشود وارد هد پرینتر شده، گرم و ذوب میشود. سپس نازل دستگاه مواد مذاب را طبق مسیر تعیینشده روی صفحه چاپ قرار میدهد.
این فرایند لایه به لایه ادامه پیدا میکند تا قطعه کامل شود.
مزیت اصلی این روش آن است که برخلاف قالبگیری تزریقی، برای ساخت یک یا چند نمونه اولیه معمولاً نیازی به ساخت قالب اختصاصی وجود ندارد.
به همین دلیل پرینت سه بعدی برای بررسی اولیه محصولات جدید بسیار کاربردی است.
مراحل ساخت نمونه پلاستیکی با پرینت سه بعدی
برای تبدیل یک ایده به قطعه نهایی معمولاً مراحل زیر طی میشوند:
- مشخص کردن هدف نمونه
- طراحی مدل سهبعدی
- آمادهسازی فایل برای چاپ
- انتخاب متریال
- تعیین تنظیمات پرینت
- چاپ نمونه
- جدا کردن ساپورتها
- پرداخت و بررسی نمونه
- اصلاح طراحی و چاپ مجدد در صورت نیاز
در ادامه هر مرحله را دقیقتر بررسی میکنیم.
مرحله اول؛ مشخص کردن هدف از ساخت نمونه
پیش از شروع طراحی باید مشخص شود که چرا نمونه اولیه ساخته میشود.
گاهی هدف فقط بررسی ظاهر محصول است. در چنین شرایطی ممکن است استحکام مکانیکی اهمیت زیادی نداشته باشد.
اما در پروژهای دیگر ممکن است نمونه برای تست مونتاژ، حرکت قطعات یا تحمل فشار ساخته شود.
نمونهها را میتوان بر اساس هدف به چند گروه تقسیم کرد:
نمونه ظاهری
برای بررسی فرم، ابعاد، رنگ، ارگونومی و ظاهر محصول استفاده میشود.
نمونه مونتاژی
هدف آن بررسی هماهنگی چند قطعه با یکدیگر است.
برای مثال میتوان قبل از تولید قالب یک قاب پلاستیکی و قطعات داخلی آن را پرینت کرد و نحوه مونتاژ را بررسی کرد.
نمونه عملکردی
در این حالت قطعه باید بخشی از عملکرد واقعی محصول را شبیهسازی کند.
انتخاب متریال، درصد پرشدگی و جهت چاپ در چنین نمونههایی اهمیت بیشتری دارد.
مرحله دوم؛ طراحی مدل سه بعدی
پس از تعیین هدف، باید مدل سهبعدی قطعه ایجاد شود.
برای این کار میتوان از نرمافزارهای CAD و مدلسازی سهبعدی استفاده کرد.
از جمله نرمافزارهای رایج میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
- SolidWorks
- Fusion 360
- Autodesk Inventor
- CATIA
- Siemens NX
- FreeCAD
- Blender
انتخاب نرمافزار به نوع قطعه بستگی دارد.
برای قطعات مهندسی و مکانیکی معمولاً نرمافزارهای CAD پارامتریک گزینه مناسبتری هستند، در حالی که برای مدلهای هنری و فرمهای آزاد نرمافزارهایی مانند Blender کاربرد بیشتری دارند.
هنگام طراحی برای پرینت سه بعدی چه نکاتی مهم هستند؟
قطعهای که روی صفحه نمایش خوب به نظر میرسد الزاماً به شکل مناسبی چاپ نمیشود.
در طراحی باید مواردی مانند موارد زیر در نظر گرفته شوند:
- حداقل ضخامت دیواره
- تلرانس مونتاژ
- محل سوراخها
- بخشهای معلق یا Overhang
- جهت چاپ
- نیاز یا عدم نیاز به ساپورت
- میزان فشار واردشده به قطعه
- نحوه قرارگیری چند قطعه کنار یکدیگر
اصطلاح Design for Additive Manufacturing یا DfAM دقیقاً به همین موضوع اشاره دارد؛ یعنی طراحی قطعه با درنظرگرفتن ویژگیها و محدودیتهای ساخت افزایشی.
مرحله سوم؛ خروجی گرفتن از مدل سه بعدی
پس از تکمیل طراحی باید فایل برای نرمافزار اسلایسر آماده شود.
فرمتهای مختلفی برای این کار وجود دارند که از جمله رایجترین آنها میتوان به:
- STL
- 3MF
- OBJ
اشاره کرد.
STL سالها یکی از رایجترین فرمتهای مورد استفاده در پرینت سه بعدی بوده است.
پس از خروجی گرفتن، بهتر است فایل از نظر خطاهای هندسی بررسی شود. وجود سطح باز، تداخل هندسی یا مدل ناقص میتواند باعث ایجاد مشکل در فرایند اسلایس شود.
مرحله چهارم؛ انتخاب بهترین پلاستیک برای نمونه
یکی از مهمترین مراحل ساخت قطعه پلاستیکی با پرینتر سه بعدی انتخاب متریال است.
فیلامنتهای متنوعی برای پرینترهای FDM وجود دارند.
PLA؛ مناسب نمونههای ساده و ظاهری
PLA یکی از پرکاربردترین مواد در پرینت سه بعدی است.
مزایای آن شامل:
- چاپ نسبتاً آسان
- تغییر شکل حرارتی کمتر هنگام چاپ
- کیفیت سطح مناسب
- تنوع رنگ بالا
- مناسب برای نمونهسازی اولیه
است.
PLA برای نمونههای ظاهری، ماکت و تست ابعادی انتخاب مناسبی است.
اما اگر قطعه در محیط گرم یا تحت فشار مکانیکی جدی قرار میگیرد، ممکن است مواد دیگر مناسبتر باشند.
PETG؛ تعادل بین سهولت چاپ و دوام
PETG در بسیاری از پروژهها گزینه مناسبی برای قطعات کاربردی محسوب میشود.
این ماده معمولاً نسبت به PLA انعطاف و مقاومت ضربهای بیشتری دارد و مقاومت آن در برابر رطوبت نیز مناسب است.
اگر نمونه اولیه قرار است علاوه بر ظاهر، در یک تست عملکردی ساده نیز استفاده شود، PETG ارزش بررسی دارد.
ABS؛ مناسب قطعات مهندسیتر
ABS سالها در تولید قطعات پلاستیکی مورد استفاده قرار گرفته است.
ویژگیهای آن شامل:
- استحکام مناسب
- مقاومت حرارتی بهتر نسبت به PLA
- قابلیت پرداخت
- امکان استفاده برای برخی نمونههای عملکردی
است.
بااینحال چاپ ABS نسبت به PLA دشوارتر است و برای دستیابی به نتیجه مناسب معمولاً کنترل شرایط محیط چاپ اهمیت بیشتری پیدا میکند.
TPU؛ برای قطعات انعطافپذیر
اگر نمونه موردنظر باید انعطاف داشته باشد، TPU میتواند گزینه مناسبی باشد.
از این ماده برای تولید قطعاتی مانند:
- ضربهگیر
- واشر
- قطعات انعطافپذیر
- روکش
- برخی اتصالات نرم
استفاده میشود.
مقایسه متریالهای رایج پرینت سه بعدی
| متریال | چاپ آسان | استحکام | مقاومت حرارتی | انعطاف | کاربرد پیشنهادی |
|---|---|---|---|---|---|
| PLA | بسیار خوب | متوسط | محدود | کم | نمونه ظاهری و اولیه |
| PETG | خوب | خوب | متوسط | متوسط | نمونه کاربردی |
| ABS | متوسط | خوب | خوب | متوسط | قطعات مهندسی |
| TPU | دشوارتر | متغیر | متوسط | بسیار زیاد | قطعات انعطافپذیر |
انتخاب نهایی باید بر اساس شرایط واقعی پروژه انجام شود.
مرحله پنجم؛ اسلایس کردن مدل
پرینتر سهبعدی مستقیماً فایل CAD را چاپ نمیکند.
ابتدا مدل باید وارد نرمافزار Slicer شود.
اسلایسر مدل سهبعدی را به صدها یا هزاران لایه تقسیم و مسیر حرکت نازل را تعیین میکند.
از نرمافزارهای شناختهشده این حوزه میتوان به:
- Cura
- PrusaSlicer
- OrcaSlicer
- Bambu Studio
اشاره کرد.
در این مرحله چند تنظیم اهمیت زیادی دارند.
ارتفاع لایه یا Layer Height
ارتفاع لایه مشخص میکند هر لایه پرینت چه ضخامت عمودی داشته باشد.
لایههای نازکتر معمولاً سطح صافتر و جزئیات بیشتری ایجاد میکنند، اما زمان چاپ را افزایش میدهند.
برای یک نمونه اولیه که فقط قرار است ابعاد آن بررسی شود، همیشه لازم نیست بالاترین کیفیت چاپ انتخاب شود.
درصد پرشدگی یا Infill
در بسیاری از قطعات پرینت سه بعدی، داخل مدل به صورت کاملاً توپر چاپ نمیشود.
اسلایسر میتواند داخل قطعه را با الگوهای مختلف و درصد مشخصی از مواد پر کند.
برای یک نمونه ظاهری ممکن است Infill پایین کافی باشد، در حالی که نمونههای عملکردی میتوانند به ساختار داخلی قویتری نیاز داشته باشند.
اما افزایش Infill همیشه بهترین روش افزایش استحکام نیست. ضخامت دیوارهها و جهت لایهها نیز تأثیر زیادی بر مقاومت قطعه دارند.
ساپورت یا Support
اگر قسمتهایی از مدل در هوا معلق باشند، ممکن است پرینتر برای ساخت آنها به ساختار نگهدارنده نیاز داشته باشد.
این ساختارها Support نامیده میشوند.
بعد از پایان چاپ، ساپورت از قطعه جدا میشود.
طراحی مناسب و انتخاب صحیح جهت قرارگیری مدل میتواند مقدار ساپورت موردنیاز را کاهش دهد و علاوه بر صرفهجویی در مواد، کیفیت سطح را نیز بهتر کند.
مرحله ششم؛ تنظیم جهت چاپ
Orientation یا جهت قرارگیری قطعه روی صفحه چاپ بسیار مهم است.
تغییر جهت یک مدل میتواند روی موارد زیر تأثیر بگذارد:
- استحکام
- کیفیت سطح
- مقدار ساپورت
- زمان چاپ
- مصرف متریال
قطعات FDM به دلیل لایهای بودن فرایند چاپ ممکن است در جهتهای مختلف استحکام متفاوتی داشته باشند.
به همین دلیل در نمونههای عملکردی باید جهت نیروهای واردشده به قطعه هنگام تعیین Orientation در نظر گرفته شود.
مرحله هفتم؛ شروع پرینت نمونه
پس از آماده شدن فایل، فرایند چاپ آغاز میشود.
قبل از شروع بهتر است موارد زیر بررسی شوند:
- تمیز بودن صفحه چاپ
- تراز بودن Bed
- مناسب بودن دمای نازل
- مناسب بودن دمای صفحه
- سلامت فیلامنت
- چسبندگی مناسب لایه اول
لایه اول اهمیت بسیار زیادی دارد.
اگر لایه اول بهدرستی روی صفحه قرار نگیرد، ممکن است در ادامه چاپ قطعه از Bed جدا شود و کل فرایند ناموفق باشد.
ساخت یک نمونه پلاستیکی چقدر زمان میبرد؟
زمان چاپ به عوامل زیادی بستگی دارد:
- ابعاد قطعه
- ارتفاع لایه
- سرعت چاپ
- مقدار Infill
- تعداد دیوارهها
- میزان Support
- نوع پرینتر
یک قطعه کوچک ممکن است در کمتر از یک ساعت ساخته شود، در حالی که پرینت یک نمونه بزرگ و پیچیده میتواند چندین ساعت یا حتی بیشتر طول بکشد.
در نمونهسازی اولیه معمولاً بهتر است ابتدا نسخه سادهتر و سریعتری چاپ شود.
پس از اطمینان از صحت ابعاد و طراحی میتوان نمونه نهایی را با تنظیمات دقیقتر تولید کرد.
مرحله هشتم؛ پرداخت قطعه پس از چاپ
بعد از اتمام پرینت، نمونه لزوماً آماده استفاده نیست.
ممکن است انجام چند مرحله Post Processing لازم باشد.
جدا کردن ساپورت
ساپورتها باید با دقت از قطعه جدا شوند تا سطح اصلی آسیب نبیند.
سنبادهکاری
اگر سطح صافتری نیاز باشد، میتوان خطوط لایهها یا نقاط اتصال ساپورت را با سنباده اصلاح کرد.
رنگآمیزی
برای نمونههای نمایشی یا ارائه محصول میتوان قطعه را:
- پرایمر زد
- سنباده کرد
- رنگآمیزی کرد
در این حالت نمونه چاپشده میتواند ظاهری بسیار نزدیکتر به محصول نهایی پیدا کند.
مونتاژ
اگر محصول از چند قسمت تشکیل شده باشد، قطعات چاپشده میتوانند با پیچ، خار، چسب یا اتصالات طراحیشده به یکدیگر متصل شوند.
مرحله نهم؛ آزمایش و اصلاح نمونه
یکی از مهمترین مزایای نمونهسازی سریع امکان اصلاح طراحی است.
بعد از چاپ نمونه ممکن است متوجه شوید:
- سوراخ کمی کوچک است.
- دو قطعه بهدرستی در یکدیگر قرار نمیگیرند.
- ضخامت دیواره کافی نیست.
- محل قرارگیری دکمه مناسب نیست.
- فرم محصول در دست راحت نیست.
- بخشی از قطعه هنگام مونتاژ دچار شکست میشود.
در روش سنتی، تغییر چنین مواردی پس از ساخت قالب میتواند بسیار پرهزینه باشد.
اما در پرینت سه بعدی میتوان فایل CAD را اصلاح و نسخه جدیدی چاپ کرد.
به همین دلیل فرایند طراحی معمولاً به شکل زیر انجام میشود:
طراحی → چاپ → تست → اصلاح → چاپ مجدد
این چرخه تا رسیدن به نمونه مورد قبول ادامه پیدا میکند.
مزایای ساخت نمونه پلاستیکی با پرینت سه بعدی
استفاده از پرینت سه بعدی برای Prototype مزایای زیادی دارد.
مهمترین آنها عبارتاند از:
- حذف نیاز به قالب در مرحله نمونهسازی
- امکان ساخت تعداد بسیار کم
- سرعت بالای اصلاح طراحی
- امکان تولید هندسههای پیچیده
- کاهش هزینه توسعه اولیه محصول
- امکان تست ابعاد و مونتاژ
- ساخت چند نسخه متفاوت از یک طراحی
- امکان ارائه نمونه فیزیکی به مشتری یا سرمایهگذار
به همین دلیل پرینت سه بعدی به یکی از ابزارهای مهم توسعه محصول تبدیل شده است.
آیا پرینت سه بعدی جایگزین تزریق پلاستیک است؟
در همه شرایط خیر.
برای ساخت یک یا چند نمونه، پرینت سه بعدی میتواند بسیار اقتصادی و سریع باشد.
اما زمانی که قرار است هزاران قطعه یکسان تولید شود، روشهایی مانند Injection Molding یا تزریق پلاستیک در بسیاری از پروژهها اقتصادیتر و سریعتر هستند.
بنابراین میتوان گفت:
پرینت سه بعدی برای نمونهسازی و تیراژ پایین بسیار مناسب است؛ تزریق پلاستیک معمولاً برای تولید انبوه مزیت بیشتری دارد.
البته تصمیم نهایی به ابعاد، جنس، پیچیدگی هندسی، تیراژ و الزامات قطعه بستگی دارد.
هزینه ساخت نمونه با پرینت سه بعدی چگونه محاسبه میشود؟
قیمت ساخت یک نمونه به عوامل مختلفی وابسته است:
- ابعاد مدل
- وزن قطعه
- نوع فیلامنت
- مدت زمان چاپ
- میزان ساپورت
- کیفیت موردنیاز
- تعداد نمونه
- پیچیدگی طراحی
- نیاز به طراحی سهبعدی
- عملیات پرداخت نهایی
بنابراین فقط ابعاد خارجی قطعه برای تعیین قیمت کافی نیست.
دو قطعه هماندازه میتوانند به دلیل تفاوت در زمان چاپ یا میزان مصرف مواد قیمت متفاوتی داشته باشند.
جمعبندی
ساخت نمونه پلاستیکی با پرینت سه بعدی یکی از سریعترین و انعطافپذیرترین روشها برای تبدیل یک طراحی دیجیتالی به نمونه فیزیکی است.
فرایند از مشخص کردن هدف نمونه و طراحی CAD آغاز میشود. سپس مدل به نرمافزار اسلایسر منتقل شده و مواردی مانند متریال، ارتفاع لایه، Infill، Support و جهت چاپ مشخص میشوند.
پس از چاپ نیز میتوان قطعه را پرداخت، مونتاژ و آزمایش کرد.
مهمترین مزیت این روش آن است که در صورت مشاهده مشکل نیازی نیست کل فرایند تولید از ابتدا و با هزینه سنگین انجام شود. فایل دیجیتالی اصلاح و نسخه جدید در مدت کوتاهی ساخته میشود.
به همین دلیل پرینت سه بعدی در مراحل طراحی محصول، نمونهسازی سریع، تست مونتاژ و توسعه قطعات پلاستیکی کاربرد گستردهای دارد.
سوالات متداول درباره ساخت نمونه پلاستیکی با پرینت سه بعدی
بهترین پلاستیک برای نمونهسازی با پرینت سه بعدی چیست؟
برای نمونههای ساده و ظاهری PLA گزینه بسیار مناسبی است. برای قطعات کاربردیتر میتوان PETG یا ABS را بررسی کرد و برای نمونههای انعطافپذیر نیز TPU کاربرد دارد.
آیا میتوان قطعات صنعتی را با پرینتر سه بعدی ساخت؟
بله. پرینتر سه بعدی علاوه بر ماکت و نمونه ظاهری برای ساخت بسیاری از قطعات کاربردی نیز استفاده میشود. نوع پرینتر، متریال و طراحی باید با شرایط کاری قطعه هماهنگ باشند.
آیا برای پرینت سه بعدی حتماً به فایل STL نیاز داریم؟
STL یکی از رایجترین فرمتها است، اما تنها فرمت قابل استفاده نیست. فرمتهایی مانند 3MF نیز در نرمافزارهای جدید پرینت سه بعدی کاربرد دارند.
آیا نمونه پرینت سه بعدی قابل رنگآمیزی است؟
بله. بسیاری از قطعات را میتوان پس از سنبادهکاری و استفاده از پرایمر مناسب رنگ کرد. روش پرداخت به نوع پلاستیک بستگی دارد.
ساخت نمونه با پرینت سه بعدی بهتر است یا قالبگیری؟
برای یک یا چند نمونه و زمانی که طراحی هنوز در حال تغییر است، پرینت سه بعدی معمولاً گزینه مناسبتری است. برای تولید تیراژ بالا، قالبگیری تزریقی میتواند اقتصادیتر باشد.
آیا قطعه چاپ سه بعدی استحکام کافی دارد؟
استحکام به متریال، طراحی، جهت چاپ، تعداد دیوارهها، Infill و تنظیمات دستگاه بستگی دارد. یک نمونه ظاهری و یک قطعه عملکردی باید با تنظیمات متفاوتی چاپ شوند.
برای ساخت نمونه اولیه به فایل سه بعدی نیاز است؟
بله. پرینتر سه بعدی به یک مدل دیجیتالی سهبعدی نیاز دارد. اگر فقط نقشه دوبعدی، عکس یا ایده اولیه در اختیار باشد، ابتدا باید مدل CAD قطعه طراحی شود.