مقالات پرینت سه بعدی

مستحکم ترین فیلامنت های پرینتر سه بعدی

در کنار جذابیت پرینترهای سه بعدی، قطعات تولید شده می‌توانند ضعیف و برای هدف نهایی نامناسب باشند. این اتفاق اغلب نتیجه استفاده از مواد استانداردی است که اساساً برای استحکام و دوام طراحی نشده‌اند. راه‌حل آن استفاده از فیلامنت قوی می‌باشد. فیلامنت های مستحکم می‌تواند امکان قطعات نهایی را بدون نگرانی در مورد شکست به شکل نمونه‌های کوچک فراهم کرده و توانایی پرینت سه بعدی را افزایش دهند.

در این مقاله سه دسته از قوی‌ترین فیلامنت ها را بررسی خواهیم کرد. بااین‌حال، قبل از آن معنای استحکام در مورد مواد فیلامنت را به تفصیل بیان می‌کنیم.

معنای استحکام در فیلامنت ها چیست؟

فاکتورهای زیادی می‌توانند نشان‌دهنده‌ی استحکام فیلامنت باشند، اما در این مقاله از استحکام کششی همراه با ازدیاد طول در نقطه پارگی صحبت خواهد شد. مورد اول استحکام ماده در برابر شکست را در اثر پاره شدن بررسی می‌کند و برای اندازه‌گیری استحکام نهایی یک فیلامنت مناسب می‌باشد. از طرف دیگر، ازدیاد طول در نقطه پارگی مقدار کشش ماده را قبل از پارگی را محاسبه می‌کند و برای محاسبه مقاومت در برابر ضربه عالی است.

هرکدام از استحکام کششی فیلامنت ها با واحد پوند یا پوند بر اینچ مربع شناخته می‌شوند (PSI). همچنین برای ازدیاد طول در نقطه پارگی از درصد افزایش طول ماده قبل از شکست استفاده می‌شود (این بیشتر مربوط به مواد منعطفی مثل TPU می‌باشد).

با وجود اینکه یک فیلامنت می‌تواند مقدار مشخصی پوند (نیرو) یا درصد افزایش طول را تحمل کند، با توجه به چگونگی پرینت هنوز یک حاشیه خطا وجود دارد. به‌منظور اطمینان بخشیدن به تأییدیه نتایج گزارش‌ شده تحقیقاتی از منابع مختلف انجام‌ شده است.

این نکته نیز مهم است که نوع مواد اولیه به‌خودی‌خود تنها عامل اصلی استحکام یک قطعه پرینت شده نمی‌باشد. طراحی، پیش فرایند و شرایط پرینت نیز استحکام یک قطعه را تغییر می‌دهد، بنابراین مطمئن شوید که قطعات خود را با متریال مناسب و روش صحیح پرینت و پردازش کنید.

پلی کربنات:

پلی کربنات‌ها (PC) بر اساس نظر تعدادی تولیدکننده و محقق قوی ترین فیلامنت مصرفی محسوب می‌شوند. این ماده زمانی که به‌درستی در یک محفظه با یک هات اِند پرینت شود می‌تواند قطعات بسیار مستحکمی تولید کند.

مقایسه عددی

Airwolf 3D بعد از انجام تعدادی تست فیلامنت به این نتیجه رسیده است که پلی کربنات‌ها بهترین فیلامنت های سه‌بعدی رومیزی محسوب می‌شوند. آن‌ها توانستند یک قلاب را با پلی کربنات پرینت کنند که تا ۶۸۵ پوند را تحمل کند که استحکام کششی ماده ۹۸۰۰ PSI است. در مقابل، قطعه پرینت شده مشابه ای با پلی لاکتیک اسید فقط توانست ۲۸۵ پوند را تحمل کند.

MatterHackers با انجام تست مشابه ای استحکام کششی انواع فیلامنت ها و همچنین سایر مواد دیگر را مورد مطالعه قراردادند. آن‌ها توانستند به‌طور میانگین نیروی ۴۰۹ پوندی را روی قلاب پرینت شده با پلی کربنات آویزان کنند درحالی‌که تحمل قطعه پرینت شده با PLA به طور قابل توجهی کمتر و ۱۵۴ پوند است.

فرایند پرینت:

شاید پلی کربنات‌ها به اندازه سایر فیلامنت ها نتوانند به خوبی پرینت شوند یا تحمل نیروی بیش‌ از حد را داشته باشند.

طبق Rigid.Ink، پلی کربنات‌ها معمولاً به‌صورت رنگ‌های شفاف وجود داشته و مقاومت حرارتی و همچنین مقاومت در برابر ضربه خوبی دارند. همچنین این متریال نیاز به پرینت در دمای بالا داشته و به یک پرینتر محصور شده و یک هات اِند نیاز است.

  • استحکام کششی ماکزیمم: ۶۸۵ پوند (بر اساس تست Airwolf 3D)
  • مزایا: بسیار مقاوم، مقاومت حرارتی و مقاومت در برابر ضربه بسیار بالا
  • معایب: دشواری در کنترل زوایای منفی، نیاز داشتن محفظه بسته و هات اِند تمام فلزی، رنگ‌های محدود

نایلون:

یکی دیگر از فیلامنت های بسیار مستحکم پرینترهای سه بعدی رومیزی نایلون است. نایلون ازنظر استحکام در جایگاه دوم نسبت به پلی کربنات ها قرار دارد اما همچنان از سایر رقبا همانند PLA و ABS پیشی گرفته است.

مقایسه عددی:

طبق داده‌های Airwolf 3D، یک قلاب پرینت شده با فیلامنت نایلون استحکام کششی PSI 7000 دارد در حالیکه این عدد برای نمونه مشابه پرینت شده با ABS، PSI 4700 است. همچنین متوجه شدند که گیره پرینت شده با فیلامنت نایلونی توانایی تحمل نیرو ۴۸۵ پوند را دارد.

MatterHackers به نتایج مشابهی دست پیدا کرده و مشاهده کردند قلابی که با فیلامنت نایلون ایکس (NylonX) پرینت شده به‌طور میانگین می‌تواند تا قبل از شکست نیروی ۳۶۴ پوندی را تحمل کند. همچنین Rigid.Ink تعدادی فیلامنت نایلونی را مورد مطالعه قرار دادند و به استحکام و دوام آن‌ها به ترتیب نمره ۴ و ۵ از ۵ را دادند. برای مقایسه بهتر، PLA نمره ۳ را ازلحاظ استحکام و دوام به دست آورده است.

فرایند پرینت:

نایلون نسبت به پلی کربنات نسبتاً قابلیت پرینت ساده تری دارد اما نسبت به PLA این ویژگی را ندارد. فیلامنت نایلون تقریباً مرطوب بوده و نیاز به خشک شدن دارد پس نیازمند دمای پرینت نسبتاً بالای ۲۲۰ تا ۲۷۰ درجه سانتی‌گراد است. این ماده مستعد تاب برداشتن و شکم دادن است و همچنین مقاوم به ضربه، خستگی و حرارت است.

  • استحکام کششی ماکزیمم: ۴۸۵ پوند (بر اساس تست Airwolf 3D)
  • مزایا: مقاوم به ضربه، خستگی، حرارت و پرینت ساده نسبت به PC
  • معایب: مرطوب بودن، شکم دادن، نیازمند هات اِند دما بالا

TPU:

سومین فیلامنت پلی یورتان ترموپلاستیک است که یک ماده انعطاف پذیر بوده و یکی از قوی‌ترین مواد محسوب می‌شود. اگرچه فیلامنت TPU نسبت به دو فیلامنت نایلون و پلی کربنات فاقد استحکام کششی است، اما مقاومت بسیار خوب در برابر ضربه یکی از ویژگی‌های اصلی آن می‌باشد که از خواص طبیعی پلاستیک ها، چه ازنظر انعطاف پذیری و چه ازلحاظ قابلیت کشیدگی، نشأت گرفته است.

مقایسه عددی:

در آزمایش انجام شده توسط Airwolf 3D، یک قلاب پرینت سه‌بعدی شده با فیلامنت TPU تقریباً نصف استحکام کششی یک قلاب پرینت شده با نایلون را دارد. بااین‌حال، قلاب TPU این توانایی را دارد که قبل از شکست ۹۰۹ درصد ازدیاد طول داشته باشد که تقریباً ۶۰ برابر توانایی قلاب PLA است. این بدین معنی است که قطعات پرینت شده با TPU قبل از آنکه به‌طور کامل تغییر شکل دهند یا بشکنند می‌توانند به مقدار قابل توجهی کش بیایند.

یک مطالعه تحقیقاتی کامل در مورد کاربرد پزشکی قطعات پرینت سه‌بعدی TPU نتایج یکسانی را همانند Airwolf 3D نشان می‌دهد که قطعه TPU قبل از شکست تا ۷۰۲ درصد قابلیت کشسانی دارند. محققان همچنین به این نتیجه دست پیدا کردند که این قابلیت کشسانی TPU را به یکی از مقاوم‌ترین فیلامنت های پرینت سه‌بعدی FDM تبدیل کرده است.

فرایند پرینت:

فیلامنت های منعطفی همانند TPU به سختی پرینت می‌شوند به این دلیل که زمانی که اکسترودر درحالی‌که کشیدن فیلامنت است آن‌ها می‌توانند کشیده شده و قطر فیلامنت را تغییر دهند. توصیه می‌شود برای پرینت TPU از اکسترودر مستقیم استفاده شود چون بهتر است فیلامنت مسافت کمتری را بین اکسترودر و هات اِند طی کند. با این‌حال قابل ذکر است که تعدادی TPU را با اکسترودر غیر مستقیم با موفقیت پرینت کردند.

دمای مورد نیاز TPU خیلی متفاوت از سایر مواد مانند PLA و PETG نیست. فقط این نکته قابل ذکر است که همانند نایلون، TPU تقریباً مرطوب است بنابراین یک محفظه فاقد هوا برای نگهداری فیلامنت ها نیاز است.

  • استحکام کششی ماکزیمم: توسط Airwolf 3D ارائه نشده است.
  • مزایا: مقاوم به ضربه، منعطف، استاندارد بودن دمای موردنیاز
  • معایب: پرینت سخت، مرطوب، نیازمند سرعت پایین پرینت

کامپوزیت‌ها:

نهایتاً فیلامنت های کامپوزیتی که فقط شامل یک ماده نیستند می‌توانند به شدت مستحکم باشند. کامپوزیت ها فیلامنت هایی با مقداری مواد اضافی هستند که روی خواص ماده تأثیر گذاشته و باعث افزایش سختی می‌شوند. در اسم این فیلامنت ها معمولاً از کلمات “pro”، “reinforced” یا “infused” استفاده می شود که همیشه ترکیبی از مواد مختلف هستند.

به همین دلیل نمی‌توان گفت که کامپوزیت ها در مقایسه با مواد قبلی در چه جایگاهی قرار دارند. بعضی از آن‌ها مثل کاربونیت ازلحاظ استحکام با فیلامنت نایلون قابل‌ رقابت است درحالی‌که تعدادی کامپوزیت با توجه به ضعیف بودن آن‌ها مزایای دیگری ارائه می‌دهند.

همه این موارد به جنس فیلامنت ها بستگی دارد. قوی‌ترین آن‌ها معمولاً مواد مستحکمی مثل نایلون هستند که با سایر مواد مستحکم مثل فیبر کربنی و شیشه ترکیب شده‌اند.

در مورد فیبر کربنی باید به این نکته اشاره کرد که گاهی از این ماده سخت به‌تنهایی در دوچرخه‌هایی که از طریق پرینتر سه‌بعدی پرینت شده‌اند استفاده‌شده است.

مقایسه عددی:

MatterHackers به این نتیجه رسید که قلاب‌های پرینت شده با فیلامنت های کامپوزیتی نایلونی تقویت‌شده با فیبر کربنی و شیشه به ترتیب قابلیت تحمل ۳۴۹ و ۲۶۸ پوند را دارند.

Rigid.Ink ازلحاظ استحکام امتیاز ۴ از ۵ و ازلحاظ دوام امتیاز ۵ را به فیلامنت های نایلونی تقویت‌شده با شیشه داده است. آن‌ها همچنین امتیاز ۵ را ازنظر استحکام و دوام به فیلامنت مای نایلونی تقویت‌شده با فیبر کربنی دادند. جهت مقایسه، PLA و ABS ازلحاظ استحکام امتیاز ۳ را دارند.

فرایند پرینت:

کامپوزیت‌ها در نحوه پرینت متفاوت هستند اما تقریباً تمایل دارند رفتاری شبیه به ماده زمینه خودشان داشته باشند. فیلامنت های کامپوزیتی قوی معمولاً زمینه نایلونی دارند بنابراین جهت پرینت به دماهای بالا نیاز است. این نوع فیلامنت ها عموماً قیمت بالایی دارند.

  • استحکام کششی ماکزیمم: ۳۴۹ پوند در نایلون تقویت‌شده با فیبر کربنی، ۲۶۸ پوند در نایلون تقویت‌شده با شیشه (بر اساس تست MatterHackers)
  • مزایا: ترکیبی از مواد، مستحکم
  • معایب: گران، نیازمند دماهای پرینت بالا

 

 

Leave a comment

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *