انواع چاپگرهای FDM

چاپگرهای فیلامنت نشان (FDM):

فناوری چاپ سه بعدی در سال‌های اخیر، رشد سریعی را تجربه می‌کند و انواع جدیدی از چاپگرها به بازار عرضه شده‌اند. در واقع آنچه که به عنوان ابزاری برای ساخت قطعات سفارشی از دهه 1980 آغاز شد، اکنون بسیار گسترش یافته است. در این میان، چاپگرهای FDM که جزء رایج‌ترین و ارزان‌ترین چاپگرهای سه بعدی محسوب می‌شوند، خود نیز انواع مختلفی دارند. در این مقاله بر معرفی هفت نوع از چاپگرهای FDM تمرکز شده است: دکارتی یا کارتزین، دلتا، مکعبی یا CoreXY، ربات اچ یا H-bot، قطبی (polar)، بازویی یا SCARA و تسمه نقاله‌ای یا Belt. اگرچه این‌ها به هیچ وجه تمام انواع چاپگرهای FDM موجود را در بر نمی‌گیرند.

تمایز چاپگرهای سه بعدی:

جنبه های بسیاری وجود دارد که می‌توان برای تمایز چاپگرهای FDM در نظر گرفت. شاید بتوان گفت، دو نکته مهم در این تمایز، سیستم مختصات عملیاتی و ماهیت مکانیکی چاپگر باشد. از جنبه سیستم مختصاتی، همه هفت چاپگر FDM فوق، به استثنای چاپگرهای سه بعدی قطبی، از مختصات کارتزین استفاده می‌کنند. این بدان معنی است که چاپگرهای دلتا، مکعبی، اچ، بازویی و تسمه‌ای از نظر فنی در طبقه بندی کارتزین‌ها قرار می‌گیرند. بیشتر آنها به این دلیل اسم خاص تری دارند که، اغلب مربوط به مکانیک آن‌ها است.

چاپگرهای دلتا و بازویی را می‌توان براساس تنظیمات مکانیکی منحصر به فرد آنها، دسته بندی کرد. اولی دارای سه بازوی عمودی هماهنگ است که حرکات در سه بعد را تامین می‌کنند و دومی در واقع یک ربات بازویی است.

در میان اکثر چاپگرهای کارتزین دیگر، آنهایی که شاید برای سازنده‌های رده متوسط آشنا هستند، با قاب های مربع یا جعبه‌ای و ریل‌های خطی مشخص می‌شوند. (در نمودار دسته‌بندی بالا، به عنوان چاپگرهای خطی (rectilinear) برچسب گذاری شده‌اند.) این موارد شامل چاپگرهای اچ، مکعبی و تسمه‌نقاله‌ای و همچنین انواع چاپگرهای ناشناخته دیگر است. این دسته‌بندی، که به هیچ وجه تنها دسته‌بندی موجود نیست، دلیلی برای این امر است که چرا برای توصیف هر چاپگر کارتزین بدون ذکر مشخصه خاص دیگر، از اصطلاح “دکارتی” استفاده می‌شود. به عنوان مثال Prusa i3 MK3S در چتر این دسته‌بندی قرار می‌گیرد.

حال هر هفت نوع چاپگر مرور می‌شود. در کنار سیستم‌های مختصات و ماهیت مکانیکی، در مورد تاریخچه و نحوه کار هر یک نیز بحث خواهد شد.

1-چاپگر کارتزین

همانطور که قبلا بیان شد، چاپگرهای سه بعدی کارتزین، بیشترین استفاده را در بین چاپگرهای سه بعدی مصرفی دارند و بزرگترین بخش چاپگرهای FDM را تشکیل می‌دهند. چاپگرهای کارتزینی، چاپگرهای سه بعدی “کلیشه ای” هستند؛ قاب‌های زاویه دار و محورهای خطی. این چاپگرها اجزایی را به طور خطی در امتداد محورهای X، Y و Z حرکت می‌دهند تا کلگی چاپ را در موقعیت دلخواه قرار دهند و در یک فضای سه بعدی کار چاپ را انجام دهند. کلگی چاپ به طور کلی بر روی یک دروازه X یا Y حرکت می‌کند، که به نوبه خود در امتداد محور Z نیز حرکت می‌کند.

مزایا: ارزانی، سادگی فهم و پیاده‌سازی، سهولت نسبی به روز رسانی و تعمیر، پشتیبانی گسترده عمومی

معایب: چارچوب بزرگ و سنگین، سرعت نسبتا پایین، محدودیت در ارتفاع چاپ

نمونه‌های تجاری: Creality Ender 3، MakerBot Replicator، Prusa i3 MK3S.

2-چاپگر دلتا

چاپگرهای سه بعدی دلتا نوع دیگری از چاپگرهای FDM هستند که از مختصات دکارتی استفاده می‌کنند. با این وجود چاپگرهای دلتا از نظر مکانیکی در مقایسه با سایر چاپگرهای FDM بی‌نظیر هستند.

چاپگرهای سه بعدی دلتا با سه بازو (یا حتی گاهی بیشتر) به ریل‌های عمودی متصل هستند. کلگی چاپ با لولا به انتهای هر بازو متصل می‌شود و بازوها برای تنظیم موقعیت کلگی چاپ با هم کار می‌کنند. حرکت هماهنگ بازوهای چاپگر دلتا، ارتفاع کلگی چاپ (محور Z) و موقعیت (محورهای X و Y) را نسبت به صفحه ساخت کنترل می‌کند. در اینجا محورهای خطی در جهات X و Y وجود ندارد.

مزایا: نسبتا سریع، کیفیت خوب چاپ، قابلیت چاپ بلند بصورت معمول

معایب: مشکلات تعمیر و ارتقا، سازگاری کمتر با اکستروژن مستقیم (بدون شلنگ)، عموما دارای صفحه ساخت کوچک

نمونه‌های تجاری: Monoprice MP Delta Pro و BIQU Magician

3-چاپگر بازویی (SCARA):

این نوع چاپگرها نوع پیچیده تری از چاپگرهای FDM هستند که از فناوری بازوی ربات مونتاژ انتخابی یا همانSelective Compliance Assembly Robot Arm (SCARA) استفاده می‌کنند. این فناوری در اوایل دهه 1980 توسعه یافت و بعداً با RepRap Morgan در سال 2013 برای دنیای چاپ سه بعدی شناخته شد.

مانند انواع قبلی چاپگرها، چاپگرهای بازویی نیز از سیستم مختصات کارتزین استفاده می‌کنند، اما به دلیل تنظیم مکانیکی منحصر به فرد، دسته بندی خود را دارند.

این نوع چاپگرها دارای یک کلگی هستند که به بازوی رباتیک متصل شده و از دو موتور تغذیه می‌کنند و به دور صفحه XY حرکت می‌کنند، در حالی که یک موتور دیگر، حرکت را در امتداد محور Z کنترل می‌کند. معمولاً این موتور کل سیستم بازو-موتور-کلگی را برای چاپ لایه بعدی بالا می‌برد. البته سبک های دیگر این چاپگرها نیز وجود دارد، و گاهی از بازوهای مفصلی استفاده می‌کنند.

مزایا: مناسب برای کاربردهای صنعتی، نسبتا سریع، فضای ساخت بزرگ

معایب: نسبتا غیر دقیق، کمتر شناخته شده، پشتیبانی عمومی محدود

نمونه‌های تجاری: RepRap Morgan و RepRap Helios

4-ربات اچ (H Bot):

چاپگرهای سه بعدی اچ، نشان دهنده رویکرد متفاوتی در طراحی چاپگر جعبه ای است. مانند همه چاپگرهای قبلی، آنها در دسته کارتزین‌ها قرار می‌گیرند زیرا از سیستم مختصات کارتزینی استفاده می‌کنند. چاپگرهای اچ از تسمه برای جابجایی کلگی چاپ در صفحه XY استفاده می‌کنند. به طور معمول، کلگی چاپ از طریق دروازه محور X با تسمه حرکت می‌کند و این دروازه با تسمه دیگری در امتداد محور Y. جانمایی محور Z توسط صفحه ساخت تامین می‌شود که از مجاور نازل، به سمت پایین حرکت می‌کند.

چاپگرهای اچ اغلب با چاپگرهای CoreXY اشتباه گرفته می‌شوند. چاپگرهای CoreXY اگرچه شبیه به هم هستند اما از یک سیستم تسمه متفاوتی استفاده می‌کنند. در بیشتر موارد، وقتی از بالا به آنها نگاه می‌شود، می‌توان آنها را به راحتی از طریق شکل تسمه تشخیص داد. تسمه‌های اچ به وضوح شکل “H” هستند، در حالی که در چاپگرهای مکعبی بیشتر به شکل یک “A” مربعی هستند.

چاپگرهای اچ و مکعبی که در یک گروه قرار گرفته‌اند، به دلیل صفحه ساختی که به بالا و پایین حرکت می‌کند، از سایر چاپگرها متفاوت هستند.

مزایا: فضای ساخت بزرگ، نسبتا پایدار، قطعات سبک، ارتعاشات کم

معایب: نسبتا گران، اندازه بزرگ دستگاه، پشتیبانی عمومی محدود

نمونه‌های تجاری: Double H-Bot و Tribotron

5-چاپگر مکعبی (CoreXY):

چاپگرهای مکعبی نوع نسبتاً جدیدی از چاپگرهای سه بعدی FDM هستند که اولین بار توسط یک مهندس دانشگاه MIT در سال 2013 ساخته شد. این نوع چاپگرها ز نظر سیستم مختصات عملیاتی چاپگر به عنوان کارتزین طبقه بندی می‌شوند اما از سیستم حرکت هوشمند استفاده می‌کنند.

همانند چاپگرهای H، حرکت در چاپگرهای مکعبی نیز شامل سیستمی از تسمه و پولی‌ها برای حرکت کلگی چاپ در صفحه XY است. به طور خاص، چاپگرهای مکعبی از دو استپ موتور استفاده می‌کنند که هر کدام یک تسمه را برای جابجایی کلگی چاپ حرکت می‌دهند. در همین حال، صفحه ساخت با استفاده از یک موتور جداگانه و یک سیستم لید اسکرو حرکت می‌کند. این سیستم صفحه چاپ را بالا و پایین می‌برد تا کلگی چاپ بتواند لایه‌های قطعه مورد نظر را چاپ کند. چاپگرهای CoreXY معمولاً مکعبی شکل و دارای محورها و پولی‌های مختلف هستند.

همانطور که در ذکر شد، چاپگرهای مکعبی اغلب با پسر عموهای اچ خود اشتباه گرفته می‌شوند. اگرچه این دو بسیار شبیه به هم هستند، ولی سیستم تسمه در مکعبی‌ها متفاوت است، گشتاور و حتی لرزش های کمتری را نیز فراهم می‌کند. در واقع، اگر می‌خواهید این نوع چاپگرها را خریداری کنید، در مورد چاپگرهای اچ که با عنوان CoreXY نامگذاری شده (یا به دروغ تبلیغ می‌شوند) محتاط باشید.

خارج از تمایز چاپگرهای مکعبی در مقابل اچ، هر دو دستگاه با سایر چاپگرهای کارتزینی تفاوت دارند زیرا از تسمه و پولی برای انتقال سر چاپ به طور همزمان در دو محور استفاده می‌کنند.

مزایا: فضای ساخت بزرگ، نسبتا پایدار، قطعات سبک، ارتعاشات کم (حتی در مقایسه با چاپگرهای اچ)

معایب: نسبتا گران، نیاز به بورد کنترلی قدرتمند، مصرف انرژی، امکان خرابی بیشتر چاپ

نمونه‌های تجاری: Tronxy، Ultimaker و E3D

6-چاپگر تسمه نقاله‌ای:

چاپگرهای سه بعدی تسمه نقاله‌ای آخرین نوع چاپگرهای FDM مبتنی بر مختصات کارتزینی در فهرست این مقاله هستند. اگرچه از نظر مکانیکی کمی متفاوتند، زیرا یک تسمه نقاله متحرک بزرگ به عنوان صفحه ساخت دارند.

با توجه به کلگی چاپ، اکثر چاپگرهای تسمه‌ای اساساً چاپگرهای مکعبی هستند که یکی از لبه های بالایی صفحه حرکتی XY در آن‌ها با زاویه ^o45 نسبت به صفحه ساخت حرکت می‌کنند. از سوی دیگر، صفحه ساخت آن‌ها، نوعی تسمه نقاله است که با جلو عقب رفتن اجازه می‌دهد، کلگی چاپ در جهت ^o45 کار چاپ را انجام دهد. این تسمه همچنین می‌تواند یک قطعه با طول بی‌نهایت یا تعداد بیشمار قطعات کوچک را بصورت بی وقفه چاپ کند.

زاویه ^o45 امکان چاپ در لایه‌های بالاتر را فراهم می‌کند. با این کار، کلگی چاپ هم در جهت بالا و پایین و هم در جهت چپ و راست حرکت می‌کند.

پرینترهای سه بعدی تسمه‌ای می‌توانند یک صفحه ساخت نیمه گرم نیز داشته باشند، با این وجود دمای آن نمی‌تواند خیلی بالا باشد زیرا تسمه همیشه در حال حرکت است.

چاپگرهای سه بعدی تسمه‌ای با سایر چاپگرهای FDM متفاوت هستند زیرا از نوع منحصر به فردی از صفحه ساخت استفاده می‌کنند که اهداف زیادی را در بر دارد. این نوع چاپگرها معمولاً دارای حرکت مایل در جهت Z نیز هستند که هیچ نوع چاپگر دیگری از آن استفاده نمی‌کند. چاپگرهای سه بعدی تسمه‌ای دارای محدودیت سرعت هستند و نمی‌توانند با رشته‌هایی که به یک تخت گرم شده با درجه حرارت بالا نیاز دارند کار کنند.

مزایا: چاپ بی وقفه، برداشت بی‌زحمت قطعه،

معایب: نسبتا کند، پشتیبانی محدود عمومی، پشتیبانی بیشتر برای چاپ قطعات خیلی بزرگ

نمونه‌های تجاری: BlackBelt، Creality’s CR-30 و Powerbelt3D Zero

7-چاپگر قطبی (Polar):

چاپگرهای سه بعدی قطبی، اولین بار در سال 2015 ساخته شدند و با تولید چاپگر سه بعدی قطبی Sculpteo محبوبیت بیشتری پیدا کردند. برخلاف بقیه چاپگرهای این فهرست، چاپگرهای سه بعدی قطبی از سیستم مختصات عملیاتی متفاوتی استفاده می‌کنند. این نوع چاپگرها از سیستم مختصات قطبی استفاده می‌کنند؛ به این معنی که نقاط را بجای مستطیل شکل، روی شبکه دایره‌ای ترسیم می‌کند. چاپگرهای قطبی از زاویه و فاصله برای تعیین مکان در دو بعد (در صفحه XY) استفاده می‌کنند و کلگی چاپ در آن‌ها، معمولاً به بازوی منحنی متصل می‌شود که می‌تواند به سمت بیرون چرخش کند.

چاپگرهای قطبی از صفحه ساخت چرخشی دایره‌ای استفاده می‌کنند. با حرکت این حرکت، بازوی کلگی چاپ نصب شده در امتداد محور Z به صورت لایه به لایه مورد نظر را چاپ می‌کند.