دلایل کاهش دقت پرینتر سهبعدی
بررسی دقت ابعادی قطعه چاپشده با پرینتر سهبعدی.
ممکن است یک پرینتر سهبعدی در ماههای اول استفاده، قطعاتی تولید کند که ابعادشان تقریباً با فایل طراحی مطابقت دارد؛ اما بعد از مدتی، همان دستگاه قطعاتی با چند دهم میلیمتر اختلاف ابعادی چاپ کند. سوراخها کمی کوچکتر شوند، قطعاتی که قبلاً بهراحتی داخل یکدیگر قرار میگرفتند دیگر بهدرستی مونتاژ نشوند یا سطح قطعه کیفیت گذشته را نداشته باشد.
در چنین شرایطی معمولاً اولین چیزی که به ذهن میرسد این است که دقت پرینتر کم شده است. دقت ابعادی قطعه چاپشده فقط به خود دستگاه وابسته نیست. سیستم حرکتی، اکستروژن، نازل، نوع ماده، دمای چاپ، تنظیمات اسلایسر و حتی شرایط محیطی میتوانند روی نتیجه نهایی اثر بگذارند. به همین دلیل، هر تغییر ابعادی را نباید فوراً به خرابی پرینتر نسبت داد.
در این مقاله بررسی میکنیم که چرا دقت یک پرینتر سهبعدی ممکن است با گذشت زمان تغییر کند، چگونه منشأ مشکل را پیدا کنیم و برای جلوگیری از تکرار آن چه اقداماتی انجام دهیم.
منظور از دقت چیست؟
پیش از اینکه سراغ علتهای افت دقت برویم، باید تفاوت مهم بین Accuracy (دقت) و Repeatability (تکرارپذیری) را مشخص کنیم.
دقت یعنی خروجی پرینتر تا چه اندازه به ابعاد واقعیِ تعریفشده در فایل طراحی نزدیک است. برای مثال، اگر طول قطعه در فایل طراحی برابر با 100 میلیمتر باشد و پرینتر آن را با اندازه 100.1 میلیمتر چاپ کند، خطای ابعادی 0.1 میلیمتر است. هرچه اندازه چاپشده به 100 میلیمتر نزدیکتر باشد، دقت ابعادی بالاتر است.
اما تکرارپذیری به ثبات این نتیجه در چاپهای مختلف مربوط میشود. فرض کنید همین قطعه را چند بار چاپ کنیم. اگر اندازه قطعات بهترتیب 100.1، 100.1 و 100.2 میلیمتر باشد، دستگاه علاوه بر دقت مناسب، تکرارپذیری خوبی هم دارد. در مقابل، اگر یک بار 100.1، بار دیگر 100.5 و دفعه بعد 99.8 میلیمتر به دست بیاید، خروجیها از نظر ابعادی نوسان زیادی دارند و تکرارپذیری پایینتر است.
بنابراین هنگام بررسی عملکرد یک پرینتر سهبعدی باید دو سؤال جداگانه پرسید:
- قطعه چاپشده چقدر به ابعاد مورد نظر در فایل طراحی نزدیک است؟ ← Accuracy
- آیا پرینتر میتواند همین نتیجه را در چاپهای مختلف تکرار کند؟ ← Repeatability
این تفاوت در کاربردهای صنعتی اهمیت زیادی دارد. در تولید سریالی، فقط رسیدن یک قطعه به ابعاد موردنظر کافی نیست؛ پرینتر باید بتواند همان نتیجه را با اختلاف بسیار کم در دفعات بعدی نیز تکرار کند. به همین دلیل، هنگام ارزیابی عملکرد یک پرینتر، هم میزان خطای ابعادی و هم ثبات نتایج باید بررسی شوند.
چه چیزهایی باعث تغییر دقت پرینتر سهبعدی میشوند؟
۱. شل شدن تسمهها و اتصالات سیستم حرکتی
پرینتر سهبعدی در طول ساعتها و روزهای کاری، هزاران حرکت رفتوبرگشتی انجام میدهد. بنابراین طبیعی است که بخشهایی از سیستم حرکتی به مرور نیاز به بررسی داشته باشند.
در پرینترهای FDM، تسمهها وظیفه انتقال حرکت موتور به بخشهای متحرک را بر عهده دارند. تسمه نباید آنقدر شل باشد که بین حرکت موتور و حرکت محور تأخیر ایجاد شود و نه آنقدر سفت که اصطکاک اضافی به سیستم وارد کند. یکی از نشانههای لقی یا کشش نامناسب تسمه، ایجاد اختلاف در موقعیت محور هنگام تغییر جهت حرکت است. بنابراین اگر خطای ابعادی همراه با جابهجایی لایهها، گوشههای نامنظم یا تغییر موقعیت قطعه دیده میشود، بهتر است قبل از تغییر پارامترهای نرمافزاری، وضعیت تسمه، پولی و اتصالات محور بررسی شود.
۲. ایجاد لقی در محورهای حرکتی
یکی از موارد مهم در سیستم حرکتی، Backlash یا لقی هنگام تغییر جهت است. در این حالت، زمانی که محور جهت حرکت خود را عوض میکند، ممکن است بخشی از حرکت موتور صرف جبران لقی مکانیکی شود و محور بلافاصله به موقعیت موردنظر نرسد. این مشکل در قطعاتی که ابعاد دقیق یا سوراخهای مشخص دارند بیشتر خودش را نشان میدهد. بنابراین اگر خطای ابعادی در یک جهت مشخص یا بهخصوص هنگام تغییر جهت حرکت مشاهده شود، بررسی لقی مکانیکی میتواند اطلاعات بیشتری نسبت به تغییر مستقیم تنظیمات کالیبراسیون در اختیار ما قرار دهد.
۳. فرسودگی یا آلودگی ریلها و یاتاقانها
حرکت نرم و کنترلشده محورها برای حفظ کیفیت و دقت ضروری است. وجود گردوغبار، آلودگی، روانکاری نامناسب یا فرسودگی در ریلها، بلبرینگها و چرخهای حرکتی میتواند حرکت محور را از وضعیت مطلوب خارج کند. در دستگاههایی که ساعات کاری زیادی دارند، این موضوع اهمیت بیشتری پیدا میکند.
اگر هنگام حرکت محور صدای غیرعادی میشنوید، حرکت یکنواخت نیست یا در هد و صفحه ساخت لقی احساس میکنید، بهتر است سیستم حرکتی پیش از هرگونه تغییر در تنظیمات نرمافزاری بررسی شود.
۴. تغییر در مقدار اکستروژن
فرض کنید پرینتر از نظر مکانیکی کاملاً سالم است، اما مقدار فیلامنتی که از نازل خارج میشود با قبل تفاوت پیدا کرده است. در این حالت، ممکن است ابعاد دیوارهها تغییر کند، سطح قطعه بیش از حد پر شود یا برعکس، بین خطوط چاپ فاصله ایجاد شود.
Flow Rate یکی از پارامترهایی است که مقدار ماده خروجی را کنترل میکند. این پارامتر فقط روی ظاهر سطح چاپ تأثیر نمیگذارد و میتواند مستقیماً روی ابعاد قطعه نیز اثر بگذارد. اگر مقدار مواد خروجی بیش از حد باشد، دیوارهها ممکن است ضخیمتر از مقدار طراحیشده شوند و در نتیجه ابعاد خارجی قطعه افزایش پیدا کند.
در مقابل، Flow پایین میتواند باعث نازک شدن دیوارهها و ایجاد Under-Extrusion شود. به همین دلیل، اندازهگیری ضخامت دیواره یک قطعه تست میتواند برای تشخیص مشکل اکستروژن مفید باشد؛ البته این اندازهگیری باید زمانی انجام شود که نازل، دما و سایر پارامترهای اصلی در شرایط ثابت قرار داشته باشند.
۵. فرسایش نازل
فرسودگی نازل، بهخصوص در پرینت طولانیمدت با فیلامنتهای ساینده، میتواند هندسه خروجی مذاب را تغییر دهد. در نازلهای برنجی که با موادی مانند فیلامنتهای حاوی الیاف شیشه یا کربن کار میکنند، افزایش تدریجی قطر دهانه میتواند مقدار واقعی اکستروژن را تغییر دهد. البته هر تغییر ابعادی را نباید مستقیماً به نازل نسبت داد و بهتر است نازل را یکی از حلقههای زنجیره اکستروژن در نظر بگیریم و در کنار Flow، اکسترودر و وضعیت فیلامنت، نازل را هم بررسی کنیم.
اگر دستگاه با یک نازل مشخص مدت زیادی کار کرده و بهتازگی مشکلات اکستروژن ظاهر شده است، بررسی یا تعویض نازل میتواند یکی از اقدامات منطقی در فرآیند عیبیابی باشد.
۶. خود ماده میتواند ابعاد قطعه را تغییر دهد
یکی از اشتباهات رایج این است که انتظار داشته باشیم پرینتر، هر مادهای را با یک تنظیم ثابت و با همان دقت چاپ کند. مواد مختلف رفتار حرارتی متفاوتی دارند. هنگام سرد شدن، بعضی پلیمرها بیشتر از برخی دیگر منقبض میشوند. این جمعشدگی میتواند باعث شود قطعه پس از چاپ دقیقاً همان ابعادی را نداشته باشد که در مدل دیجیتال تعریف شده است.
این موضوع در موادی مانند ABS و برخی پلیمرهای مهندسی اهمیت بیشتری دارد و در قطعات بزرگتر نیز اثر آن میتواند محسوستر باشد. به همین دلیل، اگر یک قطعه با PLA ابعاد مناسبی دارد اما همان هندسه با ماده دیگری دچار تغییر اندازه میشود، لزوماً نباید پرینتر را مقصر دانست. رفتار خود ماده بخشی از فرآیند چاپ است.
۷. تغییرات دمایی و Warping
اختلاف دما در طی فرآیند و در قسمتهای مختلف قطعه میتواند باعث تغییر شکل شود.
تغییرات حرارتی فقط به دمای نازل محدود نمیشود. دمای محیط، دمای محفظه چاپ و دمای بستر نیز میتوانند روی سرعت سرد شدن لایهها و میزان جمعشدگی ماده اثر بگذارند. در پرینترهای بدون محفظه، تغییر دمای محیط یا قرار گرفتن دستگاه در معرض جریان هوا میتواند باعث شود قطعهای که در یک شرایط محیطی ابعاد مناسبی داشته، در شرایط دیگر دچار تغییر ابعاد یا تاببرداشتگی (Warping) شود. بنابراین برای مقایسه دقیق نتایج، بهتر است تستهای ابعادی در شرایط حرارتی مشابه انجام شوند.
۸. رطوبت فیلامنت
فیلامنتها در برابر رطوبت رفتار یکسانی ندارند. بعضی مواد رطوبت بیشتری جذب میکنند و اگر بهدرستی نگهداری نشوند، هنگام چاپ مشکلاتی در اکستروژن ایجاد میکنند. صدای نازل، خروج نامنظم ماده، ایجاد حفرههای ریز و افت کیفیت سطح میتوانند از نشانههای وجود رطوبت در برخی مواد باشند.
اما نباید هر خطای ابعادی را به رطوبت فیلامنت نسبت داد. رطوبت بیشتر از آنکه یک علت مستقیم و قطعی برای کاهش دقت باشد، میتواند شرایط اکستروژن و کیفیت فرآیند را ناپایدار کند. بنابراین در عیبیابی باید آن را در کنار سایر عوامل بررسی کرد.
۹. اسلایسر را بررسی کنید
گاهی کاربر بعد از مدتها یک پروفایل جدید در نرمافزار ایجاد میکند، پارامترهای چاپ را تغییر میدهد یا از پروفایل مربوط به ماده دیگری استفاده میکند و بعد متوجه اختلاف ابعاد میشود. پارامترهای مختلف میتوانند روی هندسه نهایی تأثیر بگذارند. به همین دلیل اگر افت دقت دقیقاً پس از تغییر پروفایل چاپ اتفاق افتاده، بهتر است ابتدا تنظیمات اسلایسر بررسی شود.
از کجا بفهمیم مشکل واقعاً از پرینتر است؟
قبل از اینکه سراغ تنظیمات نرمافزار یا کالیبراسیون بروید، بهتر است یک آزمایش ساده انجام دهید تا مشخص شود مشکل واقعاً از خود پرینتر است یا نه.
یک مدل ساده با ابعاد مشخص انتخاب کنید؛ مثلاً یک مکعب 20×20×20 میلیمتری. فایل را بدون تغییر در تنظیمات اصلی چاپ کنید و بعد از خنک شدن قطعه، با کولیس ابعاد آن را در سه محور Y، X و Z اندازه بگیرید.
فرض کنید اندازه مکعب اول این باشد:
- محور (X): 20.2 میلیمتر
- محور (Y): 20.1 میلیمتر
- محور (Z): 20.0 میلیمتر
حالا همین آزمایش را چند بار تکرار کنید. اگر در هر بار تقریباً همین اعداد به دست آمد، مثلاً X حدود 20.2 و Y حدود 20.1 میلیمتر بود، احتمالاً با یک خطای نسبتاً ثابت روبهرو هستید. در این حالت باید مواردی مثل کالیبراسیون حرکت محورها، Flow و تنظیمات مربوط به متریال را بررسی کنید.
اما اگر یک بار X برابر 20.1، بار دیگر 20.4 و دفعه بعد 19.9 میلیمتر شد، موضوع فرق میکند. اینجا فقط با یک خطای ثابت طرف نیستیم؛ خروجی دستگاه بین چاپهای مختلف تغییر کرده است. در چنین شرایطی باید احتمال لقی مکانیکی، شل بودن تسمه یا اتصالات، مشکل ریلها و سایر عوامل مؤثر بر تکرارپذیری را بررسی کرد.
در واقع هدف این آزمایش فقط این نیست که ببینیم قطعه 20 میلیمتر شده یا نه. مهمتر این است که ببینیم پرینتر هر بار چقدر به اندازه مورد نظر نزدیک میشود و آیا میتواند همین نتیجه را دوباره تکرار کند یا خیر.
اگر پرینتر در یک فرآیند صنعتی استفاده میشود و تلرانس قطعات اهمیت بالایی دارد، بهتر است اندازهگیریها با ابزار دقیقتر و در شرایط کنترلشده انجام شوند.
چطور از افت دقت پرینتر سهبعدی جلوگیری کنیم؟
یک برنامه ساده نگهداری میتواند بسیاری از مشکلات را زودتر مشخص کند.
در بازههای منظم تسمهها را بررسی کنید، لقی محورهای حرکتی را کنترل کنید، پیچها و اتصالات را بررسی کنید، ریلها و یاتاقانها را تمیز و طبق دستورالعمل سازنده سرویس کنید، وضعیت نازل را زیر نظر داشته باشید، صفحه ساخت را تمیز و تراز نگه دارید و همچنین فیلامنت را متناسب با نوع ماده نگهداری کنید، از پروفایل مناسب برای هر ماده استفاده کنید و بعد از تعمیرات یا تعویض قطعات مهم، عملکرد دستگاه را دوباره تست کنید.
جمعبندی
تغییر ابعاد قطعات در طول زمان لزوماً به این معنی نیست که پرینتر سهبعدی فرسوده شده یا دقت خود را از دست داده است. قبل از هر چیز باید مشخص شود منشا تغییر ایجادشده چیست.
اگر میخواهید علت را دقیق پیدا کنید، بهترین کار این نیست که چند تنظیم را همزمان تغییر دهید. یک مدل مرجع را با شرایط ثابت چاپ کنید، ابعاد آن را اندازه بگیرید و همین کار را چند بار تکرار کنید. نتیجه این آزمایش کمک میکند بفهمید با یک خطای ثابت روبهرو هستید یا خروجی دستگاه بین چاپهای مختلف تغییر میکند.
در نهایت، چیزی که در یک پرینتر سهبعدی اهمیت دارد فقط رسیدن به یک عدد مشخص نیست؛ دستگاه باید بتواند قطعاتی با ابعاد قابل پیشبینی و نتایج پایدار تولید کند. به همین دلیل، بررسی دورهای بخشهای مکانیکی، اکستروژن و کالیبراسیون، بهخصوص در کاربردهای صنعتی، بخش مهمی از نگهداری پرینتر است و نباید تنها زمانی انجام شود که کیفیت چاپ بهوضوح افت کرده باشد.
سوالات متداول
چرا پرینتر سهبعدی بعد از مدتی قطعات را بزرگتر یا کوچکتر چاپ میکند؟
دلایل مختلفی میتوانند باعث این اتفاق شوند؛ از تغییرات سیستم حرکتی و لقی مکانیکی گرفته تا Flow، تنظیمات اسلایسر، جمعشدگی ماده و شرایط حرارتی. برای تشخیص علت باید این عوامل بهصورت مرحلهای بررسی شوند.
آیا تعویض نازل میتواند دقت چاپ را بهتر کند؟
اگر نازل فرسوده، گرفته یا دچار مشکل باشد، تعویض آن میتواند پایداری اکستروژن را بهبود دهد. با این حال، نازل تنها یکی از عوامل مؤثر بر نتیجه چاپ است.
آیا رطوبت فیلامنت باعث کاهش دقت میشود؟
رطوبت میتواند در برخی مواد باعث ناپایداری اکستروژن و افت کیفیت چاپ شود. میزان اثر آن به نوع فیلامنت و شرایط چاپ بستگی دارد و نباید هر خطای ابعادی را به رطوبت نسبت داد.
منابع
https://www.raise3d.com/blog/3d-printing-dimensional-accuracy/
