پرینت سه بعدی مواد کامپوزیت

فیلامنت های کامپوزیتی (فیلر دار) روز به روز رایج تر می شوند. این مواد از یک ماتریس پلاستیکی و فیلر های از ذرات یا الیاف تشکیل شده اند. هدف از استفاده از این ماده می تواند بسیار متنوع باشد، از افزایش خواص مکانیکی نهایی مواد گرفته تا بهبود ظاهر زیبایی آن یا افزودن خاصیت جدیدی مانند رسانایی. بنابراین ما می توانیم سه نوع مواد کامپوزیت را پیدا کنیم:

مواد تقویت شده با الیاف

اینها موادی هستند که هدف آنها بهبود خواص مکانیکی کلی ماتریس است. ماتریس پلاستیکی می تواند هر ماده پرینت سه بعدی باشد، در حالی که متداول ترین تقویت کننده ها فایبرگلاس، فیبر کربن و فیبر آرامید هستند.

فایبرگلاس: مقاومت بیشتری در برابر تنش های کششی ایجاد می کند. انعطاف پذیری خوبی دارد و استحکام خمشی را بهبود می بخشد. دمای کاری بالاتری را برای مواد نهایی فراهم می کند.

فیبر کربن: مانند فایبرگلاس، استحکام کششی و خمشی را افزایش می دهد، اما استحکام بیشتری را ایجاد می کند.

الیاف آرامید: عمدتاً به دلیل مقاومت بالا در برابر ضربه و خستگی متمایز است.

رشته های تقویت شده با الیاف مواد خاصی در نظر گرفته می شوند و عمدتاً برای تولید اجزای عملکردی با کارایی بالا در نظر گرفته شده اند. به طور کلی، ما می توانیم موادی را با بارگیری بین 10٪ تا 20٪ پیدا کنیم.

تصویر 1: بخشی پرینت سه بعدی با نایلون تقویت شده با کربن

رایج ترین مواد تقویت شده با الیاف آنهایی هستند که بر پایه نایلون هستند، با این حال، یافتن انواع دیگر ماتریس ها مانند ABS، PLA، PC یا به ویژه PETG به طور فزاینده ای رایج است.

مواد با فیلر های عملکرد زیبایی

اینها مواد مملو از انواع مختلفی از ذرات و الیاف هستند که عملکرد اصلی آنها تغییر دادن زیبایی شناختی مواد پایه است. ما می توانیم به طور عمده 4 نوع فیلر پیدا کنیم:

الیاف یا ذرات چوب: اینها موادی با بار بالایی از ذرات یا الیاف گیاهی هستند که وظیفه آنها ایجاد پوششی مانند چوب است.

ذرات معدنی یا سرامیکی: عموماً ذرات گچ با رنگ های مختلف. از آنها برای دستیابی به پوشش هایی مشابه سرامیک، سنگ یا خاک رس استفاده می شود.

الیاف گیاهی: عمدتاً با PLA استفاده می شود. عملکرد آنها ارائه یک روکش مات است.

ذرات فسفرسنت: متداول ترین ماده مورد استفاده پودر آلومینات استرانسیوم است که درخشش سبز مشخصی را ارائه می دهد. در رشته های “درخشش” یا درخشش در تاریکی استفاده می شود.

تصویر 2: ماشین اسباب بازی چاپ سه بعدی با PLA بارگذاری شده با الیاف چوب

به طور کلی، این نوع فیلر‌ها با یک ماتریس PLA ترکیب می‌شوند تا سازگاری با انواع پرینترها را به حداکثر برسانند، زیرا هدف رفتار مکانیکی خوب نیست، بلکه یک مدل با زیبایی‌شناختی خاص است.

مواد با فیلرها خواص جدیدی را ارائه می دهند.

در برخی موارد، عملکرد فیلرها بهبود خواص خود ماتریس نیست، بلکه ارائه یک ویژگی فیزیکی جدید است. رایج ترین آنها رسانایی از طریق استفاده از گرافن و مغناطیس از طریق ذرات فریت است، اگرچه می توان موارد عجیب تری مانند محافظ الکترومغناطیسی ارائه شده توسط کاربید بور را یافت.

اینها مواد کمتر رایجی هستند که برای کاربردهای خاص توسعه یافته اند.

مواد با فیلرهای فلزی و سرامیکی برای پخت

اینها فیلامنت‌هایی با بار پودر فلزی یا سرامیکی بالا هستند که برای چاپ قطعاتی در نظر گرفته شده‌اند که بعداً با عملیات جداسازی و تف جوشی پردازش می‌شوند. به طور کلی، ماتریس از مواد با دمای پایین بر اساس PLA یا موم ها برای تسهیل وظایف جداسازی تشکیل شده است که می تواند حرارتی، شیمیایی یا ترکیبی از هر دو باشد.

نحوه چاپ فیلامنت با فیلر

انتخاب قطر نازل

برخی از رشته های دارای فیلر نیاز به استفاده از نازل هایی با قطر بیشتر از 0.4 دارند. به طور کلی، سازندگان فیلامنت های پر شده، حداقل اندازه نازل توصیه شده را در برگه اطلاعات فنی درج می کنند، اما در صورتی که مشخص نشده باشد، باید نشانه های زیر را در نظر گرفت:

فایبرگلاس: توصیه می شود همیشه از نازل های حداقل 0.6 میلی متری استفاده شود، زیرا معمولاً شامل الیاف بزرگ است.

فیبر کربن: اگر فیلامنت حاوی فیبر کوتاه باشد، احتمالاً می توان از نازل 0.4 میلی متری بدون خطر گرفتگی استفاده کرد. اگر فیلامنت حاوی فیبر کوتاه مشخص نشده است، توصیه می شود با یک نازل 0.6 میلی متری شروع کنید و پس از چاپ موفقیت آمیز فیلامنت با نازل بزرگتر، از نازل 0.4 میلی متری استفاده کنید.

فیبر آرامید: توصیه می شود با یک نازل 0.6 میلی متری شروع کنید و پس از چاپ موفقیت آمیز مواد با نازل سایز بزرگتر، از نازل 0.4 میلی متری استفاده کنید.

الیاف یا ذرات چوب: توصیه می شود همیشه از نازل های حداقل 0.6 میلی متر و در برخی موارد حتی 0.8 میلی متر استفاده شود.

ذرات معدنی یا سرامیکی: به جز در مواردی که بار بسیار زیاد است، عموماً امکان چاپ این نوع فیلامنت ها با نازل های 0.4 میلی متری وجود دارد.

الیاف گیاهی: توصیه می شود با نازل 0.6 میلی متری شروع کنید و پس از موفقیت آمیز بودن چاپ با نازل سایز بزرگتر، از نازل 0.4 میلی متری استفاده کنید.

ذرات فسفری: عموماً می توان آنها را با نازل های 0.4 میلی متری چاپ کرد.

ذرات با فیلرهای فلزی یا سرامیکی: معمولاً تنوع بسیار زیادی از یک ماده به ماده دیگر و حتی بین یک ماده از چندین تامین کننده مختلف وجود دارد. اگر سازنده حداقل اندازه را مشخص نکرده است، توصیه می شود همیشه با یک نازل 0.6 میلی متری شروع کنید و پس از چاپ موفقیت آمیز مواد با نازل سایز بزرگتر، از نازل 0.4 میلی متری استفاده کنید. برای برخی از مواد خاص ممکن است لازم باشد از نازل های 0.8 میلی متری استفاده شود.

تصویر 3: نازل با قطرهای مختلف

استفاده از نازل های سخت شده و سایش آن

لازم به ذکر است که تمام فیلامنت های دارای فیلر باعث افزایش سایش در قطعات هاتند و اکسترودر، به ویژه در نازل، هیت شکن، چرخ های اکسترودر و لوله یا درج های PTFE می شوند.

برخی از فیلامنت ها خاصیت سایندگی دارند، مانند رشته های کربن، آرامید و الیاف شیشه یا ذرات فلزی، سرامیکی و فسفری. هنگام استفاده از این فیلامنت ها توصیه می شود از نازل های سخت شده استفاده کنید.

تصویر 4: مقایسه ساییدگی نازل با مواد مختلف

اگر این نوع فیلامنت ساینده به طور منظم استفاده می شود، توصیه می شود علاوه بر نازل های سخت شده، از لوله نازل های ساخته شده از مواد مقاوم تر مانند تیتانیوم و اکسترودر با چرخنده های فولادی سخت شده استفاده کنید. علاوه بر این، وضعیت این قطعات به همراه وضعیت لوله‌ها و درج‌های PTFE باید به صورت دوره‌ای بررسی شده و در صورت بروز علائم فرسودگی، تعویض شوند.

سرعت و دمای چاپ

فیلامنت های تقویت شده ویسکوزیته بالاتری نسبت به نمونه های معمولی خود دارند، بنابراین توصیه می شود از سرعت کمتر از سرعت نهایی دستگاه استفاده کنید. همچنین ممکن است استفاده از دمای کمی بالاتر برای کاهش ویسکوزیته در هنگام استفاده از سرعت چاپ بالا ضروری باشد.

چسبندگی پایه و تاب خوردگی

فیلامنت های تقویت شده دارای فیلر عموماً در طول خنک شدن دچار انقباض کمتری می شوند که باعث می شود کمتر مستعد تاب خوردن شوند. هر چه نسبت الیاف یا ذرات بیشتر باشد، انقباض کمتری دارد.

از طرفی فیلرها نیز معمولاً روی چسبندگی مواد به زیرلایه اثر می گذارندو آن را کاهش میدهند. استفاده از محلول های چسبنده مانند چسب یا لاک در هنگام استفاده از این نوع فیلامنت ها به خصوص آنهایی که درصد فیلر داخل فیلامنت بالایی دارند، توصیه می شود.

شکنندگی فیلامنت ها

از ویژگی های فیلامنت های تقویت شده افزایش شکنندگی آنها است، به ویژه آنهایی که درصد بارگذاری فیلر بالایی دارند یا بر اساس PLA هستند. به همین دلیل بسیار مهم است که نگهدارنده فیلامنت را به درستی قرار دهید تا مسیر اکسترودر تا حد امکان مستقیم و کوتاه باشد. همچنین توصیه می شود از اکسترودرهای مستقیم (direct) استفاده کنید، اگرچه برخی از این رشته ها را می توان در چاپگرهای bowden نیز چاپ کرد. در مورد دوم، بهتر است لوله های PTFE را به گونه ای قرار دهید که بیشترین شعاع خمشی ممکن را داشته باشند.

تصویر 5: نگهدارنده فیلامنت مستقیماً روی اکسترودر برای تغذیه مستقیم رشته قرار می گیرد

فیلامنت‌ها با پرکننده‌ها یک دسته خاص هستند که شامل مواد بسیار متنوعی می‌شود و معمولاً نیاز به پیکربندی‌های چاپ خاصی دارند. به همین دلیل، همیشه توصیه می‌شود که تمام اطلاعات ارائه شده توسط تولیدکننده را مشاوره کرده و به نکات چاپ آن‌ها توجه کنید.

در این راهنما به مفاهیم به صورت کلی و بدون تمرکز بر برند یا مدل خاصی پرداخته شده است. ممکن است تفاوت‌های مهمی در روش‌های کالیبراسیون یا تنظیم بین مدل‌ها و مدل‌های مختلف وجود داشته باشد، بنابراین توصیه می‌شود قبل از خواندن این راهنما دفترچه راهنمای سازنده را مطالعه کنید.