Μάθημα : ΜΝΑΕ Σχέδιο Δράσης 2019-2020

Μόλις γίνει ο σχεδιασμός, το αρχείο πρέπει να σταλεί σε ένα λογισμικό τεμαχισμού – Slicing όπου προετοιμάζεται για τον εκτυπωτή. Τα μοντέλα που έχουν σχεδιαστεί πρέπει να μετατραπούν σε μια σειρά κωδικών που ονομάζονται G-Code έτσι ωστε να το αναγνωρίσει ο εκτυπωτής και να ξεκινήσει η εκτύπωση. Αυτό το τμήμα ονομάζεται Κοπή. Η ποιότητα της εκτύπωσης εξαρτάται από τις ρυθμίσεις που έχουν γίνει σε αυτό το στάδιο.

Το ευρύτερα χρησιμοποιούμενο λογισμικό είναι το Cura. Αυτό το λογισμικό δημιουργήθηκε κυρίως για το είδος εκτυπωτή που ονομάζεται Ultimaker. Αλλά από τη στιγμή που έγινε διαθέσιμο ως ελεύθερο λογισμικό ανοικτού κώδικα, οι περισσότεροι εκτυπωτές ξεκίνησαν να χρησιμοποιούν το Cura . Στο λογισμικό αυτό οι ρυθμίσεις εκτύπωσης αποστέλλονται όπως ακριβώς κάνουμε και στον εκτυπωτή λέιζερ. Εδώ μπορούμε να θέσουμε την κλίμακα (σμίκρυνση / μεγέθυνση), να ευθυγραμμίσουμε και να προσανατολίσουμε το μοντέλο εκτύπωσης. Άλλες κρίσιμες ρυθμίσεις όπως η θερμοκρασία, η ταχύτητα συστολής, η ροή της διάμετρος του ακροφυσίου κλπ. ρυθμίζονται στον εκτυπωτή χρησιμοποιώντας αυτό το Λογισμικό.

Πηγές:
[1] https://circuitdigest.com/article/beginners-guide-for-getting-started-with-3d-printing

Οι τρισδιάστατοι εκτυπωτές κατασκευάζουν αντικείμενα χρησιμοποιώντας μια διαδικασία γνωστή ως προσθετική κατασκευή. Το υλικό τοποθετείται σε στρώματα. κάθε στρώμα προσθέτει στο προηγούμενο στρώμα και με τη σειρά του χρησιμοποιείται ως βάση για το επόμενο στρώμα.

Εικόνα 7.1. [πηγή]

Υπάρχουν πολλοί τύποι τεχνολογιών 3D εκτύπωσης. Δείτε την ακόλουθη λίστα από το https://www.3yourmind.com/blog/what-is-3d-printing για μια επισκόπηση:

– Binder Jetting: Οι κεφαλές εκτύπωσης Inkjet εφαρμόζουν ένα υγρό συγκολητικό υλικό πάνω σε λέπτές στρώσεις από πούδρα. Με τη συγκόλληση των σωματιδίων μαζί, το τμήμα χτίζεται στρώμα με στρώμα.
– Τήξη με δέσμη ηλεκτρονίων (Electron Beam melting): Μία λεπτή μεταλλική πούδρα τήκεται επιλεκτικά από μια δέσμη ηλεκτρονίων. Τα μέρη κατασκευάζονται σε στρώματα με στρώσεις στην σχετική επιφάνεια.
– Μοντελοποίηση με τήξη και απόθεση (Fused Deposition Modelling, FDM): Ένα πλαστικό νήμα τήκεται και εξωθείται μέσω ενός ακροφυσίου .Τα εξαρτήματα κατασκευάζονται με την τοποθέτηση στρώματος-στρώμα.
– Λέιζερ τήξη (Laser melting): Ένα λεπτό στρώμα μεταλλικής σκόνης τήκεται επιλεκτικά από ένα λέιζερ.Τα μέρη κατασκευάζονται διαδοχικά, με επιστρώσεις στην επιφάνεια του υλικού.
– Συγκόλληση με λέιζερ (Lazer sintering): Ένα λεπτές στρώσεις από πλαστική σκόνη τήκεται επιλεκτικά από ένα λέιζερ .Τα μέρη κατασκευάζονται στρώματα με στρώσεις στην κλίνη σκόνης.
– Εκτόξευση υλικού (Material Jetting): Οι κεφαλές εκτύπωσης με εκτόξευση μελάνης χρησιμοποιούνται για την εκτόξευση λιωμένου κεριού σε μια πλατφόρμα κατασκευής. Το υλικό ψύχεται και στερεοποιείται, γεγονός που επιτρέπει την κατασκευή στρώσεων η μία πάνω στην άλλη.
– Photopolymer Jetting: Οι κεφαλές εκτύπωσης μελάνης χρησιμοποιούνται για την εκτόξευση φωτοπολυμερών υγρών σε μια πλατφόρμα κατασκευής. Το υλικό στερεοποιείται αμέσως με λάμπες υπεριώδους ακτινοβολίας και σκληραίνει, γεγονός που επιτρέπει την κατασκευή στρώσεων το ένα πάνω στο άλλο.
– Στερεολιθογραφία: Ένα υπεριώδες λέιζερ κόβει ένα υγρό φωτοπολυμερές σε μια δεξαμενή. Το τμήμα κατασκευάζεται με τη κάθοδο της πλατφόρμας κατασκευής μέσα στην δεξαμενή.

Εικόνα 7.2.Ορισμένες τεχνολογίες εκτύπωσης 3D [πηγή]

Οι περισσότεροι εκτυπωτές 3D στην καταναλωτική αγορά χρησιμοποιούν θερμοπλαστικές μελάνες στη διαδικασία εκτύπωσης. Σε συγκεκριμένη περιοχή θερμοκρασίας αυτά τα πολυμερή γίνονται μαλακά και εύκαμπτα και στη συνέχεια επανασχηματίζονται όταν αφήνονται να κρυώσουν.

Εικόνα 7.3.Ένα λειτουργικό διάγραμμα ενός εκτυπωτή 3D [πηγή]

Η επιφάνεια εκτύπωσης / κλίνη εκτύπωσης είναι το σημείο όπου εκτυπώνεται το αντικείμενο. Συνήθως καλύπτεται με ένα κολλητικό υλικό. Όταν χρησιμοποιούνται ορισμένες μελάνες \πρέπει επίσης να θερμαίνεται προκειμένου να ελαχιστοποιηθεί η στρέβλωση στην εκτυπωμένη αντικειμένου.

Η θερμοκρασία του εξωθητήρα μπορεί να ρυθμιστεί χειροκίνητα, ανάλογα με το μοντέλο. η θέση του ακροφυσίου ελέγχεται από τον μικροελεγκτή, ο οποίος κατευθύνεται από εντολές στο αρχείο εκτύπωσης.

Ορισμένοι εκτυπωτές διαθέτουν θύρες USB για την ανάγνωση αρχείων από μονάδες USB. Άλλοι εκτυπωτές έχουν διεπαφές χειρισμού τους σε εξωτερικούς υπολογιστές, οι οποίοι ενδέχεται να εκτελούν εφαρμογές ελέγχου και παρακολούθησης της προόδου της 3D εκτύπωσης. Ο μικροελεγκτής τοποθετεί το ακροφύσιο στις απαιτούμενες συντεταγμένες Χ, Υ και Ζ και ρυθμίζεται μια συγκεκριμένη ποσότητα μελανιού. Οι υψηλής ποιότητας εκτυπωτές 3D παράγουν ελάχιστο σπατάλη υλικού.

Εικόνα 7.4.Τα τυπικά μέρη ενός εκτυπωτή 3D [πηγή]

Για τους σκοπούς αυτής της εισαγωγής θα επικεντρωθούμε σε εκτυπωτές FDM (σημείωση: η τεχνολογία FDM αναφέρεται συχνά ως FFF -Fused Fabricment Fabricment- αντί).

Το FDM είναι η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη τεχνολογία εκτύπωσης 3D: αποτελεί τη μεγαλύτερη εγκατεστημένη σειρά 3D εκτυπωτών παγκοσμίως και είναι συχνά η πρώτη τεχνολογία την οποία συναντούν όσοι θέλουν να ασχοληθούν με την τρισδιάστατη εκτύπωση. Σε αυτό το άρθρο παρουσιάζονται οι βασικές αρχές και οι βασικές πτυχές της τεχνολογίας αυτής.

Για έναν εκτεταμένο οδηγό 3D εκτυπωτή, μπορείτε να ελέγξετε το ακόλουθο άρθρο.

Πηγές:
[1] https://www.allaboutcircuits.com/news/introduction-to-3d-printing-history-processes-and-market-growth
[2] https://www.3yourmind.com/blog/what-is-3d-printing
[3] https://www.3dhubs.com/knowledge-base/introduction-fdm-3d-printing#what

Στο FDM, ένα αντικείμενο κατασκευάζεται από την επιλεκτική απόθεση του λιωμένου υλικού σε μια προκαθορισμένη διαδρομής που δημιουργείται στρώση στρωση.Τα υλικά που χρησιμοποιούνται είναι θερμοπλαστικά πολυμερή και έρχονται σε μορφή νημάτων.

Ένας σχεδιαστής πρέπει να έχει κατά νου τις δυνατότητες και τους περιορισμούς της τεχνολογίας κατά την κατασκευή ενός τμήματος αντικειμένου με το FDM, καθώς αυτό θα τον βοηθήσει να επιτύχει το καλύτερο αποτέλεσμα.

Εικόνα.Η διαδικασία εκτύπωσης FDM [πηγή]

Να λοιπόν πώς λειτουργεί η διαδικασία παραγωγής με FDM:

1. Ένα καρούλι από θερμοπλαστικό νήμα φορτώνεται πρώτα στον εκτυπωτή. Μόλις το ακροφύσιο φθάσει στην επιθυμητή θερμοκρασία, το νήμα τροφοδοτείται στην κεφαλή εξώθησης και στο ακροφύσιο όπου λιώνει.

2. Η κεφαλή εξώθησης προσαρτάται σε ένα σύστημα τριών αξόνων που του επιτρέπει να κινείται στις κατευθύνσεις Χ, Υ και Ζ. Το τετηγμένο υλικό εξωθείται σε λεπτούς κλώνους και εναποτίθεται στρώμα-στρώμα σε προκαθορισμένες θέσεις, όπου ψύχεται και στερεοποιείται. Μερικές φορές η ψύξη του υλικού επιταχύνεται μέσω της χρήσης ανεμιστήρων ψύξης προσαρτημένων στην κεφαλή εξώθησης.

3. Για να γεμίσει μια περιοχή, απαιτούνται πολλαπλά περάσματα (παρόμοια με το χρωματισμό ενός ορθογωνίου με ένα δείκτη). Όταν τελειώσει ένα στρώμα, η πλατφόρμα κατασκευής μετακινείται προς τα κάτω (ή σε διαφορετικές ρυθμίσεις του μηχανήματος, η κεφαλή εξώθησης κινείται προς τα επάνω) και τοποθετείται ένα νέο στρώμα. Αυτή η διαδικασία επαναλαμβάνεται μέχρι να ολοκληρωθεί το εκτυπούμενο τμήμα.

Αυτό που είναι σημαντικό από τη σκοπιά ενός σχεδιαστή είναι να χτίσει το μέγεθος και το ύψος του στρώματος:

Το διαθέσιμο μέγεθος κατασκευής ενός επιτραπέζιου 3D εκτυπωτή είναι συνήθως 200 x 200 x 200 mm, ενώ για τις βιομηχανικές μηχανές αυτό μπορεί να είναι τόσο μεγάλο όσο 1000 x 1000 x 1000 mm. Εάν προτιμάτε ένα επιτραπέζιο μηχάνημα (για παράδειγμα για μείωση του κόστους), ένα μεγάλο μοντέλο μπορεί να σπάσει σε μικρότερα τμήματα και στη συνέχεια να συναρμολογηθεί.

Το τυπικό ύψος κάθε στρώσης που χρησιμοποιείται στο FDM κυμαίνεται μεταξύ 50 και 400 microns και μπορεί να προσδιοριστεί με την τοποθέτηση μιας παραγγελίας. Ένα μικρότερο ύψος στρώματος παράγει πιο ομαλά μέρη και αποδίδει τις καμπύλες γεωμετρίες με μεγαλύτερη ακρίβεια, ενώ ένα μεγαλύτερο ύψος παράγει μέρη ταχύτερα και με χαμηλότερο κόστος. Ένα ύψος στρώσης 200 microns είναι το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο.

Η καλή πρόσφυση μεταξύ των εναποτιθέμενων στρωμάτων είναι πολύ σημαντική στο προιόν του FDM. Όταν το τετηγμένο θερμοπλαστικό εξωθείται διαμέσου του ακροφυσίου, αυτό πιέζεται πάνω στο προηγούμενο στρώμα υλικού. Η υψηλή θερμοκρασία και η πίεση ξαναλιώνουν την επιφάνεια του προηγούμενου στρώματος και καθιστούν δυνατή τη συγκόλληση του νέου στρώματος με το προηγουμένως τυπωμένο τμήμα.

Η δομή στήριξης είναι απαραίτητη για τη δημιουργία γεωμετριών με προεξοχές στο FDM. Η βάση υποστήριξης τυπώνεται συνήθως στο ίδιο υλικό με το τελικό αντικείμενο. Υπάρχουν επίσης υλικά υποστήριξης που διαλύονται σε υγρό, αλλά χρησιμοποιούνται κυρίως σε εξειδικευμένους εκτυπωτές FDM 3D για βιομηχανικές εκτυπώσεις υψηλής τεχνολογίας.

Τα τμήματα FDM συνήθως δεν εκτυπώνονται στερεά ωστε να μειώθεί ο χρόνος εκτύπωσης και να εξοικονομήθει υλικό. Αντ ‘αυτού, η εξωτερική περίμετρος εντοπίζεται με τη χρήση αρκετών περασμάτων, που ονομάζονται κέλυφος, και το εσωτερικό είναι γεμάτο με μια εσωτερική, χαμηλής πυκνότητας δομή, που ονομάζεται γέμισμα.

Το πάχος του γεμίσματος και του κελύφους επηρεάζουν σημαντικά την αντοχή ενός εξαρτήματος. Για επιτραπέζιους εκτυπωτές FDM, η προεπιλεγμένη ρύθμιση είναι η πυκνότητα πλήρωσης 25% και το πάχος του κελύφους 1 mm, γεγονός που αποτελεί καλό συμβιβασμό μεταξύ αντοχής και ταχύτητας για γρήγορες εκτυπώσεις.

Εικόνα Η εσωτερική γεωμετρία του FDM εκτυπώνεται με διαφορετική πυκνότητα πλήρωσης [πηγή]

Πηγές:
[1] https://www.3dhubs.com/knowledge-base/introduction-fdm-3d-printing

Ένα από τα βασικά πλεονεκτήματα του FDM είναι το ευρύ φάσμα των διαθέσιμων υλικών. Αυτά μπορεί να κυμαίνονται από κοινά θερμοπλαστικά προϊόντα (όπως PLA και ABS) έως υλικά μηχανικής (όπως PA, TPU και PETG) και θερμοπλαστικά υψηλής απόδοσης (όπως PEEK και PEI).

Εικόνα 10.1.Πυραμίδα θερμοπλαστικών υλικών διαθέσιμη σε FDM. Κατά κανόνα, όσο υψηλότερα σε αυτήν είναι ένα υλικό τόσο καλύτερες είναι οι μηχανικές του ιδιότητες [πηγή]

Το υλικό που χρησιμοποιείται θα επηρεάσει τις μηχανικές ιδιότητες και την ακρίβεια του τυπωμένου τμήματος, αλλά και την τιμή του. Τα πιο κοινά υλικά FDM συνοψίζονται στον παρακάτω πίνακα.

Εικόνα 10.2.PLA νήματα [πηγή]

Αυτό που ακολουθεί είναι μια λεπτομερέστερη έκθεση των βασικών υλικών FDM:

10.1 ABS

Το ABS συλλέγεται συνήθως πάνω από PLA όταν απαιτείται υψηλότερη αντίσταση στη θερμοκρασία και μεγαλύτερη ανθεκτικότητα.

10.2 PLA

PLA είναι το ευκολότερο πολυμερές για εκτύπωση και προσφέρει καλή οπτική ποιότητα.Είναι πολύ άκαμπτο και στην πραγματικότητα αρκετά ισχυρό, αλλά είναι πολύ εύθραυστο.

10.3 Nylon

Το νάυλον διαθέτει μεγάλες μηχανικές ιδιότητες και ειδικότερα την καλύτερη αντοχή σε κρούση για ένα μη εύκαμπτο νήμα.Ωστόσο, η προσκόλληση σε στρώματα μπορεί να είναι ένα ζήτημα.

10.4 PET

Το ΡΕΤ είναι ένα ελαφρώς μαλακότερο πολυμερές που είναι καλά στρογγυλεμένο και διαθέτει ενδιαφέρουσες πρόσθετες ιδιότητες με μερικά σημαντικά μειονεκτήματα.

10.5 TPU

Η TPU χρησιμοποιείται ως επί το πλείστον για ευέλικτες εφαρμογές, αλλά η πολύ υψηλή αντοχή στην κρούση μπορεί να ανοίξει για άλλες εφαρμογές.

10.6 PC

Το PC είναι το ισχυρότερο υλικό όλων και μπορεί να είναι μια ενδιαφέρουσα εναλλακτική λύση για το ABS, καθώς οι ιδιότητες είναι παρόμοιες.

Η επιλογή του σωστού πολυμερούς είναι κρίσιμη για να αποκτήσετε τις σωστές ιδιότητες για ένα τρισδιάστατο κομμάτι, ειδικά εάν το τμήμα έχει λειτουργική χρήση.

Για ένα λεπτομερές άρθρο των “καλύτερων τρισδιάστατων νημάτων εκτύπωσης το 2017”, ακολουθήστε αυτόν τον σύνδεσμο: http://my3dmatter.com/what-are-the-best-3d-printing-filaments-in-2017/#more-1077

Άλλες πηγές:
[1] https://www.3dhubs.com/knowledge-base/introduction-fdm-3d-printing#materials
[2] https://www.3dhubs.com/knowledge-base/fdm-3d-printing-materials-compared