» 3DPE » معرفی فیلامنت فوم – چرا و چگونه با این متریال (LW) فوق سبک، پرینت سه بعدی کنیم
فیلامنت سبک پی ال ای

معرفی فیلامنت فوم – چرا و چگونه با این متریال (LW) فوق سبک، پرینت سه بعدی کنیم

در این مطلب، ما به بررسی فیلامنتهای سبک وزن (Light Weight) با ساختار فوم فعال می پردازیم که از ترکیب PLA یا ASA یا TPU (مواد ارتجاعی) ساخته میشوند و خواص مکانیکی – پرینتی چندگانه ای را ایجاد می کنند. این فیلامنتهای جدید و کم وزن برای کاربران چاپگرهای سه بعدی بسیار کاربردی خواهند بود؛ مثلا مزیت عالی برای بهینه‌سازی وزن در طرح‌های شما، قابلیت افزایش حجم قطعه حین یا بعد از پرینت، بهبود خواص مکانیکی محصولات شما و شاید دمیدن جان تازه‌ای به پروژه‌های مبتکرانه قدیمی که بخاطر ناسازگاری با متریالهای مرسوم پرینت، نه پرواز می‌کنند و نه شناور می‌شوند.

اتفاق خوب این است که متریال پلیمرهای سبک وزن حوزه صنعت از تجهیزات ورزشی با کارایی بالا تا پهبادهای فوق سبک اکنون به صحنه پرینت سه بعدی خانگی رسیده اند و رشته فیلامنتهای مشابه این ترکیبات، قابلیت عرضه تجاری برای چاپگرهای سه بعدی FDM پیدا کرده اند. این نوع مواد هر ساله با برندهای بیشتر و با قیمت های مقرون به صرفه تری در کشورهای پیشرفته در حال رونمایی هستند. اکنون مهندسان و طرفداران مدل سازی صنعتی می توانند برخی از امیدها را در مورد چاپ سه بعدی قطعات بسیار سبک را به واقعیت تبدیل کنند.

فیلامنت‌های ساختار فومیک‌، گرانول‌هایی با بافت منبسط شونده حاوی رشته‌های بسیار کم وزن هستند که جایگزین‌های بسیار سبک‌تری برای PLA یا PETG یا ABS می باشند. اگر وزن پروژه شما مشکل ساز است، خوشحال خواهید شد که بدانید جایگزین های جدید، فرصت های بی نظیری را برای حرفه ای ها و علاقه مندان باز میکند. پس بیایید ببینیم چگونه این امر امکان پذیر شده است.

فیلامنت فوم Foam Filament چیست؟

فیلامنت سبک وزن چیست

بیایید با یک مثال شروع کنیم: شما یک مهندس مکانیک خلاق هستید و مجذوب ساخت هر ایده مرتبط با پرواز میشوید. یکی از اهدافی که برای خرید پرینتر سه بعدی دارید، ساخت کم هزینه و آسان هواپیماهای گلایدری مینیاتوری یا هواپیماهای کنترلی RC است. مسلما تمایل دارید از پرینت سه بعدی FDM با متریال پلاستیکهایی مثل PLA – ABS –PETG برای ساخت بدنه این هواپیماهای دست ساز بهره ببرید.

در ابتدا، به نظرتان میرسد که منطقی ترین گزینه، رشته ABS (آکریلونیتریل بوتادین استایرن) باشد. با این حال، ABS حساسیت شدید حرارتی داشته و تمایل به تاب خوردگی دارد. برخی افراد آنرا بعنوان یک ماده “سرسخت” توصیف می کنند ولی به دلیل سمیت احتمالی هنگام مذاب شدن یا سوختن، استفاده از آن در فضاهای اتاقتان توصیه نمیشود.

سپس به PLA آسان چاپ می رسیم. هنگامی که آنرا امتحان کنید، میتواند تا حدی بعنوان یک ماده استاندارد برای چاپ قطعات مرتبط با پرواز پذیرفته شود. چون هزینه کمتری داشته و راحت پرینت میگردد ولی این فیلامنت مقاومتی به گرمای آفتاب ندارد.

اکنون به جدیدترین فیلامنت های سبک وزن یا LW با ترکیب شیمیایی فوم فعال  میرسیم که تست پرینت سه بعدی با آن نتایج شگفت انگیزی را ارائه داده است.

چه یک مهندس حرفه ای باشید که نمونه های کانسپت هواپیماهای بدون سرنشین را چاپ می کنید یا یک کاربر آماتور علاقه مند به ساخت هواپیماهای کنترل از راه دور، ماده مناسب است که تفاوت را ایجاد می کند؛ وزن همیشه برای هر چیزی که پرواز می کند، یک مسئله حیاتی محسوب میشود.

شاید وقتی به متریال سنتی فوم فکر کنید ظاهر زشت و آسیب پذیری اش را به یاد بیاورید اما باید بدانید که مواد چاپ سه بعدی حاوی فوم بسیار کنترل شده و قابل پیش بینی تر هستند.

بطور خلاصه، چگالی یک فیلامنت foam از طریق دمایی که در آن چاپ می شود یا سرعت جریان رشته ای که از طریق نازل-اکسترودر خارج می گردد، قابل کنترل خواهد بود. این عامل، یک راه حل خوب برای دستیابی به قطعه چاپ شده با وزن کم در مقایسه با سایر فیلامنت ترموپلاستیک‌ها است (البته محدودیت‌هایی نیز وجود دارد).

دو نوع استاندارد Foam Filament LW وجود دارد:

فیلامنت‌های فوم‌ فعال (از نظر خواص مکانیکی قابل استفاده‌تر) و  فوم‌غیرفعال (که نمی‌توانید وزن قطعه چاپی خود را از طریق دمای اکستروژن کنترل کنید، زیرا معمولاً فیلامنت قبل از استفاده به چگالی کمتری رسیده است).

مثلا یک فیلامنت پلی پروپیلن جدید از شرکت Infinite Material Solutions بنام Caverna PP با قیمت 110 دلاری عرضه شده که برای پرینت سه بعدی با ساختار متخلخل یکنواخت (شبیه فوم) مفید است. این فیلامنت دارای یک مرحله پس از پردازش محلول در آب است، بطوری که می تواند تا حدی حل شود و ادعا میشود که میتواند بطور همگن، اسفنجی تر و سبک تر شود و برای کاربردهای خاص مناسب باشد (مثلا یک بافت مورفولوژی ریز متخلخل پیوسته بر جای بگذارد).

از جنبه صنعتی، مواد اسفنجی یا فومی، پتانسیل بسیار زیادی دارند. سازه های فوم دار بطور کلی به دلیل ورودی کمتر مواد با انقباض کمتر و پایداری ابعادی بهتر مواجه می شوند. آنها همچنین خواص عایق حرارتی و صوتی قابل توجهی را ارائه می دهند .

تعجب آور نیست که شرکت هایی مانند بوئینگ، ایرباس و بسیاری دیگر در صنایع خودروسازی و دریایی، تیم های تحقیق و توسعه ای را اختصاص داده اند که مشغول بررسی مواد قوی ولی بسیار سبک وزن هستند. تحقیقات در مورد تولید مواد پرینتی فومیک برای تولید سریعتر محصولات در مقیاس بزرگ، مانند قالب‌های بدنه قایق، که قبلا با قالب‌گیری تزریقی فوم ساخته می‌شد و به ابزارهای گران قیمت نیاز دارد، امیدوارکننده است.

معرفی برندهای مناسب برای خرید فیلامنت فوم دار

فیلامنت فوم کالرفب

در آوریل 2019 بود که ColorFabb خط تولید متریال فیلامنت فوم فعال LW-PLA خود را راه اندازی کرد و کاتالوگ تجاری مواد خود را با این رشته انقلابی جدید گسترش داد. از آن زمان، تولیدکنندگان دیگر، یعنی 3DLabPrint و eSun، از این روش جدید چاپ استقبال کرده اند.

ColorFabb LW-PLA تقریبا میتواند 3 برابر حجم خود را افزایش دهد، به این معنی که کاربران می توانند برای به دست آوردن قطعات سبک وزن، جریان فیلامنت اکسترودر چاپگر را (که در نرم افزار اسلایسر معمولا flow rate نامیده میشود) تا 65٪ کاهش دهند یا با استفاده از ارتفاع لایه های بزرگ یا محیطهای ضخیم اضافی، از خواص انبساط برای سرعت بخشیدن به زمان چاپ استفاده کنند. اگر می‌خواهید قطعات سبک وزنی را چاپ کنید که از نظر ابعادی دقیق هستند، ابتدا تعیین انبساط احتمالی مواد مهم است. این کار را می توان با چاپ مکعب های تست تک محیطی بدون لایه بالا و پایین انجام داد. ColorFabb یک آموزش خوب در وبسایت خود دارد که از اینترنت ایران باید با v-p-n آنرا باز کرده و مطالعه کنید:

| https://learn.colorfabb.com/print-lw-pla |

علاوه محصول PLA سبک وزن، ColorFabb یک LW-ASA  – فیلامنت Acrylonitrile Styrene Acrylate  یا اکریلونیتریل استیرن اکریلات – ارائه می‌کند که دارای چگالی رشته‌ای در حدود 1.07 گرم بر سانتی‌متر مکعب است، اما زمانی که آزادسازی فوم در حداکثر ظرفیت خود داشته باشد، می‌توانید چگالی قطعه ای نزدیک به 0.43 گرم بر سانتی‌متر مکعب را دریافت کنید.

TPU فوم فعال ColorFabb به نام VarioShore TPU – تی پی یو از انواع فیلامنتهای منعطف (فلکسیبل) است – سختی متغیر، وزن و چگالی ناچیز خوبی را ارائه می دهد که همگی هنگام لمس نرم و انعطاف پذیر هم هستند. VarioShore TPU محصول دیگری با ویژگی های تنظیم دما است: یعنی در دماهای نازل بین 200 تا 250 درجه سانتیگراد، مواد شروع به انبساط می کنند و تقریباً 1.5 برابر حجم اولیه خود می شوند. این بدان معنی است که مواد را می توان با نرخ جریان پایین (60-70٪) چاپ کرد تا فوم فعال را جبران کند، که در ازای آن قطعات چاپی بسیار نرمی ایجاد می کند. بین 190 درجه تا 200 درجه سانتیگراد، مواد را می توان بدون فوم چاپ کرد که در نتیجه در مقایسه با نمونه های فوم دار، هاپتیک های مختلف و چاپهای سخت تری ایجاد می شود.

فیلامنت سبک ایسان

ePLA-LW شرکت eSun یک فیلامنت سبک وزن پی ال ای است و برای کاربردهای خاص مثل هواپیماهای مدل، پهپادها و لباس‌های کاسپلی (رسمی سنتی در کشورهای غربی برای شبیه شدن به شخصیتهای معروف) طراحی شده است. مانند فیلامنت ColorFabb، میزان انبساط و قدرت ePLA-LW برند ایسان نیز با تنظیم دمای چاپ کنترل می شود. نسبت حجم فوم 220 درصد است و هنگام چاپ همان مدل حجمی میتوان از یک رول ePLA-LW بجای 2.2 رول PLA معمولی استفاده کرد. بافت اسفنجی فوم باعث می شود که الگوی لایه ای سطح تقریبا نامرئی باشد. در حدود 210 درجه سانتیگراد تا 270 درجه سانتیگراد، این ماده در حین چاپ شروع به کف کردن (اسفنجی یا فومی شدن) می کند و حجم آنرا نزدیک به 1.2 برابر افزایش می دهد؛ بنابراین نرخ اکستروژن چاپ را می توان برای قطعات با وزن سبک تر تا 45 درصد کاهش داد.

فیلامنت فوم پلی لایت

سومین فیلامنت فوم کننده موجود در بازار کشورهای صنعتی بنام PolyLight 1.0 از شرکت 3DLabPrint است. این ماده سبک وزن فوم فعال نوعی LW-PLA  است و حجم خود را بیش از 2 برابر در طول اکستروژن بسته به دمای هات اند نازل افزایش می دهد. PolyLight  در ابتدا این محصول را فقط در رنگ خاکستری روشن عرضه میکرد (زیرا جهانی ترین رنگ پایه برای نقاشی است)، اما اکنون این فیلامنت سبک وزن، در 9 رنگ (و یک بسته نمونه رایگان) عرضه می شود.

بررسی قیمت فیلامنتهای سبک وزن فومیک LW Foam:

یک عامل مهم را فراموش نکنید: این فیلامنتهای فومیک هر چقدر وزنشان سبک است در عوض قیمت خرید سنگینی دارند! فیلامنتهای LW نه تنها به ازای هر رول رشته (یا کیلوگرم) گران تر هستند، بلکه زمان بیشتری برای پرینت نیاز دارند، چاپ آنها برای مبتدی ها گیج کننده است و مهمتر، از نظر خواص مکانیکی مانند استحکام کششی پایین تر هستند.

با این حال ناامید نشوید، اگرچه ممکن است قیمت هر کیلوگرم (یا رول فیلامنت) در مقایسه با رشته‌های استاندارد مثلا PLA بالا به نظر برسد، اما با کاهش جریان پرینت نازل به 50 تا 65 درصد، عملکرد این فیلامنت معمولاً دو برابر می‌شود؛ بنابراین با 1 کیلوگرم فیلامنت فوم‌دار می‌شود همان تعداد قطعاتی را که با 2 کیلوگرم PLA معمولی مصرف می کنید، چاپ کنید (با مقاومت کمتر ولی بسیار سبک تر).

مواد فوم در کاربردهای حرفه ای آینده صنعت

فیلامنت فوم پرینتر3بعدی

علاوه بر گزینه های بالا که توضیح دادیم، ColorFabb با سازنده چاپگرهای سه بعدی Colossus جهت توسعه یک ماده منبسط شونده سازگار با چاپگر سه بعدی اکسترودر سایز بزرگ خود که از مواد به شکل گلوله استفاده می کند، همکاری کرده است. گرانول‌های فوم‌کننده که انتظار می‌رود به زودی دسترس قرار گیرند، مقدار زیادی انرژی در هنگام گرم شدن جذب می‌کنند و می‌توانند با یک نازل 8 میلی‌متری ارتفاع لایه‌های 1 سانتی‌متری تولید کنند.

برخی از شرکت‌ها قبلاً از این ماده برای تولید محصولات شگفت‌انگیزی مانند عکس فوق استفاده کرده‌اند.

اگرچه هنوز این نوع متریال در مراحل تحقیقاتی است، بررسیها نشان می دهد که مواد فومی با قابلیت چاپ سه بعدی ممکن است نقش مهمی در صنعت ساختمان با کاربردهای عایق و حتی عناصر ساختاری با فوم بتن ایفا کنند.

یک استارت آپ جدید به نام PrintFoam که در چاپ فوم در مقیاس صنعتی تخصص دارد، اخیراً از توسعه یک دستگاه 3D Printer خاص خبر داده است؛ این شرکت توسط فارغ‌التحصیلان MIT تأسیس شده اعلام کرده هدف آن باز کردن قفل تولید افزودنی رزین‌های قابل درمان با چگالی کم UV برای تولید ساختارهای سبک است. از این فناوری می توان برای کاهش وزن تا 75 درصد استفاده کرد و در عین حال دوام، انعطاف پذیری و استحکام تولید افزودنی های سنتی را با یک چهارم قیمت حفظ کرد.

تست پرینت سه بعدی با فیلامنت فومینگ

فیلامنت سبک وزن
پهپاد نشان داده شده در این تصویر توسط DroneTeam Twente با فیلامنت ColorFabb ساخته شده است. بدنه و بال‌ها با PLA سبک وزن پرینت و توسط یک اسکلت کربنی در داخل پشتیبانی می‌شوند.

نظرات منتشر شده کاربران در فرومهای اینترنتی از تجربه پرینت سه بعدی با این رشته های LW اکثرا مثبت است، به خصوص با  برند ColorFabb و 3DLabPrint. زیرا رسیدن به نتایج با کیفیت عالی با هر دوی آنها آسان و سریع بوده است.

مثلا یک کاربر حرفه ای گفته است:

eSun LW-PLA از نظر وزن و قدرت خوب بود، اما از نظر ظاهری کمی شکست خورد یا رنگ زرد این برند بعد از پرینت برای چاپهای بدون رنگ و ترکیبی چندان قانع کننده نیست. تمایل آن به ایجاد نقاط سوختگی در صورت خاموش بودن فن خنک کننده نازل هم نا امید کننده است. با این حال، به محض روشن کردن فن خنک کننده، این عیوب به راحتی قابل اصلاح بود. به سادگی با استفاده از یک تنظیم ساده (یعنی سرعت فن 5-10٪) این نقاط سوخته تقریباً به طور کامل ناپدید می شوند. بنابراین، اگر رنگ از نظرتان عیبی ندارد، قیمت پایین این LW-PLA از برند eSun ممکن است دلیل خوبی برای انتخاب آن باشد. از آنجایی که قبلاً با این مواد تجربه داشتم، از یکی از دوستانم از RC Aeroclub محلی خود دعوت کردم تا در یک آزمایش کوچک شرکت کند. من از او خواستم که به سادگی توصیه های سازنده را دنبال کند و پس از چند آزمایش، او مانند یک حرفه ای فعال شد و از نتایج بدست آمده راضی بود.

  • فیلامنت فومیک LW تا چه حد سبک وزن است؟

آموزش فیلامنت کم وزن
قایق سفید با فیلامنت فوم سبک پرینت شده است و بنابراین در سطح آب باقی مانده است درحالیکه قایق سبز با فیلامنت پی ال ای معمولی پرینت شده و به ته آب رفته است.

اگر بعنوان رفرنس (رایج ترین رشته مورد استفاده بازار تجاری) «پی اِل اِی» را در نظر بگیریم، که دارای چگالی حدود 1.25 گرم بر سانتی متر مکعب است، هر چیزی کمتر از این مقدار را می توان فوق سبک در نظر گرفت زیرا فیلامنت PLA در مقایسه با سایر مواد صنعتی حوزه پرینت سه بعدی FDM در حال حاضر یک ماده سبک وزن در نظر گرفته می شود. (البته از منظر دانش فیزیک، وقتی صحبت از رشته های سبک وزن می شود، PP پلی پروپیلن با چگالی معمولی 0.9 گرم بر سانتی متر مکعب یا حتی کمتر در بالای لیست قرار دارد).

نایلون 12 یک ماده بسیار بادوام با چگالی 1.08 گرم بر سانتی متر مکعب است. این فیلامنت می تواند استرس مکانیکی بسیار بالا را تحمل کند، در برابر خستگی، سایش، خوردگی و گرما بسیار مقاوم است اما متأسفانه، نایلون بسیار به رطوبت حساس است (یعنی آب را شدیدا جذب می کند) بنابراین برای کاربرد آن برای سبک وزن کردن قطعات پرینتی محدود به محیط های کاملا صنعتی و ایزوله بوده و قیمت گران آن نیز عامل محدود کننده دیگری است.

آموزش پرینت سه بعدی با فیلامنت فوق سبک فومیک LW PLA:

فیلامنت فومیک

بعنوان یک قاعده کلی بدانید که این مواد فومی منبسط شونده باید در دمای بالاتری نسبت به PLA معمولی چاپ شوند، در غیر این صورت، عامل فوم‌ساز به سد انرژی لازم برای واکنش نمی‌رسد و در نتیجه میکرو حباب‌هایی را ایجاد می‌کند که باعث پرداخت مات و متخلخل و چگالی کمتری می‌شود. بنابراین اگر درجه حرارت پک اکسترودر چاپگر سه بعدی شما به حداقل 200 درجه سانتیگراد نمی رسد، نمی توانید از این مواد استفاده کنید.

ملاحظات قبل از چاپ:

  • از آنجایی که چسبندگی بستر ممکن است با فیلامنت فوم‌کننده بسیار مهم‌تر شود، تسطیح مناسب بستر و چسبندگی عالی آن ضروری است.
  • مطمئن شوید که فیلامنت تحت هیچ گونه رطوبتی قرار نگرفته باشد.
  • شما می‌توانید به جریان‌های کم‌تر از 50% (ضریب اکسترودر 0.5، در برخی از نرم‌افزارهای اسلایسر) برسید بدون اینکه خواص مکانیکی ضروری را بیش از حد به خطر بیندازید. البته در زیر مقادیر جریان معین شده، قطعه ممکن است به نقطه ای برسد که به اندازه کافی استحکام نداشته باشد و برای بازگرداندن آن به حالت عملکردی خود، طراحی مجدد لازم است، زیرا متأسفانه، استحکام در مقابل کاهش وزن از یک نسبت خطی پیروی نمی کند.

نکته: فیلامنت فومیک برای افراد مبتدی که تازه پرینت سه بعدی را شروع کرده اند، پیشنهاد نمیشود زیرا باید مهارت خوبی در تنظیمات نرم افزاری چاپ داشته باشید (مگر اینکه دغدغه هزینه ای ندارید و میخواهید با آزمون خطای چند رول گرانقیمت به چاپ این متریال مسلط شوید).

تنظیمات اولیه چاپ

فن را خاموش نگه دارید یا مقدار آن در حد بسیار کمی باشد و بعنوان یک قانون کلی، سرعت چاپ را به نصف مقدار PLA کاهش دهید.

علاوه بر اندازه استاندارد  1.75 میلی‌متری، ColorFabb اندازه رشته فیلامنت 2.85 میلی‌متر را هم ارائه می‌کند که براحتی می‌توان با استفاده از یک نازل 0.6 میلی‌متری، 0.8 میلی‌متری یا حتی یک نازل 1 میلی‌متری چاپ کرد. این قطر گسترده تر اجازه می دهد تا لایه های بزرگی ایجاد شود که همچنین عملکرد چاپ سریعتر (سرعت حجمی عالی) را به همراه دارد.

همیشه بهترین توصیه این است که توصیه های سازنده را به دقت و کامل دنبال کنید، اگرچه نوع چاپگرها و اکسترودرهای مختلف ممکن است رفتار متفاوتی داشته باشند ولی در هر حال تنظیمات پیشنهادی سازنده باید نقطه شروع خوبی باشد. اگر برگه اطلاعات فنی در دسترس نیست (همانطور که با eSun LW-PLA اتفاق افتاده است) یا اگر نتیجه آنطور که انتظار می‌رود نیست، «قاعده 5» را امتحان کنید و هر بار فقط یک پارامتر را تغییر دهید:

شرح قانون 5 در پرینت سه بعدی فیلامنت کم وزن:

  • جریان: 50% (یا ضریب اکسترودر: 0.5).
  • نازل: 250 درجه سانتیگراد
  • بستر: 55 درجه سانتیگراد
  • سرعت: 50% PLA معمولی (برای ایمن بودن).
  • سرعت فن: 0٪ (یا بسیار کم)
  • همچنین، انقباض را روی کمتر از 2.5 میلی‌متر تنظیم کنید (در حالت ایده‌آل «بدون پس‌کشretraction»).

3DPrintLab یک راهنمای PDF را برای چاپ سه بعدی فیلامنت فومیک  PolyLight خود ارائه کرده است:

3dpe.ir/wp-content/uploads/2022/06/polyair-LW-filament-catalog.pdf

****

فروش فیلامنت

متریال سبک وزن در مقابل طراحی سبک وزن

فیلامنت برای پرینت هواپیما

هیچ بحثی در مورد پرینت سه بعدی فوق سبک بدون صحبت در مورد نقش طراحی برای کاهش وزن کامل نمی شود. مانند هر جنبه دیگری از روند تولید محصول، باید تعادلی از یک طراحی سه بعدی بهینه و انتخاب متریال سازگار چاپ سه بعدی ایجاد کنید.

ممکن است بنظر برسد که فوم و مواد سبک وزن (LW Filament) برای چاپ سه بعدی در مراحل ابتدایی خود باشد (بدون در نظر گرفتن اینکه آیا محصولات فعلی هم خوب عمل می کنند یا خیر). اما توسعه این مواد، امکاناتی را برای بهینه سازی عملکرد و طراحی نوآورانه محصول ایجاد می کند، زیرا دانشمندان علم مواد، عملکرد مکانیکی این متریالها را بهبود می بخشند.

در آینده، انتظار میرود که چند مارک دیگر فیلامنت فومیک نیز برای پوشش مواد سبک وزن به بازار عرضه شوند. در این میان، هنوز هم خوش شانس هستیم که سه برند معتبر وجود دارند که محصولی مناسبی را عرضه کرده اند و امیدواریم روند قیمت گذاری آنها کاهشی شود.

لطفا مطالب تکمیلی یا نظرات خود درباره فیلامنت فوق سبک فوم را پایین صفحه در بخش کامنت، به اسم خودتان مطرح کنید تا ما آنرا منتشر کنیم.

دیدگاه‌ خود را بنویسید

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

/