طباعة ثلاثية الأبعاد عالية الحرارة - للجماهير

هناك مجموعة متنوعة رائعة من اللدائن الحرارية التي يمكن طباعتها على طابعات ثلاثية الأبعاد لسطح المكتب. على الرغم من ذلك ، يلجأ المستخدمون في أغلب الأحيان إلى خيوط عديد حمض اللبنيك (PLA). إنها ليست أرخص المواد فحسب ، بل إنها أيضًا أسهل في التعامل معها. يمكن بثقها حتى 180 درجة مئوية ويمكن الحصول على نتائج جيدة حتى بدون تسخين الطاولة. عيب كائنات PLA المطبوعة هو أنها هشة نسبيًا ولا تتحمل درجات الحرارة العالية جيدًا. بالنسبة للنماذج الأولية أو طباعة المكونات خفيفة الوزن ، يعد PLA رائعًا. ومع ذلك ، فإن العديد من المستخدمين يتجاوزون قدراته بسرعة.



الخطوة التالية هي عادةً البولي إيثيلين تيريفثاليت (PETG). ليس من الصعب العمل مع PLA ، في حين أنه أكثر موثوقية ويتحمل درجات حرارة أعلى. بشكل عام ، إنها مناسبة بشكل أفضل لإنشاء أجزاء مجهدة ميكانيكيًا. ولكن إذا كنت بحاجة إلى صنع أجزاء أقوى وأكثر مقاومة للحرارة ، فيمكنك التبديل إلى أكريلونيتريل بوتادين ستايرين (ABS) أو البولي كربونات (PC) أو النايلون. وهنا تبدأ المشاكل. يتم بثق هذه المواد عند درجات حرارة أعلى من 250 درجة مئوية وللحصول على أفضل النتائج ، يوصى بغرف مغلقة. تقع هذه الطابعات في الجزء العلوي من نطاق الميزانية الذي يرغب الهواة في العمل معه.





تبدأ الطابعات ثلاثية الأبعاد الصناعية مثل Apium P220 بحوالي 30 ألف دولار.



ومع ذلك ، يمكن أن تستخدم أغلى الطابعات ثلاثية الأبعاد الصناعية مواد بلاستيكية أقوى - بولي إيثيريميد (PEI) أو أي شيء من عائلة بولي إيثير كيتون (PAEK ، PEEK ، PEKK) ... تعتبر المكونات المصنوعة من هذه المواد البلاستيكية مناسبة لتطبيقات الطيران حيث يمكنها استبدال المعدن بينما تظل أخف بكثير.



يجب أن تنبثق هذه المواد البلاستيكية عند درجات حرارة تصل إلى 400 درجة مئوية ، ويلزم وجود غرفة مختومة للتشغيل ، ودرجة الحرارة التي تتجاوز 100 درجة مئوية باستمرار. أرخص الطابعات من هذا النوع تكلف عشرات الآلاف من الدولارات ، وبعض الطرز تكلف ستة أرقام.



بطبيعة الحال ، منذ وقت ليس ببعيد ، يمكن قول الشيء نفسه عن جميع الطابعات ثلاثية الأبعاد. ذات مرة فقط كانت مختبرات الأبحاث المجهزة جيدًا تستخدم مثل هذه الآلات ، لكنها الآن موجودة على طاولات عمل المتسللين والهواة في جميع أنحاء العالم. من الصعب التكهن بما إذا كان السباق نفسه لخفض الأسعار سيبدأ في حالة الطابعات ثلاثية الأبعاد عالية الحرارة ، ولكن تم بالفعل اتخاذ الخطوات الأولى لإضفاء الطابع الديمقراطي على التكنولوجيا.

صعوبات هندسية

ببساطة ، الجهاز الذي يدعم هذه ما يسمى ب. "اللدائن الهندسية" ، يجب أن تكون مزيجًا من طابعة ثلاثية الأبعاد وموقد. هذه ، بالطبع ، هي المشكلة الرئيسية. الطابعة نفسها - النوع والجودة التي اعتدنا على رؤيتها على مكاتبنا - لن تصمد في مثل هذه الظروف. بالنسبة للطابعة الاستهلاكية لإنتاج أجزاء بلاستيكية من PEI و PEEK ، يجب إعادة تدويرها بجدية. هذا ما جاء من NASA LulzBot TAZ 4 في عام 2016.





LulzBot TAZ 4 ، أعيد تصميمه لدعم الطباعة ذات درجة الحرارة العالية



أولاً ، كان لابد من تصميم جسم معزول ليناسب TAZ 4 ، ويجب تركيب مجموعة من مصابيح الأشعة تحت الحمراء 35 واط للتدفئة. في ظل هذه الظروف ، من الطبيعي أن ترتفع درجة حرارة الأجهزة الإلكترونية للطابعة - لذلك كان عليهم إخراجها إلى الخارج.



سوف ترتفع درجة حرارة المحركات السائر أيضًا. ولكن بدلاً من تنفيذها ، قرر فريق من مركز لانجلي للأبحاث صنع أغطية تبريد على كل محرك من المحركات التي سيدور الهواء المضغوط من خلالها.



مثل العديد من الطابعات ثلاثية الأبعاد لسطح المكتب ، يستخدم TAZ 4 مكونات مطبوعة متعددة. نظرًا لأنها مصنوعة من ABS ، فإنها ستنهار بسرعة في غرفة مصممة لدعم PEEK. تم طباعتها من جهاز الكمبيوتر ، ولكن حتى هذه المادة لم تكن متينة بدرجة كافية للاستخدام المستمر. في التقليد الكلاسيكي RepRap ، طبع الفريق المجموعة الأخيرة والثالثة من المكونات على الطابعة الأكثر تعديلًا ، من بلاستيك PEI ، المسمى تجاريًا Ultem.



والمثير للدهشة أن الفريق لم يواجه مشكلة كبيرة في استبدال فوهة الطابعة بأخرى قادرة على بثق البلاستيك عند 400 درجة مئوية. يكلف الطارد الشهير E3D-v6 أقل من 100 دولار وقد أثبت قدرته على الحفاظ على درجة الحرارة هذه. صحيح ، كان على الفريق استبدال الثرمستور بآخر أفضل ، بالإضافة إلى تعديل برنامج Marlin الثابت للسماح له بالوصول إلى درجات حرارة عالية. مع الطابعات التقليدية ، يجب أن تؤدي درجات الحرارة المرتفعة إلى إيقاف التشغيل.





نتائج الطباعة من البلاستيك Ultem 1010 على LulzBot TAZ 4 المعاد تدويره.



في النهاية ، أشار تقرير ناسا إلى أن إعادة العمل LulzBot TAZ 4 كانت ناجحة تمامًا. وأشاروا إلى أن محاولة طباعة PEI مع إيقاف تشغيل مصابيح الأشعة تحت الحمراء قد فشلت - فقد تم تفكيك النموذج وتشويهه ، وهو أمر متوقع. ومع ذلك ، لم يشروا إلى تكلفة إعادة العمل ، نظرًا لأنه في ذلك الوقت تكلف TAZ 4 2200 دولار ، يمكن أن يكلف المشروع بأكمله 10 مرات أرخص من العروض التجارية المماثلة.

تبدأ من الصفر

أظهرت تجربة ناسا أنه يمكن تحويل طابعة مكتبية ثلاثية الأبعاد موجودة للطباعة باستخدام اللدائن الهندسية عالية الحرارة وبتكلفة زهيدة. لكن لا يكاد أحد يعتقد أن هذا النهج هو الحل الأمثل. هناك الكثير من العمليات المتكررة ، واضطر مهندسو ناسا للتخلي عن بعض القرارات التي اتخذها مطورو LulzBot. ومع ذلك ، قدمت التجربة أساسًا قيمًا لمشاريع أخرى يتم بناؤها من البداية.



في سبتمبر 2020 ، قام فريق من جامعة ميتشيغان التكنولوجية بعرض سيربيروسهي طابعة ثلاثية الأبعاد مفتوحة المصدر ذات درجة حرارة عالية قادرة على إنشاء عناصر من PEI و PEKK ، والتي تكلف 1000 دولار فقط لتجميعها. دون محاولة تكييف التصميمات الحالية ، بدأ الفريق في التطوير من نقطة الصفر بهدف الطباعة بدرجة حرارة عالية. يتم وضع جميع الأجهزة الإلكترونية بشكل منفصل عن الحجرة المغلقة باستخدام عنصر تسخين بالكيلووات يرفع درجة حرارة الغرفة بسرعة إلى درجة حرارة التشغيل.



جميع محركات السائر خارج الكاميرا أيضًا. وبسبب هذا ، تصبح الحركية أكثر تعقيدًا مما هي عليه في طابعات سطح المكتب ثلاثية الأبعاد ، لكن Cerberus لم تعد تتطلب نظام تبريد خاصًا للمحركات.



















يعتبر بناء سيربيروس ميسور التكلفة بالنسبة للهواة الطموح. يحتوي على دوائر مبسطة ، وإلكترونيات تحكم جاهزة على أساس Arduino Mega 2560 و RAMPS 1.4 ، ونفس الطارد E3D-v6 مثل TAZ 4. بالإضافة إلى ذلك ، وضع الفريق تعليمات واضحة ومفصلة لتجميع الطابعة - هذا ليس هو الحال في تقرير ناسا. يجتمع.

توسيع الفرص

سواء كان ذلك إعادة صياغة لـ TAZ 4 التابع لناسا ، أو تصميمات جديدة مثل Cerberus ، فمن الواضح أن الإمكانات التقنية لطباعة PEI و PEEK في ورشة العمل المنزلية متاحة بالفعل لمن هم في أمس الحاجة إليها. في حين أنه ليس سهلاً مثل شراء طابعة ثلاثية الأبعاد بقيمة 200 دولار من أمازون ، إذا نشأ طلب ، فستكون هناك آلات أرخص في السوق بناءً على نفس المبادئ. لا يختلف الوضع كثيرًا عن الموجة الحالية لقواطع الليزر ذات الأسعار المعقولة التي دخلت الأسواق في السنوات القليلة الماضية.





مراوح من جميع أنحاء العالم طباعة معدات الوقاية الشخصية



هل هناك طلب على مثل هذه الآلات؟ قبل عام ، ربما كانت الإجابة مختلفة عما هي عليه اليوم. لكن في سياق مكافحة وباء الفيروس التاجي ، هناك طلب جديد على التصنيع السريع لمعدات الحماية الشخصية (PPE) التي لم يكن أحد يتوقعها.



كما هو موضح في ورقة Cerberus ، أصبح الفريق شغوفًا بتطوير طابعة ثلاثية الأبعاد ذات درجات حرارة عالية وميسورة التكلفة لأنه يمكن استخدامها لطباعة معدات الوقاية الشخصية التي يمكن تعقيمها بدرجات حرارة عالية. يعتقد الفريق أنه يمكن إعادة استخدام الأقنعة المطبوعة من PEKK بدلاً من التخلص منها.



من الواضح أن المكونات التي يمكن طباعتها وتعقيمها عدة مرات لها تطبيقات طبية محتملة أخرى. إن الآلة المحمولة منخفضة التكلفة القادرة على إنتاج مثل هذه المكونات لديها القدرة على إنقاذ الأرواح في أماكن على هذا الكوكب حيث يتعذر الوصول السريع إلى الإمدادات والمعدات.



غالبًا ما قال منتقدو الطباعة ثلاثية الأبعاد إن العيب الرئيسي لهذه الآلات هو أن موثوقية العناصر التي تصنعها نادرًا ما تسمح باستخدامها في أي شيء آخر غير النماذج الأولية الخام. ولكن عندما تبدأ طابعة بقيمة 1000 دولار في إنتاج مكونات من الدرجة الفضائية ، فإننا نتجه نحو ثورة صناعية بوتيرة غير مسبوقة.