پرینتر سه بعدی جدید ده برابر سریع‌تر از نمونه‌های مشابه است

مهندسینMITبه توسعه ی یکپرینتر سه بعدیرومیزی پرداخته اند که ده برابر سریع تر از همتایان تجاری خود است. درحالی که اغلب پرینترها تنها قادر به تولید آجرهایی در اندازه ی لِگو در یک ساعت هستند، طرح جدید می تواند تنها در چند دقیقه آجرهایی با همان اندازه پرینت کند.

کلید عملکرد سریع این پرینتر در هد پرینت فشرده نهفته است که از دو قطعه ی جدید افزایش سرعت استفاده می کند: یک مکانیزم پیچی که موارد پلیمری را از طریق یک دهانه با سرعت بالا می گیرد و یک لیرز تعبیه شده در هد پرینت که به سرعت مواد را گرم و ذوب می کند و جریان سریع تری در دهانه به وجود می آورد.

یک مجموعه از اشیاء و نمونه های تست از جمله یک صندلی کوچک، مدل ساده شده ی ساختمانی در MIT، فریم عینک، یک فنجان مارپیچی و یک دنده ی مارپیچ

این تیم طرح جدید خود را با پرینت اشیاء سه بعدی دستی و دقیق از جمله فریم های کوچک عینک، یک دنده ی اریب و یک نسخه ی کوچک از کلاهک MIT نشان داده است، مدت زمان پرینت هر کدام از آغاز تا پایان تنها چند دقیقه است.آناستاسیوس جان هارت، استادیار مهندسی مکانیک در دانشگاه MIT، می گوید پرینتر جدید پتانسیل پرینت سه بعدی را برای تبدیل شدن به یک روش تولید پایدارتر نشان می دهد.

اگر بتوانم به جای یک ساعت، در ده دقیقه یک قطعه ی اولیه مثل یک قلاب یا دنده یا یک قطعه ی بزرگ تر را مثلا هنگام استراحت ناهار بسازم، می توانم روند مهندسی، ساخت و تست را هم سریع تر کنم. اگر یک تعمیرکار پرینتر سه بعدی داشته باشد، می تواند یک قطعه ی تعمیری را بعد از تشخیص خرابی، به صورت سه بعدی پرینت کند و لازم نیست برای پیدا کردن آن قطعه به انبار برود. من به دنبال کاربردهای دیگر در فوریت های پزشکی و انواع نیازها در بخش های دور افتاده هستم. پرینت سه بعدی سریع، روش های جدید و باارزشی برای کار و فرصت های جدید در بازار فراهم می کند.

هارت و جامیسون (پژوهشگر سابق در آزمایشگاه هارت) نتایج خود را در مجله ی تولید افزوده (Additive Manufacturing) منتشر کرده اند.

جریان کند

در مقاله ی قبل، هارت و گو به شناسایی دلایل اصلی پرداختند که سرعت پرینترهای سه بعدی رایج دسکتاپ را محدود می کند. خروجی این پرینترها، پلاستیکی لایه لایه است که از طریق یک فرآیند صنعتی موسوم به تولیدرشته ی جوش خوردهتولید می شود. هارت می گوید:

هر سال، صدها هزار پرینتر رومیزی که از این فرآیند استفاده می کنند در سراسر جهان به فروش می رسند. یکی از محدودیت های کلیدی برای دوام پرینتر سه بعدی، سرعت پرینت آن است.

هارت و گو قبلا مشخص کردند که پرینتر های سه بعدی رومیزی با نسبت ۲۰ سانتی متر مکعب یا چند آجر لگو در ساعت، پرینت می کنند که از نظر آن ها بسیار کُند است.

تیم به شناسایی سه معیار محدود کننده ی سرعت پرینتر پرداختند: یک پرینتر با چه سرعتی می تواند هد پرینت خود را جابه جا کند؛ یک هد پرینت تا چه اندازه می تواند به یک ماده نیرو وارد کند و آن را به سمت دهانه ببرد؛ با چه سرعتی می تواند ماده را ذوب کند و آن را به شکل روان دربیاورد.

هارت می گوید: <<توجه به عوامل محدود کننده ی این سه متغیر، از ما خواسته شد پرینتری طراحی کنیم که هر سه را در یک سیستم ارتقاء دهد؛ و حالا موفق به ساخت آن شده ایم.>>

به دست گرفتن کنترل

در اغلب پرینترهای سه بعدی، پلاستیک از طریق یک دهانه و یک مکانیزم <<چرخ - گیره>> وارد دهانه می شود که در آن دو چرخ در هد پرینت می چرخند و پلاستیک یا فیلامان را به جلو می رانند. این پرینت در سرعت های پائین هم عملکرد خوبی دارد؛ اما اگر برای افزایش سرعت، نیروی بیشتری وارد شود، چرخ ها در یک نقطه ی مشخص کنترل خود روی ماده را از دست می دهند. به گفته ی هارت این یک نقص مکانیکی است که سرعت هد پرینت را در راندن مواد محدود می کند.

هارت و گو تصمیم گرفتند طرح چرخ گیره ای خود را کنار بگذارند و آن را با یک مکانیزم پیچشی جایگزین کنند که در هد پرینت می چرخد. تیم یک فیلامان پلاستیکی بافت دار را روی پیچ قرار می دهد و با چرخش پیچ، سطح فیلامان بافت دار رنده می شود و با سرعت و نیروی بیشتر وارد دهانه می شود. هارت می گوید:

با استفاده از مکانیزم پیچشی، سطح تماس بیشتری با بافت رشته ای فیلامان داریم. بنابراین می توانیم به ده برابر نیروی محرکه برسیم.

تیم یک جریان لیزری به مکانیزم پیچشی اضافه کرد که فیلامان را قبل از ورود به دهانه حرارت می دهد و ذوب می کند. به این ترتیب پلاستیک در مقایسه با پرینترهای سه بعدی متداول، دقیق تر و سریع تر ذوب می شود؛ زیرا جریان گرما به دیواره های دهانه منتقل می شود و پلاستیک را ذوب می کند.

هارت و گو به این نتیجه رسیدند که با تطبیق توان لیزری و خاموش و روشن کردن سریع آن، می توانند میزان گرما منتقل شده به پلاستیک را کنترل کنند. آن ها لیزر و مکانیزم پیچشی را در یک هد پرینت سفارشی و فشرده با اندازه ی تقریبی یک ماوس کامپیوتر، تعبیه کردند.

یک نمای سه بعدی

پژوهشگرها با پرینتر جدید خود، قطعات پیچیده ای پرینت کردند که هر کدام در مقایسه با پرینترهای معمولی در مدت پنج تا ده دقیقه پرینت شد. با این حال، با یک خطای کوچک در طرح سریع خود روبه رو شدند. پلاستیک به دست آمده با نیرو و دمای بالایی وارد دهانه می شود؛ به طوری که وقتی پرینتر در حال ساختن لایه ی دوم است، لایه ی اول هنوز کاملا سفت نشده است. به گفته ی هارت:

به این نتیجه رسیدیم وقتی یک لایه را تمام می کنیم و به لایه ی بعدی می رویم، لایه ی بعدی هنوز حرارت خود را از دست نداده است. بنابراین باید بلافاصله پس از پرینت لایه ی اول، آن را سرد کنیم تا شکل قطعه حفظ شود.

پژوهشگرها در حال بررسی این چالش طراحی و ریاضیاتی هستند که به واسطه ی آن می توان مسیر هد پرینت را بهینه سازی کرد. همین طور مواد جدید ورودی به پرینتر را آزمایش می کنند. هارت می گوید:

ما علاقه مندیم این روش را برای مواد پیشرفته تر مثل پلیمرهای سخت، مواد کامپوزیت و ... هم اعمال کنیم. روی یک پرینت سه بعدی در مقیاس بزرگ هم کار می کنیم که نه تنها شامل اشیائی در مقیاس رومیزی بلکه شامل سازه های بزرگ تر برای ساخت ابزار یا حتی اثاث و لوازم منزل است. قابلیت پرینت سریع دری به سمت فرصت های هیجان انگیز دیگر باز می کند.