پیش‌نویس:سرعت پرینت سه بعدی

سرعت پرینت سه بعدی مقدار مواد تولید شده را در یک بازه زمانی معین اندازه گیری می کند ( ${\text{amount}}/{\text{time}}$ )، که در آن واحد زمان بر حسب ثانیه اندازه گیری می شود، و واحد مواد ساخته شده معمولاً بسته به نوع تکنیک ساخت افزودنی، در واحدهای کیلوگرم، میلی متر یا سانتی متر ^مکعب اندازه گیری می شود.

جدول زیر سرعت‌های فناوری‌های چاپ سه بعدی رایج در بازار را با هم مقایسه می‌کند.

فن آوری	سرعت معمولی	حداکثر سرعت (ادعا شده)
DLP/ SLA	20-36 میلی متر در ساعت.	720 میلی‌متر بر ثانیه
FDM	50-150 میلی متر در ساعت	500 میلی‌متر بر ثانیه
SLS	48 میلی‌متر بر ثانیه	60 میلی متر بر ثانیه
چند جت فیوژن	2800 سانتی‌متر در ساعت تا 4000 سانتی‌متر بر ساعت	4500 سانتی متر 3 در ساعت

درست است، سرعت چاپ سه بعدی فقط به مرحله ساخت، یعنی زیرمجموعه‌ای از کل فرآیند چاپ سه بعدی اشاره دارد. با این حال، کل فرآیند از مراحل پیش پردازش تا پس پردازش را شامل می‌شود [۱]. زمان لازم برای چاپ یک قطعه کامل از یک فایل داده (.stl یا .obj) با مجموع زمان مراحل زیر محاسبه می شود:

1. مرحله پیش پردازش ، که فرآیند آماده سازی قطعه و چاپگر را در بر می گیرد. این قبل از شروع چاپ واقعی لازم است. به عنوان مجموع زمان مورد نیاز برای فرآیندهای زیر محاسبه می شود:
   • تعیین موقعیت و جهت بخشی برای چاپ
   • وارد کردن پارامترها (به عنوان مثال ضخامت لایه، نوع ماده) در نرم افزار چاپگر
   • تولید ساختار پشتیبانی
   • تولید برش (برش)
   • تولید طرح مسیر ابزار توسط نرم افزار
   • گرم کردن و بارگیری پشتیبانی و مصالح ساختمانی
   • تنظیم محورهای xy و z
   • تشخیص، تمیز کردن یا آزمایش اضافی
2. مرحله ساخت ، که زمان واقعی چاپ پس از انتقال داده های آماده شده به چاپگر برای ساخت است. می توان آن را مجموع دوره های زیر در نظر گرفت:
   • زمان ساخت، زمانی که قطعه و مواد پشتیبانی در حال ساخت هستند
   • زمان بیکاری، زمان غیرمولد مانند حرکت محور z، زمان خنک کننده، تراز کردن، حرکت غیر تولیدی هد چاپگر
3. مرحله پس از پردازش ، که مرحله نهایی است، در حال انجام پس از ساخت قطعه است. این شامل فرآیندهای زیر است:
   • برداشتن ساپورت ها
   • پالایش سطح برای به دست آوردن کیفیت سطح مطلوب

سرعت دادن

فن آوری های تولید افزودنی معمولاً متضمن یک مبادله بین سرعت و کیفیت چاپ است. بهبود در سرعت کل فرآیند پرینت سه بعدی را می توان در دو دسته زیر دسته بندی کرد.

بهبودهای نرم افزاری

از آنجایی که فرآیند چاپ واقعی تحت تأثیر مستقیم نحوه اسلایس شدن، جهت گیری و پر شدن مدل قرار می گیرد، بهینه سازی آنها منجر به زمان چاپ کوتاهتر می شود.

جهت گیری بهینه تغییر جهت یک قطعه را می توان از طریق فایل STL یا در مدل CAD انجام داد. تعیین جهت گیری قطعه بهینه یک راه حل نرم افزاری رایج برای تمام فرآیندهای تولید افزودنی است. این می تواند منجر به بهبود قابل توجهی در بسیاری از عوامل کلیدی شود که بر زمان کل چاپ تأثیر می گذارد. عوامل زیر به شدت به جهت گیری قطعه بستگی دارد:

• ارتفاع قطعه در جهت ساخت. سرعت ساخت در جهت z کندتر از جهت های x-y است. با به حداقل رساندن ارتفاع، تعداد لایه ها کاهش می یابد. بنابراین، زمان ساخت و زمان بیکاری هر دو کاهش می یابد.
• حجم کل مواد پشتیبانی و کل سطح تماس قطعه با ساختار پشتیبانی. هرچه از مواد پشتیبان کمتری استفاده شود، زمان ساخت و زمان نهایی برداشتن مواد پشتیبان سریعتر خواهد بود. با به حداقل رساندن حجم مواد پشتیبان، مواد کمتری رسوب می کند، بنابراین به طور کلی، زمان ساخت کاهش می یابد. این عامل بر فرآیندهایی که از سازه های پشتیبانی خارجی مانند SLA، FDM استفاده می کنند، تأثیر می گذارد.
• کیفیت کل سطح جهت یک قسمت تعیین می کند که چه چهره هایی تحت تأثیر پلکان قرار می گیرند - یک مصنوع از لایه بندی. با به حداکثر رساندن کیفیت سطح، زمان لازم برای تکمیل سطح تا تلرانس مورد نظر کاهش می یابد.

برش یکنواخت و تطبیقی

برش تطبیقی عیب ناشی از اثر پلکانی را می توان با استفاده از چندین معیار اندازه گیری کرد که همگی به اختلاف بین سطح مدل و سطح چاپ شده واقعی اشاره دارند. با محاسبه تطبیقی توزیع ارتفاع لایه ها، می توان این خطا را به حداقل رساند: کیفیت سطح افزایش می یابد در حالی که زمان پس پردازش کاهش می یابد.

مزایای برش تطبیقی به نسبت نسبت سطح به حجم قطعه بستگی دارد. محاسبه کارآمد لایه های تطبیقی با تجزیه و تحلیل سطح مدل در ارتفاع لایه کامل امکان پذیر است. چندین پیاده سازی به عنوان یک نرم افزار منبع باز در دسترس هستند.

پیشرفت های سخت افزاری

افزایش سرعت چاپ از طریق سخت افزار می تواند به اشکال زیر باشد که بسیاری از آنها توسط شرکت های برجسته چاپ سه بعدی استفاده می شود.

• هدهای چاپ اصلاح شده: استفاده از انواع مختلف هدهای چاپی برای فرآیندهای مختلف چاپ. به عنوان مثال، داشتن یک تغذیه کننده چاقویی اضافی برای جلوگیری از لغزش رشته .
• دما: شامل یک لیزر اضافی برای ذوب شدن فیلامنت قبل از رفتن به اکسترودر. این کار از گرم شدن غیر ضروری هد جلوگیری می کند و در نتیجه زمان خنک شدن هد چاپ را کاهش می دهد.
• به حداقل رساندن نیروی چسبندگی در لایه مرده فناوری های مبتنی بر پروژکتور نور دیجیتال.
• فن آوری چاپ ژل، که یک ماده ژل را که فوراً توسط خشک شدن UV-LED سخت شده را بیرون می دهد
• افزودن هدهای چاپ بیشتر که با استفاده از برنامه ریزی مسیر برای افزایش سرعت چاپ به صورت مشترک انجام می شود.
• استفاده از انواع خاصی از مواد برای فناوری های خاص تولید.

چالش ها

بسته به فناوری مورد استفاده، چالش هایی وجود دارد که می تواند سرعت چاپ سه بعدی را محدود کند:

• بهینه سازی شکل از آنجایی که فضای داخلی یک محصول را می توان با استفاده از ساختارهای مختلف پر کرد، بهینه سازی طراحی از طریق ساخت افزودنی ضروری است. یافتن بهترین راه برای پر کردن فضای داخلی محصول با توجه به محدودیت‌های خاص، یک مشکل چالش برانگیز است.
• جهت بخشی از لحاظ نظری، بی نهایت جهت گیری وجود دارد. بسته به هدف قطعه، ممکن است هنگام تلاش برای بهینه سازی چندین معیار به طور همزمان، جهت گیری بهینه وجود نداشته باشد.
• برش دادن. دو چالش اصلی با برش، اثر راه پله و مشکل مهار است.
• برنامه ریزی مسیر ابزار از آنجایی که سرعت ابزار چاپ می تواند اندازه لایه را تغییر دهد، خواص فیزیکی و مکانیکی فرآیند باید در برنامه ریزی مسیر ابزار در نظر گرفته شود.
• پس پردازش. مواد نگهدارنده برداشته شده همچنان می‌توانند بریده‌ها یا بقایایی باقی بگذارند که می‌توان با استفاده از روش‌های دیگر مانند سنباده‌زنی قطعه با دست، انفجار مهره‌ها، ماشین‌کاری سنتی یا تکمیل استون پرداخت.
• مشکلات سخت افزاری و نگهداری پس از چاپ یک قطعه، روش‌های پاکسازی معمولی لازم است تا اطمینان حاصل شود که عملیات با همان کیفیت ادامه می‌یابد. بسته به نوع ماده مورد استفاده، پارامترهای لیزر باید تنظیم شوند تا از پخت بیش از حد یا پخت غیر ضروری جلوگیری شود.
• روش های چاپ هر روش چاپ مزایا و معایب خاص خود را دارد. به عنوان مثال، روش های مبتنی بر DLP مزیت تولید کل لایه را به یکباره دارند. با این حال، زمان بیکاری DLP به دلیل نیروی چسبندگی طولانی تر است. روش مبتنی بر SLA از دو یا چند لیزر استفاده می‌کند که در نقاط خاصی برای پخت مواد متقاطع می‌شوند - پخت نقطه به نقطه - با این حال، چالش‌هایی را هم در برنامه‌ریزی و هم در اجرا ایجاد می‌کند. روش های بدون لایه برنامه ریزی مسیر پیچیده تری دارند.

پژوهش

1. مواد همگن 2. میدان اولتراسوند ساخت یافته اعمال می شود 3. نور ماوراء بنفش برای بهبود شکل حاصل از مرحله قبل اعمال می شود

ساخت آکوستیک

ویژگی های جالب امواج صوتی، دانشمندان را به استفاده از آن در تولید مواد افزودنی ترغیب کرده است. امواج صوتی می توانند میدان های فشاری را تشکیل دهند که مواد را به شکل دلخواه در یک راه اندازی بدون تماس شکل می دهند. این واقعیت که می توان آن را در یک منطقه بزرگ به طور همزمان اعمال کرد، آن را کاندید خوبی برای ساخت سریع می کند.

این فرآیند با طراحی یک هولوگرام آکوستیک شروع می شود. هولوگرام آکوستیک ماسکی است که میدان صوتی را برای تشکیل الگوی مورد نظر هدایت می کند. می توان آن را در یک ساخت افزودنی همراه با روش های اچینگ و نانوایمپرنت ساخت. این فرآیند با قرار دادن ذرات لاستیک سیلیکونی در یک محیط مایع با عوامل شروع کننده عکس دنبال می شود. سپس از ماسک آکوستیک برای تولید میدان صوتی فشار مورد نظر استفاده می شود تا ذره در ترتیب صحیح قرار گیرد. مرحله بعدی استفاده از نور UV برای جامد شدن محصول نهایی است.

تولید افزودنی پیوسته سریع با الگوبرداری مهاری

فرآیندهای SLA بهبود یافته

سرعت فرآیندهای SLA توسط:

• چسبندگی مواد پخته شده به پنجره پروجکشن
• اختلال در سطح رزین

تولید سریع افزودنی پیوسته با الگوبرداری مهاری

با توجه به اثرات ذکر شده سرعت چاپ با روش های SLA به چند میلی متر تا چند سانتی متر در ساعت محدود می شود. برای رفع این مشکل از سیستمی متشکل از دو منبع نور استفاده می شود، یکی برای پلیمریزاسیون و دیگری برای مهار پلیمریزاسیون برای جلوگیری از چسبندگی و در نتیجه چاپ سریعتر. این روش به ما این امکان را می دهد که سرعت فرآیند را تا 200 سانتی متر در ساعت افزایش دهیم. علاوه بر این، با کنترل شدت هر پیکسل در تنظیم، می توان الگوی توپوگرافی را در یک نوردهی بدون ترجمه مرحله ای ایجاد کرد. مخلوطی از آغازگر عکس و بازدارنده عکس در راه اندازی استفاده می شود. طیف جذبی دو ماده متعامد است و این اجازه می دهد تا فرآیند را با دو منبع نور متعامد کنترل کنید. همانطور که مواد لایه به لایه تولید می شوند، سینی به تدریج بلند می شود و بازدارنده های عکس اجازه نمی دهند نزدیک پنجره بچسبند.

پرینت سه بعدی سریع، با حجم زیاد، با کنترل حرارتی، با استفاده از رابط مایع سیار

راه دیگر برای رفع مشکل چسبندگی ایجاد یک لایه مرده است که فرآیند پخت را ممنوع می کند. یک روش برای ایجاد این لایه مرده استفاده از جریان روغن فلوئوردار است. این مایع omniphobic است به این معنی که همه مواد را دفع می کند و به چیزی نمی چسبد. دلیل استفاده از جریان به جای لایه ایستا، ایجاد نیروی بیشتر در برابر نیروی چسبندگی و همچنین کمک به خنک شدن لایه پخت شده است (سخت شدن باعث تولید گرما می شود).

پرینت سه بعدی سریع با ادغام بلوک های ساختمانی کیت ساخت و ساز

تقسیم یک شی به بلوک‌های کوچکتر (مثلاً قطعات لگو ) قبل از چاپ، می‌تواند منجر به افزایش سرعت 2.44 برابری نسبت به روش چاپ معمولی شود. علاوه بر این، هنگامی که برای یافتن طرح بهینه، شی نیاز به تکرار دارد، چاپ مجدد کل شیء بارها و بارها کارآمد نیست: یک راه حل این است که ساختار ثابت اصلی را فقط یک بار چاپ کنید و فقط قطعات کوچک در حال تغییر را با وضوح بالا دوباره چاپ کنید. این قطعات کوچکتر بر روی سازه اصلی نصب می شوند.

جستار های وابسته

• 3D manufacturing format

• پرینت 3 بعدی

• نمونه سازی سریع
• لیست نرم افزار های پرینت 3 بعدی

منابع

1. "How to Make Resin 3D Printing 8x Faster and 9x More Precise". Zortrax. 2018-09-21. Retrieved 2020-02-05.
2. Armando (2019-08-14). "5 Fastest 3D Printers - High Speed 3D Printing (Feb. 2020)". AllThat3D. Retrieved 2020-02-05.
3. "3D Printing Speed : How long does 3d Printing take". Sculpteo. Retrieved 2020-02-05.
4. Flynt, Joseph (April 10, 2019). "Fastest 3D Printers in 2019". 3dinsider.
5. Oropallo, William; Piegl, Les A. (2015-06-12). "Ten challenges in 3D printing". Engineering with Computers. 32 (1): 135–148. doi:10.1007/s00366-015-0407-0. ISSN 0177-0667. S2CID 7264133.
6. Alexander, Paul; Allen, Seth; Dutta, Debasish (1998-04-01). "Part orientation and build cost determination in layered manufacturing". Computer-Aided Design. 30 (5): 343–356. doi:10.1016/s0010-4485(97)00083-3. ISSN 0010-4485.
7. Wasserfall, Florens; Hendrich, Norman; Zhang, Jianwei (2017-08-20). "Adaptive slicing for the FDM process revisited". 2017 13th IEEE Conference on Automation Science and Engineering (CASE). IEEE. pp. 49–54. doi:10.1109/coase.2017.8256074. ISBN 978-1-5090-6781-7. S2CID 1784826.
8. Walker, David A.; Hedrick, James L.; Mirkin, Chad A. (2019-10-18). "Rapid, large-volume, thermally controlled 3D printing using a mobile liquid interface". Science. 366 (6463): 360–364. Bibcode:2019Sci...366..360W. doi:10.1126/science.aax1562. ISSN 0036-8075. PMC 6933944. PMID 31624211.
9. Go, Jamison; Hart, A. John (2017-12-01). "Fast Desktop-Scale Extrusion Additive Manufacturing". Additive Manufacturing. 18: 276–284. arXiv:1709.05918. doi:10.1016/j.addma.2017.10.016. hdl:1721.1/128535. ISSN 2214-8604. S2CID 115574095.
10. Melde, Kai; Choi, Eunjin; Wu, Zhiguang; Palagi, Stefano; Qiu, Tian; Fischer, Peer (2018). "Acoustic Fabrication via the Assembly and Fusion of Particles". Advanced Materials. 30 (3): 1704507. Bibcode:2018AdM....3004507M. doi:10.1002/adma.201704507. ISSN 1521-4095. PMID 29205522. S2CID 36229060.
11. de Beer, Martin P.; van der Laan, Harry L.; Cole, Megan A.; Whelan, Riley J.; Burns, Mark A.; Scott, Timothy F. (January 2019). "Rapid, continuous additive manufacturing by volumetric polymerization inhibition patterning". Science Advances. 5 (1): eaau8723. Bibcode:2019SciA....5.8723D. doi:10.1126/sciadv.aau8723. ISSN 2375-2548. PMC 6357759. PMID 30746465.
12. Mueller, Stefanie; Mohr, Tobias; Guenther, Kerstin; Frohnhofen, Johannes; Baudisch, Patrick (2014). "FaBrickation". Proceedings of the SIGCHI Conference on Human Factors in Computing Systems. Chi '14. Toronto, Ontario, Canada: ACM Press. pp. 3827–3834. doi:10.1145/2556288.2557005. ISBN 978-1-4503-2473-1. S2CID 6772574.