آشنایی با سیستم‌ حرکتی چاپگرهای سه بعدی

سیستم‌های حرکتی چاپگرهای سه‌بعدی و اهمیت آن‌ها

در قلب چاپگرها Fused Deposition Modeling، مجموعه‌ای از سازوکارهای مکانیکی وجود دارد که نازل یا میز چاپ را در سه محور جابه‌جا می‌کنند. به این سازوکارها سیستم‌های حرکتی چاپگر سه‌بعدی گفته می‌شود. این سیستم‌ها تعیین می‌کنند که نازل با چه دقت، سرعت و الگوهایی حرکت کند تا رشته پلاستیکی ذوب‌شده به‌درستی و لایه‌لایه روی سطح ساخت قرار گیرد.

نوع سیستم حرکتی به‌کاررفته، تأثیر مستقیمی بر کیفیت، سرعت و پایداری چاپ دارد. در ادامه این مقاله، به بررسی دقیق انواع مختلف سیستم‌های حرکتی در چاپگرهای Fused Deposition Modeling خواهیم پرداخت و تفاوت‌های فنی، مزایا و محدودیت‌های هرکدام را تحلیل می‌کنیم.

دسته‌بندی سیستم‌های حرکتی در چاپگرهای سه‌بعدی

دستگاهی با فناوری Fused Deposition Modeling می‌تواند پیکربندی‌های مکانیکی متعددی داشته باشد که امکان حرکت سه‌بعدی نازل نسبت به صفحه‌ی ساخت را فراهم می‌کنند. با این حال، تاکنون هیچ سیستم طبقه‌بندی رسمی برای این پیکربندی‌ها تعریف نشده است؛ موضوعی که سردرگمی ایجاد می‌کند. اغلب وقتی از قیمت پرینتر سه بعدی صحبت می‌شود، اکثر کاربران نیاز به اطلاعات به روز دارند که میتوانند در صفحه مربوطه بدست آورند.

برای ساده‌سازی درک سیستم‌های حرکتی چاپگرهای سه‌بعدی و نحوه‌ی حرکت آن‌ها در محورهای مختلف، از یک دسته‌بندی بر پایه‌ی سیستم مختصاتی و طراحی مکانیکی استفاده خواهیم کرد (مطابق با تصویر موجود).

چاپگرهای دکارتی در برابر چاپگرهای قطبی

نخستین تفاوت مهم میان پیکربندی‌های مختلف این دستگاه‌ها، نوع سیستم مختصاتی مورد استفاده برای موقعیت‌دهی نازل است. رایج‌ترین سیستم، مختصات XYZ یا همان سیستم مختصات دکارتی است که به افتخار ریاضیدان فرانسوی "رنه دکارت" نام‌گذاری شده است. در این دستگاه‌ها، موقعیت نازل با سه مختصه‌ی خطی در محورهای X، Y و Z مشخص می‌شود و اجزای مکانیکی مانند ریل‌ها و موتورها حرکت در این محورها را ممکن می‌سازند.

در مقابل، برخی مدل‌های خاص از سیستم مختصات قطبی (Polar) استفاده می‌کنند که ترکیبی از یک بُعد خطی (شعاع از مرکز) و یک بُعد زاویه‌ای (درجه چرخش) را برای تعیین موقعیت دوبُعدی به‌کار می‌گیرند. بُعد سوم یعنی ارتفاع، مشابه دستگاه‌های دکارتی، از طریق حرکت عمودی نازل تأمین می‌شود.

دستگاه‌های قطبی معمولاً طراحی‌های مکانیکی غیرمتعارف دارند؛ مثلاً ممکن است هم نازل و هم صفحه‌ی چاپ گرد به‌صورت هم‌زمان بچرخند. اگرچه این نوع دستگاه‌ها در مدل‌های رومیزی تجاری رایج نیستند، اما همچنان عملکرد قابل‌قبولی در برخی کاربردهای خاص ارائه می‌دهند.

چاپگرهای خطی؛ ساده‌ترین طراحی با پیچیدگی‌های فراوان

چاپگرهای خطی رایج‌ترین نوع از این دستگاه‌ها محسوب می‌شوند و دربرگیرنده‌ی چندین زیرگونه‌ی متداول و تخصصی هستند. در این طبقه‌بندی، واژه‌ی «خطی» به این معناست که حرکت در هر محور به‌طور مستقل و در راستای مستقیم صورت می‌گیرد. این ساختار معمولاً به طراحی‌هایی با شکل جعبه‌ای یا مکعبی منتهی می‌شود. جالب است بدانید که بیشترین سردرگمی در دنیای فناوری‌های سه‌بعدی دقیقاً از همین نوع خطی آغاز می‌شود. علت آن، تنوع بالای نام‌گذاری و اصطلاحاتی است که در طی سال‌ها برای این دستگاه‌ها به‌کار رفته‌اند. برخی از این نام‌ها چندمعنایی هستند و برخی دیگر نیز در کاربرد هم‌پوشانی دارند. به‌عنوان مثال، اصطلاح «چاپگر دکارتی» غالباً به‌جای تمایز با دستگاه‌های قطبی، به‌صورت کلی برای اشاره به مدل‌های خطی به‌کار می‌رود؛ در حالی‌که بسیاری از دستگاه‌های غیرخطی مانند مدل‌های دلتا یا SCARA نیز از مختصات دکارتی بهره می‌برند.

بنابراین بهتر است به‌جای استفاده‌ی عمومی و گمراه‌کننده از اصطلاح «دکارتی»، آن‌ها را بر اساس مکانیزم حرکتی واقعی‌شان طبقه‌بندی کنیم. در ادامه، سه نوع اصلی از چاپگرهای خطی را بررسی خواهیم کرد: هد XZ، هد XY و سیستم‌های متقاطع (Crossed). سپس نگاهی دقیق‌تر خواهیم داشت به پیکربندی‌های خاص‌تری نظیر CoreXY، H-bot و چاپگرهای تسمه‌ای (Belt Printer).

انواع سیستم حرکتی در چاپگرهای سه‌بعدی فیلامنتی

در دنیای دستگاه‌های فیلامنتی، طراحی مکانیزم حرکتی نقش مهمی در کیفیت ساخت، سرعت عملیات، و پایداری کلی دارد. بسته به نیاز کاربری و ویژگی‌های فنی، این دستگاه‌ها به انواع مختلفی از نظر نحوه حرکت محورها تقسیم می‌شوند. در ادامه، رایج‌ترین سبک‌های سیستم حرکتی در این دستگاه‌ها بررسی شده‌اند:

هد XZ، هد XY و سیستم متقاطع (Crossed)

بیشتر چاپگرهای مستطیلی (Rectilinear) به یکی از سه دسته‌ی اصلی تقسیم می‌شوند: هد XZ، هد XY یا سبک متقاطع (Crossed). این دسته‌بندی بر اساس نحوه حرکت اکسترودر نسبت به محورهای حرکتی تعریف می‌شود. در این طراحی‌ها، اجزای متحرک می‌توانند وزن قابل توجهی داشته باشند. این موضوع در سرعت‌های بالا باعث ایجاد شتاب ناگهانی یا توقف‌های شدید می‌شود که به‌واسطه مقادیر تنظیم‌شده در پارامترهایی مانند jerk و acceleration کنترل می‌گردد. در صورت تنظیم نادرست، این موضوع می‌تواند منجر به انباشت نامناسب در فرایند، یا بروز مشکل در فیلامنت و ساخت لایه‌ها شود. با این وجود، دستگاه‌های سه‌بعدی مجهز به هد XZ یا XY، از ساده‌ترین سیستم‌های حرکتی برخوردارند و به‌همین دلیل در پروژه‌های DIY، مدل‌های خانگی یا نیمه‌حرفه‌ای بسیار محبوب هستند. چاپگرهای کنسولی مانند Prusa Mini+ و Creality Ender 2 Pro نیز نسخه‌ای از هد XZ محسوب می‌شوند که طراحی فریم متفاوتی دارند.

سیستم حرکتی CoreXY، سرعت و دقت در کنار هم

یکی از محبوب‌ترین سیستم‌ها در میان چاپگرهای رده‌بالا و صنعتی، طراحی CoreXY است. در این ساختار، اکسترودر در صفحه XY حرکت می‌کند و محور Z به‌صورت عمودی بالا یا پایین می‌رود. ویژگی مهم این سیستم، حرکت همزمان موتورهای X و Y برای ایجاد مسیرهای مورب است که منجر به سرعت بالا، دقت زیاد و حرکات نرم‌تر می‌شود. چاپگرهای مبتنی بر CoreXY به‌دلیل داشتن اکسترودر ثابت یا سبک، توانایی انجام ساخت سه‌بعدی با سرعت بالا و کیفیت مطلوب را دارند. البته پیچیدگی سیستم پولی و تسمه‌ها، نیاز به تنظیم دقیق و نگهداری منظم را افزایش می‌دهد.

سیستم حرکتی H-Bot چاپگر سه بعدی 

از نظر ظاهری، H-Bot شباهت زیادی به CoreXY دارد اما تفاوت در نحوه سیم‌کشی موتورهای X و Y منجر به رفتار دینامیکی متفاوتی می‌شود. در سیستم H-Bot، بارهای گشتاور ناخواسته ممکن است به بروز لرزش یا ناهمخوانی در خطوط ساخت منجر شود. همین امر باعث شده بسیاری از تولیدکنندگان به‌جای H-Bot از طراحی CoreXY استفاده کنند. با این حال، برخی چاپگرهای خاص و پروژه‌های DIY هنوز هم از H-Bot بهره می‌برند، زیرا طراحی آن ساده‌تر و پیاده‌سازی آن برای برخی کاربردهای سبک مناسب‌تر است.

دستگاه‌های تسمه‌ای (Belt 3D Printers)

دستگاه‌های تسمه‌ای نوعی فناوری نوین و نسبتاً خاص هستند. اصطلاح «تسمه‌ای» به دلیل وجود صفحه ساختی شبیه به تسمه نقاله (conveyor belt) به این دستگاه‌ها اطلاق می‌شود. این ویژگی اصلی‌ترین مزیت آن‌ها محسوب می‌شود، زیرا امکان ساخت قطعات بسیار بلند یا چاپ مکرر بدون نیاز به توقف دستگاه فراهم می‌شود (از نظر تئوری).

معمولاً این دستگاه‌ها یا از نوع CoreXY هستند یا دارای هد XY می‌باشند که چارچوبشان نسبت به صفحه ساخت (تسمه‌ای) کج شده است؛ به همین دلیل سیستم مختصات آن‌ها محور Z «بی‌نهایت» دارد. این طراحی باعث کاهش سرعت کلی چاپ می‌شود و ممکن است قطعات نیاز به ساپورت گذاری اضافی داشته باشند (مانند مدل قرمز Benchy 3D).

از سوی دیگر، محدودیت‌هایی در استفاده از مواد وجود دارد؛ زیرا معمولاً صفحه ساخت گرم نمی‌شود. به همین دلیل، موادی مانند ABS که نیاز به چسبندگی خوب به صفحه دارند، معمولاً مناسب این دستگاه‌ها نیستند.

سیستم حرکتی Delta، مناسب قطعات بلند و پیچیده

چاپگرهای Delta یکی از جالب‌ترین و سریع‌ترین نمونه‌ها در دنیای این دستگاه‌های مبتنی بر فناوری ذوب و تزریق هستند. در این سیستم، سه بازوی محرک که به‌صورت زاویه‌دار بر روی یک دایره قرار گرفته‌اند، نازل را با حرکات هماهنگ در صفحه XYZ هدایت می‌کنند. ویژگی منحصربه‌فرد دلتا، سرعت ساخت بسیار بالا و شتاب حرکتی کم‌نظیر آن است. همچنین ساختار عمودی و بلند این چاپگرها، فضای کاری مناسبی برای قطعات بلند ایجاد می‌کند. با این حال، نیاز به کالیبراسیون دقیق و حساسیت زیاد به عدم‌ترازی، این مدل را برای کاربران تازه‌کار چالش‌برانگیز .می‌کند

سیستم حرکتی SCARA چاپگرهای سه‌بعدی

در سیستم SCARA (Selective Compliance Articulated Robot Arm)، حرکت با استفاده از بازوهای مفصلی انجام می‌شود که نازل را با آزادی حرکتی خاصی در فضا جابه‌جا می‌کنند. این طراحی بیشتر در چاپگرهای خاص یا صنعتی دیده می‌شود و مزیت اصلی آن، امکان ساخت در فضاهای نامتعارف یا اشکال پیچیده است. از آنجا که الگوریتم‌های حرکتی این سیستم پیچیده‌تر هستند، اغلب نیازمند فریم‌ورک نرم‌افزاری خاص و تنظیمات انتخاب  دقیق‌تر می‌باشد.

انواع مکانیزم‌های حرکت خطی در چاپگرهای سه‌بعدی

تا به اینجا می‌دانیم که بدون توجه به نوع دستگاه، سیستم حرکت خطی یکی از مکانیزم‌های حیاتی دستگاه است. اگرچه Hot End در فضای سه‌بعدی حرکت می‌کند، تمام این حرکت‌ها را می‌توان به حرکت خطی در امتداد سه محور تقسیم کرد. رایج‌ترین روش برای ایجاد این حرکت خطی در این دستگاه‌ها، استفاده از موتور است. این موتورها ابتدا انرژی الکتریکی را به حرکت چرخشی تبدیل می‌کنند و سپس با استفاده از مکانیزم‌های مختلف، حرکت چرخشی را به حرکت خطی تبدیل می‌کنند. در ادامه، به سه مکانیزم مهم و اجزای آن‌ها می‌پردازیم تا بهتر با حرکت خطی در محورهای دستگاه آشنا شویم.

موتورهای استپر (Stepper Motors)

موتورهای استپر بیشترین استفاده را به عنوان موتور محرک در دنیای دستگاه‌های سه‌بعدی دارند. این موتورها که از نوع AC بدون برس هستند، به صورت گام‌به‌گام (step) می‌چرخند و کنترل دقیقی روی چرخش خود دارند حتی بدون نیاز به سنسور موقعیت برای بازخورد. این مکانیزم‌ها ساده هستند و در نتیجه هزینه کمتری دارند.

موتورهای استپر بر اساس مشخصاتشان دسته‌بندی می‌شوند و نام‌گذاری آن‌ها توسط انجمن ملی سازندگان الکتریکی آمریکا (NEMA) استاندارد شده است. موتوری که اغلب در دستگاه‌های سه‌بعدی استفاده می‌شود با نام «NEMA» و عددی که اندازه صفحه جلویی (faceplate) آن را نشان می‌دهد، شناخته می‌شود. مثلاً NEMA 17 که بسیار محبوب است، صفحه جلویی با قطر 1.7 اینچ (حدود 43.18 میلی‌متر) دارد.

برای این دستگاه‌ها، گشتاور بین 40 تا 45 نیوتن‌سانتی‌متر کافی است که سطح استاندارد موتورهای استپر محسوب می‌شود. این موتورها تعادلی مناسب بین گشتاور و سرعت ارائه می‌دهند و برای انواع تنظیمات، از دستگاه‌های سنگین خطی گرفته تا دستگاه‌های سریع CoreXY، مناسب هستند.

میله‌های رزوه‌دار (Leadscrews)

یکی دیگر از مکانیزم‌های مهم، میله رزوه‌داری است که به‌طور خاص برای تبدیل حرکت چرخشی به حرکت خطی طراحی شده است. انواع مختلفی از میله‌های رزوه‌دار وجود دارد، اما رایج‌ترین آن‌ها نوع ذوزنقه‌ای (ACME) است.

این میله‌ها به موتورهای استپر توسط کوپلینگ‌های انعطاف‌پذیر متصل می‌شوند که اجازه حرکت جزئی در انتهای شافت‌ها را می‌دهند و از فشار و سایش روی یاتاقان‌ها و موتور جلوگیری می‌کنند. این تنظیم معمولاً برای حرکت عمودی محور Z در  این دستگاه‌ها کاربرد دارد.

شاید بزرگ‌ترین مزیت استفاده از میله‌های رزوه‌دار برای حرکت خطی، نیروی پرقدرت آن‌ها و قابلیت قفل‌شدن خودکار است، یعنی معمولاً اگر دستگاه به‌طور ناگهانی برق خود را از دست بدهد، میله‌ها حرکت نمی‌کنند. به همین دلیل، آن‌ها اغلب برای حرکت دادن صفحه ساخت استفاده می‌شوند. با این حال، استفاده از میله‌های رزوه‌دار برای محورهای X و Y بسیار کم است، زیرا مستعد ایجاد بازی (Backlash) شدید بوده و در نتیجه باعث عدم دقت موقعیت‌یابی می‌شوند و همچنین سرعت حرکت آن‌ها نسبتاً کند است.

تسمه تایمینگ (Timing Belt)

تسمه‌های تایمینگ، تسمه‌های لاستیکی دندانه‌داری هستند که حرکت چرخشی را بین دو قطعه، معمولاً موتور و پولی، انتقال می‌دهند. حرکت خطی زمانی ایجاد می‌شود که یک کِریج (carriage) به تسمه متصل شود و موتور مسئول به حرکت درآوردن کل مجموعه تسمه و پولی باشد. این تسمه‌ها بر اساس نوع پروفیل دندانه‌هایشان شناخته می‌شوند. یک تسمه تایمینگ رایج که در دستگاه‌های سه‌بعدی استفاده می‌شود، دارای پروفیل “Poly Chain GT2” است که معمولاً به‌سادگی “GT2” نامیده می‌شود. پولی موتور باید دندانه‌هایی با همان پروفیل تسمه داشته باشد تا اتصال مجموعه به‌درستی انجام شود. در دستگاه‌های Fused Deposition Modeling، این سیستم اغلب برای حرکت در محورهای X و Y استفاده می‌شود، جایی که تنظیم صحیح کشش تسمه اهمیت بالایی دارد. به همین دلیل، بسیاری از دستگاه‌های سه‌بعدی مکانیزم‌های تنظیم کشش تسمه را به صورت داخلی دارند.

مدل‌های رایج دستگاه‌های چاپ سه‌بعدی

حالا که با انواع مختلف این دستگاه‌ها و سیستم‌های حرکت خطی آن‌ها آشنا شدیم، بیایید با نگاه کردن به چند مدل محبوب، این اصول را در دنیای واقعی بررسی کنیم.

جدول مقایسه انواع دستگاه‌های چاپگر سه‌بعدی

نتیجه‌گیری: انتخاب هوشمندانه با درک سیستم حرکت خطی

درک دقیق از سیستم حرکت خطی چاپگرهای فیلامنتی، می‌تواند تفاوت میان یک تجربه موفق و یک چاپ ناموفق باشد. از محورهای کارتزین کلاسیک گرفته تا مکانیزم‌های CoreXY و سیستم‌های هیبریدی مدرن، هرکدام مزایا و محدودیت‌های خاص خود را دارند که باید بر اساس نیاز و بودجه خود بسنجید. اگر هدف شما ساخت قطعات دقیق، با سرعت مناسب و استهلاک پایین است، توجه به کیفیت ریل‌ها، نوع درایو، نحوه‌ی انتقال نیرو و هماهنگی محورها، یک الزام محسوب می‌شود. بسیاری از خطاهای چاپ یا افت کیفیت، مستقیماً به طراحی یا مونتاژ ضعیف سیستم حرکتی بازمی‌گردد. در نهایت، قبل از خرید یا ارتقاء دستگاه، توصیه می‌شود مدل‌های مختلف این دستگاه‌ها را با توجه به نوع مکانیزم حرکتی آن‌ها بررسی کرده و نیازهای خود را با مشخصات فنی دستگاه تطبیق دهید. آگاهی، اولین قدم برای رسیدن به کیفیت در دنیای ساخت سه‌بعدی است.