پشتیبان در مدل‌سازی سه‌بعدی و راهنمای تشخیص نیاز به ساپورت support

چه زمانی به پشتیبان (Support) در مدل‌سازی سه‌بعدی نیاز داریم؟

به‌طور کلی، زمانی که یک مدل دارای برآمدگی یا پل‌هایی باشد که زیر آن‌ها ساختاری برای نگهداری وجود ندارد، استفاده از پشتیبان ضروری می‌شود تا شکل‌گیری صحیح اجزا تضمین شود. برای درک بهتر این موضوع، معمولاً از حروف Y، H و T به‌عنوان نمونه‌های رایج استفاده می‌شود.

قانون ۴۵ درجه در برآمدگی‌ها و نقش پشتیبان (Support) در مدل‌سازی سه‌بعدی

تمام برآمدگی‌ها به پشتیبان نیاز ندارند. قاعده کلی این است: اگر برآمدگی زاویه‌ای کمتر از ۴۵ درجه نسبت به محور عمودی داشته باشد، معمولاً بدون نیاز به پشتیبان قابل ساخت است.
در فرآیند لایه‌گذاری، هر لایه با جابه‌جایی بسیار جزئی نسبت به لایه پیشین قرار می‌گیرد. به همین دلیل، در برآمدگی‌های ملایم، لایه‌ها بدون افت یا تغییر شکل روی هم قرار می‌گیرند و نیازی به پشتیبان نیست. زاویه ۴۵ درجه به‌عنوان مرز حساس شناخته می‌شود. این را می‌توان با مثال حرف Y بهتر فهمید؛ شاخه‌های بالایی حرف Y زاویه‌ای کمتر از ۴۵ درجه دارند و بدون پشتیبان ساخته می‌شوند. در مقابل، بخش افقی حرف T زاویه‌ای نزدیک به ۹۰ درجه دارد و برای حفظ شکل خود به پشتیبان نیاز خواهد داشت. در نرم‌افزارهای برش‌دهنده (Slicer)، قانون ۴۵ درجه به‌عنوان معیار پیش‌فرض برای تولید خودکار پشتیبان استفاده می‌شود. کاربران حرفه‌ای با تغییر پارامترهایی مانند سرعت لایه‌گذاری یا شدت خنک‌سازی، می‌توانند زاویه قابل‌ساخت بدون پشتیبان را افزایش دهند. برخی سازندگان از پرینتر FDM فیلامنتی ادعا می‌کنند که محصولاتشان می‌توانند برآمدگی‌های بیشتری را بدون پشتیبان ایجاد کنند. این نتیجه معمولاً ناشی از بهینه‌سازی سخت‌افزاری و تنظیمات پیشرفته است، اما یک کاربر باتجربه نیز می‌تواند با دستگاه استاندارد به نتایج مشابه دست یابد.

قانون ۱۰ میلی‌متر در ساخت پل‌ها و اهمیت پشتیبان (Support) در مدل‌سازی سه‌بعدی

مانند برآمدگی‌ها، همه پل‌ها نیز نیازمند پشتیبان نیستند. قاعده کلی می‌گوید: اگر طول یک پل کمتر از ۱۰ میلی‌متر باشد، امکان ساخت آن بدون پشتیبان وجود دارد. در این حالت، دستگاه از تکنیک Bridging استفاده می‌کند؛ یعنی رشته مواد را در یک فاصله کوتاه معلق نگه داشته و بدون افتادگی، اتصال را ایجاد می‌کند. اما در پل‌هایی با طول بیش از ۱۰ میلی‌متر، این روش به‌تنهایی کارساز نیست و احتمال افتادگی وجود دارد. برای جلوگیری از این مشکل، پشتیبان اضافه می‌شود. با این حال، با تغییر پارامترهایی مانند بهبود خنک‌سازی و تنظیم سرعت، می‌توان طول پل‌های قابل ساخت بدون پشتیبان را افزایش داد.

چگونه توانایی دستگاه را برای استفاده از پشتیبان (Support) در مدل‌سازی سه‌بعدی آزمایش کنیم؟

هر دو قانون ۴۵ درجه و ۱۰ میلی‌متر صرفاً به‌عنوان معیارهای کلی در نظر گرفته می‌شوند و نتیجه نهایی به نوع دستگاه، وضعیت مکانیکی آن و جنس ماده مورد استفاده بستگی دارد. دستگاهی با کالیبراسیون ضعیف ممکن است حتی در برآمدگی‌های ۳۵ درجه دچار مشکل شود، در حالی که یک دستگاه تنظیم‌شده به‌خوبی می‌تواند از عهده زوایای بیشتر و پل‌های بلندتر برآید.

• برای سنجش توانایی دستگاه، می‌توان از مدل‌های تست آماده استفاده کرد:
• مدل Massive Overhang Test برای بررسی برآمدگی‌ها با زوایای ۲۰ تا ۷۰ درجه.
• مدل‌های پل‌زنی به شکل صدف برای ارزیابی حداکثر طول پل قابل ساخت.

پس از اجرای این آزمایش‌ها، نتایج را بر اساس کیفیت سطح و دقت ابعادی بررسی کنید و زاویه یا طولی را که از آن به بعد شکل‌گیری دچار مشکل می‌شود، یادداشت نمایید. این داده‌ها به تصمیم‌گیری بهتر در مورد استفاده از پشتیبان در پروژه‌های بعدی کمک می‌کنند.

معایب استفاده از پشتیبان (Support) در مدل‌سازی سه‌بعدی

هندسه ساختارهای پشتیبان (Support) در مدل‌سازی سه‌بعدی

دو نوع رایج از ساپورت وجود دارد:  ساپورت مشبک (Lattice) و ساپورت درختی  (Tree-like)

ساپورت مشبک  (Lattice Support)

ساپورت مشبک که با نام خطی (Linear) نیز شناخته می‌شود، رایج‌ترین نوع ساپورت مورد استفاده در مدلسازی است. این نوع ساپورت از ستون‌های عمودی تشکیل شده که به‌طور کامل با بخش معلق مدل تماس دارند.

این نوع ساپورت گذاری تقریباً برای هر حالت معلق یا پل در مدل مناسب است. با این حال، جدا کردن آن بسیار دشوارتر است و احتمال آسیب رساندن به سطح مدل نیز بیشتر است.

ساپورت درختی  (Tree-like Support)

ساپورت درختی، ساختاری شبیه به درخت است که از قسمت های معلق مدل پشتیبانی می‌کند. این نوع ساپورت تنها در نقاط مشخصی با بخش معلق تماس دارد.

مزیت استفاده از ساپورت درختی در مدلسازی این است که جداسازی آن‌ها آسان‌تر است و آسیب کمتری به قسمت زیرین مدل وارد می‌کند. اما توجه داشته باشید که این نوع ساپورت گذاری تنها برای قسمت های معلق غیرمسطح مانند نوک بینی، نوک انگشت یا قوس‌ها مناسب است که معمولاً در مدل‌های ارگانیک دیده می‌شوند. این نوع ساپورت برای قسمت های معلق تخت پایداری کافی ندارد.

انواع پشتیبان (Support) در مدل‌سازی سه‌بعدی بر اساس سهولت جداسازی

انواع پشتیبان در مدل‌سازی سه‌بعدی بر اساس سهولت جداسازی متفاوت هستند. برخی پشتیبان‌ها به‌راحتی شکسته یا جدا می‌شوند، در حالی که پشتیبان‌های محلول در مایع، امکان حذف آسان‌تر و بدون آسیب به مدل را فراهم می‌کنند.

پشتیبان (Support) قابل شکستن

پشتیبان (Support) قابل شکستن در دستگاه هایی که تنها یک اکسترودر دارند، به‌طور پیش‌فرض استفاده می شود. وقتی چاپگر فقط یک اکسترودر دارد، باید از همان ماده‌ای که مدل را با آن چاپ می‌کنید برای ساخت Support نیز استفاده شود. شما می‌توانید تراکم ساپورت را به دلخواه کاهش دهید تا از تراکم مدل کمتر باشد، اما تنها کنترل شما در این حالت، میزان تراکم آن است.

از آنجا که مدل و ساپورت از یک ماده ساخته شده‌اند، تنها راه جدا کردن آن‌ها یا شکستن دستی ساپورت است، یا بریدن آن با دقت با استفاده از چاقو یا ابزار برش. این روش‌های جداسازی، خطر آسیب زدن به مدل را افزایش می‌دهند و برای انجام آن باید با دقت و مهارت بالا عمل کرد و کاملاً مراقب بود تا به سطح یا اجزای مدل آسیبی وارد نشود.

پشتیبان (Support) محلول در مایع

اگر دستگاه شما دارای دو اکسترودر باشد، گزینه بهتری پیش روی شماست. می‌توانید یکی از اکسترودرها را با فیلامنت PLA برای ساخت مدل بارگذاری کنید و اکسترودر دیگر را با ماده‌ای محلول در آب مانند PVA یا ماده‌ای محلول در لیمونن مانند HIPS برای چاپ پشتیبان (Support) بارگذاری کنید.

پس از اتمام چاپ، تنها کافی است مدل را در آب یا محلول لیمونن غوطه‌ور کنید تا ساپورت ها حل شوند و از بین بروند. این روش جدا‌سازی، خطر آسیب دیدن مدل را کاهش می‌دهد و کار پس از پرینت را بسیار آسان‌تر می‌کند، بنابراین برای پروژه های پیچیده ایده‌آل است.

چگونه پشتیبان (Support) قابل شکستن را جدا کنیم؟

از آنجایی که جدا کردن پشتیبان (Support) قابل شکستن سخت است و می‌تواند به مدل آسیب بزند، در ادامه چند روش آزمایش‌شده برای جداسازی صحیح آن‌ها آورده شده است:

1. ابتدا پشتیبان (Support) را که به‌طور کامل در معرض دید هستند و به راحتی با انگشت قابل دسترسی‌اند، شناسایی کنید.تلاش کنید آن‌ها را با انگشت جدا کنید. با ملایمت این کار را انجام دهید. اگر درست پیش بروید، بیشتر پشتیبان (Support) باید به‌راحتی جدا شوند.
2. برای قسمت‌هایی که دسترسی سخت‌تری دارند، از ابزار استفاده کنید. ابزارهای مختلفی برای این کار پیشنهاد شده‌اند. می‌توانید از انبردست نوک‌باریک، کاردک یا ابزار شبیه به چاقوی بتونه‌کاری استفاده کنید. حتی می‌توانید ترکیبی از این ابزارها را به کار بگیرید.
3. در صورت استفاده از چاقو یا کاردک، بهتر است مدل یا تیغه را کمی گرم کنید. این کار باعث می‌شود پشتیبان (Support) راحت‌تر بریده شوند. استفاده از یک مشعل کوچک (مانند مشعل بوتان) مفید است، اما مراقب باشید به مدل آسیب نزنید.
4. از سنباده نیز می‌توان برای پاکسازی استفاده کرد. سنباده‌کاری به روش مرطوب با استفاده از سنباده‌هایی با زبری بالا (بین 220 تا 1200) می‌تواند برجستگی‌های باقی‌مانده پس از جداسازی را حذف کرده و سطح مدل را صیقلی کند. برای بهترین نتیجه، مقداری آب روی قطعه بریزید و با حرکات ملایم و یکنواخت سنباده‌کاری کنید تا به کیفیت سطح دلخواه برسید.
5. مدل‌های چاپ شده با Polylactic Acid ممکن است هنگام جداسازی پشتیبان (Support) دچار ترک، خط و خش یا لکه شوند. لاک ناخن بی‌رنگ ابزار خوبی برای پر کردن یا پوشاندن این عیوب است.
6. اگر تغییر رنگ رخ دهد، می‌توانید با دقت از سشوار صنعتی یا ابزار گرم‌کن برای بازگرداندن رنگ اصلی استفاده کنید.

کاهش استفاده از پشتیبان (Support) در مدل‌سازی سه‌بعدی از طریق طراحی

برای کاهش نیاز به پشتیبان (Support) در مدل‌سازی سه‌بعدی، می‌توان با ادغام ساختارهای حمایتی در طراحی مدل، استفاده از پخ‌زنی و تغییر جهت قرارگیری مدل، از به‌کارگیری پشتیبان‌ها کاست. همچنین، کالیبراسیون دقیق دستگاه و بهینه‌سازی شرایط ساخت مانند خنک‌سازی سریع و کاهش سرعت لایه‌گذاری، باعث می‌شود پل‌ها و برآمدگی‌ها بدون نیاز به پشتیبان پایدار باقی بماند.

ادغام پشتیبان‌ها در خود مدل

یکی از موثرترین روش‌ها برای کاهش نیاز به پشتیبان (Support) در مدل‌سازی سه‌بعدی، طراحی عناصری در مدل است که بتوانند نقش پشتیبان را ایفا کنند. این تکنیک، سابقه‌ای طولانی در هنر مجسمه‌سازی دارد. برای نمونه، مجسمه «ونوس پیروزمند (Venus Vitrix)» اثر آنتونیو کانووا، نشان‌دهنده استفاده هوشمندانه از اجزایی است که به‌عنوان پشتیبان عمل می‌کنند. بازوی راست معلق توسط بالش‌هایی پشتیبانی شده و پای چپ به وسیله چین‌وچروک‌های لباس حفظ می‌شود.

در طراحی مدل‌های سه‌بعدی، ادغام ساختارهای پشتیبانی در قالب خود مدل باعث کاهش چشمگیر استفاده از پشتیبان (Support) در مدل‌سازی سه‌بعدی می‌شود. نمونه دیگری از این روش را می‌توان در مدل «نگهبان (The Guardian)» مشاهده کرد، جایی که پاها، نشیمنگاه و نیزه به‌عنوان تکیه‌گاه‌های پشتیبان عمل می‌کنند. این تکنیک، علاوه بر حفظ زیبایی‌شناسی، باعث کاهش هزینه، زمان و نیروی کار مرتبط با استفاده از پشتیبان می‌شود.

استفاده از پخ‌زنی (Chamfer) برای کاهش پشتیبان

استفاده از پخ‌زنی یکی دیگر از روش‌های کاربردی برای کاهش نیاز به پشتیبان در مدل‌سازی سه‌بعدی است. با تبدیل قسمت‌های معلق و مشکل‌ساز به برآمدگی‌هایی با زاویه کمتر از ۴۵ درجه، امکان حذف پشتیبان‌ها فراهم می‌شود. به‌عنوان مثال، شیب دادن لبه‌ها یا تبدیل حفره‌ها به شکل اشکی باعث می‌شود که بخش‌های معلق بدون نیاز به پشتیبان (Support) در مدل‌سازی سه‌بعدی به‌خوبی پایدار بمانند.

کاهش پشتیبان‌ها با تغییر جهت مدل

یکی از ساده‌ترین و موثرترین روش‌ها برای کاهش استفاده از پشتیبان در مدل‌سازی سه‌بعدی، تغییر جهت قرارگیری مدل روی صفحه ساخت است. به‌عنوان مثال، قرار دادن یک جعبه باز به‌گونه‌ای که سطح باز آن رو به بالا باشد، نیاز به پشتیبان را به حداقل می‌رساند.

در مدل‌های پیچیده‌تر مانند فیگورهای انسانی، چرخش ۴۵ درجه‌ای مدل باعث می‌شود که تنها بخش پایه نیاز به پشتیبان داشته باشد و قسمت‌های حساس و ظریف مدل بدون استفاده از پشتیبان ساخته شوند. این روش به کاهش آسیب‌های احتمالی و لکه‌های ناشی از جدا کردن پشتیبان کمک می‌کند.

نکات مهم برای جاپ پل‌ها و برآمدگی‌های بدون نیاز به پشتیبان

برای کاهش وابستگی به پشتیبان (Support) در مدل‌سازی سه‌بعدی رعایت نکات زیر ضروری است:

• اطمینان از کالیبراسیون دقیق دستگاه برای ساخت پل‌ها و برآمدگی‌های پایدار

• استفاده از خنک‌کننده قوی و کاهش دمای ساخت به منظور تسریع فرایند خنک شدن مواد

• کاهش سرعت ساخت به ویژه در پل‌های بلند و برآمدگی‌های دشوار

• به‌کارگیری کم‌ترین ضخامت لایه برای بهبود کیفیت و افزایش سرعت خنک شدن مواد

با رعایت این نکات، می‌توانید میزان استفاده از پشتیبان‌ها را کاهش داده و کیفیت مدل‌های سه‌بعدی خود را بهبود بخشید.

نتیجه‌گیری:

کاهش استفاده از پشتیبان (Support) در مدل‌سازی سه‌بعدی یکی از کلیدهای بهینه‌سازی فرآیند ساخت و افزایش کیفیت نهایی مدل‌ها است. با بهره‌گیری از طراحی هوشمندانه مانند ادغام ساختارهای پشتیبان در مدل، استفاده از پخ‌زنی و تغییر جهت قرارگیری مدل، می‌توان نیاز به پشتیبان‌ها را به حداقل رساند. همچنین تنظیم دقیق دستگاه و بهینه‌سازی شرایط ساخت مانند خنک‌سازی مناسب و کاهش سرعت، نقش مهمی در پایدارسازی پل‌ها و برآمدگی‌ها بدون نیاز به پشتیبان ایفا می‌کند. رعایت این نکات علاوه بر صرفه‌جویی در زمان و هزینه، باعث کاهش آسیب‌های ناشی از جداسازی پشتیبان و بهبود ظاهر نهایی مدل‌های سه‌بعدی خواهد شد. بنابراین، توجه ویژه به طراحی و فرآیند ساخت، به شما کمک می‌کند تا مدل‌هایی با کیفیت بالاتر و کارآمدتر تولید کنید.