پرينتر سه بعدي جديد ده برابر سريع‌تر از نمونه‌هاي مشابه است

مهندسين MIT به توسعه‌ي يك پرينتر سه بعدي روميزي پرداخته‌اند كه ده برابر سريع‌تر از همتايان تجاري خود است. درحالي‌كه اغلب پرينترها تنها قادر به توليد آجرهايي در اندازه‌ي لِگو در يك ساعت هستند، طرح جديد مي‌تواند تنها در چند دقيقه آجرهايي با همان اندازه پرينت كند.

كليد عملكرد سريع اين پرينتر در هد پرينت فشرده‌ نهفته است كه از دو قطعه‌ي جديد افزايش سرعت استفاده مي‌كند: يك مكانيزم پيچي كه موارد پليمري را از طريق يك دهانه با سرعت بالا مي‌گيرد و يك ليرز تعبيه‌شده در هد پرينت كه به‌سرعت مواد را گرم و ذوب مي‌كند و جريان سريع‌تري در دهانه به وجود مي‌آورد.

يك مجموعه از اشياء و نمونه‌هاي تست از جمله يك صندلي كوچك، مدل ساده‌شده‌ي ساختماني در MIT، فريم عينك، يك فنجان مارپيچي و يك دنده‌ي مارپيچ

اين تيم طرح جديد خود را با پرينت اشياء سه بعدي دستي و دقيق از جمله فريم‌هاي كوچك عينك، يك دنده‌ي اريب و يك نسخه‌ي كوچك از كلاهك MIT نشان داده است، مدت زمان پرينت هر كدام از آغاز تا پايان تنها چند دقيقه است. آناستاسيوس جان هارت، استاديار مهندسي مكانيك در دانشگاه MIT، مي‌گويد پرينتر جديد پتانسيل پرينت سه بعدي را براي تبديل شدن به يك روش توليد پايدارتر نشان مي‌دهد.

 اگر بتوانم به‌جاي يك ساعت، در ده دقيقه يك قطعه‌ي اوليه مثل يك قلاب يا دنده يا يك قطعه‌‌ي بزرگ‌تر را مثلا هنگام استراحت ناهار بسازم، مي‌توانم روند مهندسي، ساخت و تست را هم سريع‌تر كنم. اگر يك تعميركار پرينتر سه‌بعدي داشته باشد، مي‌تواند يك قطعه‌ي تعميري را بعد از تشخيص خرابي، به‌صورت سه‌بعدي پرينت كند و لازم نيست براي پيدا كردن آن قطعه به انبار برود. من به‌دنبال متخصصدهاي ديگر در فوريت‌هاي پزشكي و انواع نيازها در بخش‌هاي دور افتاده هستم. پرينت سه‌بعدي سريع، روش‌هاي جديد و باارزشي براي كار و فرصت‌هاي جديد در بازار فراهم مي‌كند.

هارت و جاميسون (پژوهشگر سابق در آزمايشگاه هارت) نتايج خود را در مجله‌ي توليد افزوده (Additive Manufacturing) منتشر كرده‌اند.

در مقاله‌ي قبل، هارت و گو به شناسايي دلايل اصلي پرداختند كه سرعت پرينترهاي سه‌بعدي رايج دسكتاپ را محدود مي‌كند. خروجي اين پرينترها، پلاستيكي لايه‌لايه است كه از طريق يك فرآيند صنعتي موسوم به توليد رشته‌ي جوش‌خورده توليد مي‌شود. هارت مي‌گويد:

هر سال، صدها هزار پرينتر روميزي كه از اين فرآيند استفاده مي‌كنند در سراسر جهان به فروش مي‌رسند. يكي از محدوديت‌هاي كليدي براي دوام پرينتر سه بعدي، سرعت پرينت آن است.

هارت و گو قبلا مشخص كردند كه پرينتر‌هاي سه‌بعدي روميزي با نسبت ۲۰ سانتي‌متر مكعب يا چند آجر لگو در ساعت، پرينت مي‌كنند كه از انديشه متخصصين آن‌ها بسيار كُند است.

تيم به شناسايي سه معيار محدود‌كننده‌ي سرعت پرينتر پرداختند: يك پرينتر با چه سرعتي مي‌تواند هد پرينت خود را جابه‌جا كند؛ يك هد پرينت تا چه اندازه مي‌تواند به يك ماده نيرو وارد كند و آن را به سمت دهانه ببرد؛ با چه سرعتي مي‌تواند ماده را ذوب كند و آن را به شكل روان دربياورد.

هارت مي‌گويد: «توجه به عوامل محدود‌كننده‌ي اين سه متغير، از ما خواسته‌ شد پرينتري طراحي كنيم كه هر سه را در يك سيستم ارتقاء دهد؛ و حالا موفق به ساخت آن شده‌ايم.»

در اغلب پرينترهاي سه بعدي، پلاستيك از طريق يك دهانه و يك مكانيزم «چرخ – گيره» وارد دهانه مي‌شود كه در آن دو چرخ در هد پرينت مي‌چرخند و پلاستيك يا فيلامان را به جلو مي‌رانند. اين پرينت‌ در سرعت‌هاي پائين هم عملكرد خوبي دارد؛ اما اگر براي افزايش سرعت، نيروي بيشتري وارد شود، چرخ‌ها در يك نقطه‌ي مشخص كنترل خود روي ماده را از دست مي‌دهند. به گفته‌ي هارت اين يك نقص مكانيكي است  كه سرعت هد پرينت را در راندن مواد محدود مي‌كند.

هارت و گو تصميم گرفتند طرح چرخ گيره‌اي خود را كنار بگذارند و آن را با يك مكانيزم پيچشي جايگزين كنند كه در هد پرينت مي‌چرخد. تيم يك فيلامان پلاستيكي بافت‌دار را روي پيچ قرار مي‌دهد و با چرخش پيچ، سطح فيلامان بافت‌دار رنده مي‌شود و با سرعت و نيروي بيشتر وارد دهانه مي‌شود. هارت مي‌گويد:

با استفاده از مكانيزم پيچشي، سطح تماس بيشتري با بافت رشته‌اي فيلامان داريم. بنابراين مي‌توانيم به ده برابر نيروي محركه برسيم.

تيم يك جريان ليزري به مكانيزم پيچشي اضافه كرد كه فيلامان را قبل از ورود به دهانه حرارت مي‌دهد و ذوب مي‌كند. به اين ترتيب پلاستيك در مقايسه با پرينترهاي سه‌بعدي متداول، دقيق‌تر و سريع‌تر ذوب مي‌شود؛ زيرا جريان گرما به ديواره‌هاي دهانه منتقل مي‌شود و پلاستيك را ذوب مي‌كند.

هارت و گو به اين نتيجه رسيدند كه با تطبيق توان ليزري و خاموش و روشن كردن سريع آن، مي‌توانند ميزان گرما منتقل‌شده به پلاستيك را كنترل كنند. آن‌ها ليزر و مكانيزم پيچشي را در يك هد پرينت سفارشي و فشرده با اندازه‌ي تقريبي يك ماوس كامپيوتر، تعبيه كردند.

پژوهشگرها با پرينتر جديد خود، قطعات پيچيده‌اي پرينت كردند كه هر كدام در مقايسه با پرينترهاي معمولي در مدت پنج تا ده دقيقه پرينت شد. با اين حال، با يك خطاي كوچك در طرح سريع خود روبه‌رو شدند. پلاستيك به‌دست‌آمده با نيرو و دماي بالايي وارد دهانه مي‌شود؛ به‌طوري كه وقتي پرينتر در حال ساختن لايه‌ي دوم است، لايه‌ي اول هنوز كاملا سفت نشده است. به‌گفته‌ي هارت:

به اين نتيجه رسيديم وقتي يك لايه را تمام مي‌كنيم و به لايه‌ي بعدي مي‌رويم، لايه‌ي بعدي هنوز حرارت خود را از دست نداده است. بنابراين بايد بلافاصله پس از پرينت لايه‌ي اول، آن را سرد كنيم تا شكل قطعه حفظ شود.

پژوهشگرها در حال مطالعه اين چالش طراحي و رياضياتي هستند كه به واسطه‌ي آن مي‌توان مسير هد پرينت را بهينه‌سازي كرد. همين‌طور مواد جديد ورودي به پرينتر را آزمايش مي‌كنند. هارت مي‌گويد:

ما علاقه‌منديم اين روش را براي مواد پيشرفته‌تر مثل پليمرهاي سخت، مواد كامپوزيت و ... هم اعمال كنيم. روي يك پرينت سه‌بعدي در مقياس بزرگ هم كار مي‌كنيم كه نه‌تنها شامل اشيائي در مقياس روميزي بلكه شامل سازه‌هاي بزرگ‌تر براي ساخت ابزار يا حتي اثاث و لوازم منزل است. قابليت پرينت سريع دري به سمت فرصت‌هاي هيجان‌انگيز ديگر باز مي‌كند.