مرحله دوم در فرآیند چاپ سه بعدی، به‌عنوان بخش عملی و اجرایی این فناوری شناخته می‌شود؛ جایی که مدل دیجیتال و یا سه بعدی آماده ‌شده در مرحله قبل، به یک نمونه فیزیکی واقعی تبدیل می‌گردد. در این مرحله، کاربر با استفاده از پرینتر سه ‌بعدی، مدل را به ‌صورت لایه به ‌لایه و با استفاده از مواد اولیه مورد نظر، به‌صورت فیزیکی تولید می‌کند. این فرآیند شامل سه بخش اساسی شامل انتخاب ماده مصرفی مناسب (مانند فیلامنت یا رزین بر اساس نوع پرینتر سه بعدی و نیاز کاربردی)، آماده‌سازی فایل قابل چاپ (فایل زبان ماشین) از طریق یکی از نرم‌افزارهای اسلایسر (Slicer)، و در نهایت آماده سازی دستگاه پرینتر سه بعدی و اجرای پروسه چاپ است که همگی در کیفیت نهایی محصول تاثیرگذار هستند. این مراحل بسته به نوع چاپگر مورد استفاده (چاپگرهای فیلامنتی (FDM/FFF) و چاپگرهای رزینی (LCD/DLP/SLA) تفاوت‌هایی در جزئیات اجرایی دارند که در ادامه به‌صورت دقیق‌تر مورد بررسی قرار می‌گیرند.

1- انتخاب ماده مصرفی (فیلامنت یا رزین)

یکی از مهم‌ترین مراحل در فرآیند چاپ سه بعدی، انتخاب صحیح ماده مصرفی است، انتخاب مواد مصرفی تاثیر مستقیم بر کیفیت نهایی چاپ، استحکام و دوام قطعه تولید شده در شرایط محیطی و همچنین سهولت چاپ تأثیر می‌گذارد. توجه داشته باشید که نوع ماده مصرفی که استفاده می‌شود باید متناسب با نوع پرینتر سه بعدی و کاربرد مورد نظر باشد.

در چاپگرهای سه بعدی فیلامنتی مانند پرینتر سه بعدی Elegoo Centauri Carbon، ماده اولیه به ‌صورت رشته‌های نازک پلاستیکی (فیلامنت) ارائه می‌شود که در حین پروسه چاپ ذوب شده و به صورت لایه به ‌لایه روی هم قرار می‌گیرند. از جمله رایج‌ترین فیلامنت‌ها می‌توان به فیلامنت PLA و یا پلی‌لاکتیک اسید، اشاره کرد که زیست‌تخریب‌پذیر، دارای کاربرد آسان و مناسب برای مدل‌های دکوراتیو و آموزشی است. فیلامنت PETG و یا پلی‌اتیلن ترفتالات اصلاح‌شده، مقاومت مناسبی در برابر رطوبت و ضربه دارد و برای قطعات کاربردی گزینه‌ای مناسب محسوب می‌شود. فیلامنت ABS و یا آکریلونیتریل بوتادین استایرن، فیلامنتی مقاوم در برابر حرارت و ضربه است که بیشتر در قطعات صنعتی به کار می‌رود اما برای چاپ موفق نیاز به چاپگر با محفظه بسته و تهویه مناسب دارد. همچنین فیلامنت TPU و یا پلی‌یورتان ترموپلاستیک، نوععی فیلامنت انعطاف‌پذیر است که در ساخت قطعات نرم مانند واشر و ضربه‌گیر کاربرد دارد. لذا انتخاب و بکارگیری فیلامنت، به کاربرد، نوع دستگاه و عوامل دیگری مانند قیمت و در دسترس بودن و شرایط پرینت بستگی دارد.

در چاپگرهای سه بعدی رزینی مانند پرینتر سه بعدی رزینی Elegoo Saturn 4 Ultra، ماده مصرفی به ‌صورت مایع حساس به نور یو وی است که با استفاده از تابش نور فرابنفش (UV) در لایه‌های بسیار نازک پلیمریزه و سخت می‌گردد. انواع مختلفی از رزین های پرینتر سه بعدی جهت مصارف مختلف فرموله و ارائه شده اند که کاربران می توانند بر اساس نیاز خود از بین آنها انتخاب نموده و استفاده نمایند. به عنوان مثال، رزین استاندارد بیشتر برای نمونه‌سازی‌های عمومی و مدل‌های بصری استفاده می‌شود. رزین‌های سخت با خواص مشابه ABS، که تحت عنوان رزین‌های مقاوم یا مهندسی و یا به عبارت دیگر رزین ABS-Like شناخته می‌شوند، برای کاربردهایی که استحکام و پایداری مکانیکی لازم است به کار می‌روند. همچنین رزین انعطاف‌پذیر برای تولید قطعاتی که نیاز به خم‌شدن یا انعطاف دارند مناسب است. رزین‌های زیست‌سازگار یا مخصوص دندان‌پزشکی برای کاربردهای پزشکی، ساخت الگوهای دقیق دندان، ایمپلنت‌های موقت یا سایر قطعات زیستی استفاده می‌شوند. رزین های ریخته گری ویسکوز بالا که بیشتر در صنعت طلا و جواهر کاربرد دارند ولی استفاده از آنها نیازمند دانش و تجربه کافی در استفاده از پرینتر سه بعدی است.

لذا، انتخاب میان این مواد باید با در نظر گرفتن نیاز پروژه، دقت چاپ، شرایط نگهداری، هزینه مواد و نوع چاپگر انجام شود. جهت کسب اطلاعات بیشتر می توانید به راهنمای انتخاب فیلامنت و همچنین راهنمای انتخاب رزین پرینتر سه بعدی مراجعه کنید.

۲. آماده‌سازی فایل چاپ (اسلایس کردن مدل و تولید کدهای زبان ماشین)

پس از انتخاب و آماده‌سازی مدل سه بعدی، گام بعدی در فرآیند چاپ، تبدیل فایل طراحی‌شده به کدی قابل فهم برای دستگاه چاپگر سه بعدی است. این کدها شامل دستوراتی هستند که جزئیات حرکت، سرعت و سایر تنظیمات پرینت را مشخص می‌کنند. به این فرایند اسلایس (برش دادن مدل) گفته می‌شود، که توسط نرم‌افزارهای ویژه‌ای به ‌نام نرم‌افزارهای اسلایسر انجام می‌گیرد. در واقع، این نرم‌افزارها مدل سه بعدی را به لایه‌های افقی نازک تقسیم کرده و برای هر لایه، مسیر حرکتی دقیق نازل در پرینتر سه بعدی فیلامنتی و یا تنظیمات تابش نور و حرکت محور عمودی دستگاه را تعیین می‌کنند. فایل خروجی حاصل از اسلایسر، بسته به نوع چاپگر، ممکن است یک فایل G-code  برای پرینترهای فیلامنتی یا یک فایل لایه‌بندی‌شده‌ی خاص برای پرینترهای رزینی باشد.

در چاپگرهای سه بعدی فیلامنتیی، نرم‌افزارهایی مانند Cura، PrusaSlicer و یا Simplify3D مورد استفاده قرار می‌گیرند. این نرم‌افزارها مدل را به مجموعه‌ای از لایه‌ها تقسیم کرده و مشخص می‌کنند که نازل در هر لایه با چه الگویی حرکت کرده و فیلامنت را در چه نقاطی و با چه سرعتی تزریق کند. در این فرایند، چند پارامتر کلیدی باید به‌ درستی تنظیم شوند. نخست، ارتفاع لایه‌ها که تعیین‌کننده‌ی میزان دقت عمودی چاپ و نیز مدت زمان آن است؛ هرچه این ضخامت لایه های پرینت کمتر باشد، سطح نهایی صاف‌تر خواهد بود، اما زمان چاپ سه بعدی افزایش می‌یابد. سپس تراکم داخلی یا Infill مورد توجه قرار می‌گیرد که مشخص می‌کند فضای درونی قطعه تا چه میزان پر شود؛ برای قطعات دکوری یا کم‌بار معمولاً از تراکم ۱۰ تا ۲۰ درصد استفاده می‌شود، اما برای قطعات مکانیکی یا تحت بار، ممکن است این مقدار تا ۱۰۰ درصد نیز افزایش یابد. یکی از عناصر بسیار مهم دیگر، ساپورت (Support Structure) است. در مدل‌هایی که دارای بخش‌های معلق یا برجسته‌اند (مانند دست یک مجسمه)، نازل بدون وجود تکیه‌گاه نمی‌تواند لایه‌ها را به‌ درستی پرینت کند. در این موارد، نرم‌افزار به ‌صورت خودکار یا دستی، سازه ها و یا ستون‌های موقتی برای ساپورت از این قسمت‌ها اضافه می‌کند. این ساپورت‌ها پس از چاپ قابل جدا شدن هستند، اما باید به‌گونه‌ای طراحی شوند که آسیب به سطح قطعه وارد نکنند. همچنین تنظیماتی مانند دمای نازل و صفحه ساخت، سرعت حرکت، الگوی مسیرهای حرکتی و میزان خنک‌سازی لایه های پرینت شده، نیز از طریق نرم‌افزار اسلایسر کنترل می‌شود. در نهایت فایل نهایی با فرمت G-code تولید شده و به دستگاه منتقل می‌شود تا عملیات چاپ سه بعدی آغاز شود.

در چاپگرهای سه بعدی رزینی، روال آماده‌سازی فایل پرینت کمی متفاوت است. نرم‌افزارهایی مانند Lychee Slicer، ChituBox و یا Voxeldance Tango برای این منظور مورد استفاده قرار می‌گیرند. در این سیستم‌ها، مدل به مجموعه‌ای از لایه‌های دوبعدی تبدیل شده و هر لایه به‌صورت تصویر سیاه و سفید بر روی لایه نازکی از رزین حساس به نور یو وی تابانده شده و آن را جامد می کند. در این حالت، تنظیمات اصلی شامل ضخامت هر لایه (که معمولاً بین ۲۵ تا ۵۰ میکرون است) و زمان نوردهی هر لایه می‌باشد. نوردهی باید به اندازه‌ای باشد که لایه رزین به‌طور کامل سخت شود، اما نه آن‌قدر زیاد که باعث گسترش نور و از دست رفتن جزئیات شود. مانند چاپگرهای سه بعدی فیلامنتی، در چاپ رزینی نیز افزودن ساپورت برای بخش‌های معلق مدل ضروری است. در این روش، ساپورت‌ها معمولاً به‌صورت نقطه‌ای و شبکه‌ای طراحی می‌شوند و باید تعادلی میان استحکام، سهولت جداسازی و عدم آسیب به سطح مدل ایجاد شود. انتخاب محل ساپورت‌گذاری و نوع اتصال آن (مثلاً نقاط تماس مخروطی یا استوانه‌ای) بر نتیجه نهایی چاپ سه بعدی بسیار مؤثر است. از دیگر پارامترهای قابل تنظیم در اسلایسرهای مخصوص پرینترهای سه بعدی رزینی می‌توان به سرعت بالا آمدن صفحه ساخت (Z-lift speed) و فاصله بین لایه‌ها هنگام جابه‌جایی اشاره کرد که نقش مهمی در کاهش فشار مکش و جلوگیری از جدا شدن مدل از صفحه ساخت دارند. در نهایت، خروجی نهایی معمولاً به صورت فایل‌هایی با فرمت اختصاصی پرینتر ذخیره شده و قابل انتقال به دستگاه جهت شروع پروسه پرینت است.

توجه داشته باشید که دقت در تعیین و تنظیم این پارامترها تأثیر مستقیمی بر کیفیت چاپ، ظرافت جزئیات، استحکام قطعه نهایی و میزان موفقیت چاپ دارد. کوچکترین اشتباه در تنظیم ارتفاع لایه، سرعت حرکت و یا مقدار نوردهی، عدم استفاده از ساپورت مناسب یا تراکم نامتناسب، می‌تواند باعث ایراداتی نظیر نقص در جزئیات، خم شدن، شکستگی یا حتی نا موفق بودن پروسه چاپ گردد. بنابراین، تسلط بر نرم‌افزار اسلایسر و آشنایی با عملکرد هر پارامتر، یکی از عوامل کلیدی در موفقیت چاپ سه بعدی به شمار می‌رود.

3- آماده‌سازی دستگاه و اجرای فرآیند چاپ

پس از انتخاب ماده مصرفی و اسلایس مدل سه بعدی و آماده سازی فایل چاپ، نوبت به مرحله‌ی اجرای فرآیند چاپ می‌رسد که نیازمند آماده‌سازی دقیق دستگاه چاپگر سه بعدی از نظر مکانیکی و الکترونیکی است. در این مرحله، تنظیمات فنی دستگاه، تغذیه مواد مصرفی، و اطمینان از سلامت تجهیزات باید با دقت انجام شود تا عملیات چاپ بدون خطا و با کیفیت مطلوب اجرا گردد. در نحوه آماده‌سازی چاپگر فیلامنتی و رزینی تفاوت‌هایی وجود دارد که در ادامه به تفصیل شرح داده می‌شود.

آماده‌سازی چاپگرهای سه بعدی فیلامنتی

در چاپگرهای سه بعدی فیلامنتی، مدل سه بعدی با استفاده از ذوب و لایه‌گذاری (تزریق) رشته‌های پلاستیکی و یا همان فیلامنت ساخته می‌شود. پیش از آغاز چاپ، باید اطمینان حاصل شود که تمامی اجزای دستگاه به‌درستی عمل می‌کنند و شرایط چاپ ایده‌آل فراهم است. مراحل آماده‌سازی شامل موارد زیر است:

• تراز کردن و یا کالیبره صفحه ساخت و یا بستر چاپ: یکی از مهم‌ترین مراحل پیش از شروع چاپ، تنظیم فاصله بین نازل و صفحه ساخت (بستر چاپ) است. این تنظیمات باید در نقاط مختلف صفحه انجام شود تا در تمامی سطح، فاصله یکنواختی بین نازل و صفحه ساخت وجود داشته باشد. در غیر این‌صورت، لایه‌ی اول به درستی روی سطح نمی‌چسبد و ممکن است کل چاپ با شکست مواجه شود. تراز کردن ممکن است به‌صورت دستی، نیمه‌خودکار یا کاملاً خودکار توسط سنسورهای مخصوص انجام شود.
• تنظیم دمای نازل و بستر چاپ: دمای نازل باید متناسب با نوع فیلامنت انتخاب شود. برای مثال، دمای نازل برای فیلامنت PLA در حدود185-210 درجه سانتی‌گراد و برای فیلامنت ABS در محدوده 230-250 درجه سانتیگراد باید باشد تا پروسه پرینت به درستی انجام شود. همچنین در برخی موارد، گرم کردن صفحه ساخت نیز ضروری است تا چسبندگی اولیه لایه اول به صفحه ساخت تقویت شود و از پیچ‌خوردگی یا بلند شدن لبه‌ها جلوگیری شود. این دما نیز معمولاً با توجه به نوع فیلامنت مصرفی بین ۵۰ تا ۱۱۰ درجه سانتی‌گراد تنظیم می‌شود. همچنین در برخی از موارد نیاز به استفاده از چسبهای مخصوص صفحه ساخت (مانند چسب ماتیکی PVP) برای افزایش چسبندگی لایه اول است.
• تغذیه فیلامنت به داخل اکسترودر: رول فیلامنت باید به‌درستی در محل نگهدارنده قرار گیرد و انتهای رشته به داخل اکسترودر هدایت شود تا به نازل برسد. در این مرحله لازم است که اکسترودر بدون گیر کردن عمل کند و هیچ مانعی در مسیر حرکت فیلامنت وجود نداشته باشد.
• بررسی تمیزی سطح ساخت: سطح چاپ (که معمولاً شیشه‌ای، فلزی یا با روکش خاص است) باید کاملاً تمیز و عاری از چربی، گرد و غبار یا بقایای چسب و فیلامنت‌های قبلی باشد. در غیر این صورت، لایه اول ممکن است به خوبی نچسبد. برای تمیزکاری معمولاً از الکل ایزوپروپیل استفاده می‌شود. در صورت استفاده از چسب ماتیکی PVP، می توانید صفحه ساخت را با آب شستشو دهید.
• انتقال فایل چاپ به دستگاه: فایل نهایی چاپ که در مرحله قبل با پسوند G-code تولید شده، از طریق کارت حافظه (SD)، فلش مموری یا اتصال مستقیم به کامپیوتر از طریق کابل یا وای‌فای به چاپگر منتقل می‌شود.

با شروع عملیات چاپ، نازل گرم‌شده شروع به حرکت در مسیر تعیین‌شده کرده و فیلامنت ذوب‌ شده را به‌صورت لایه‌به لایه تزریق می کند. در طول چاپ، فن‌های خنک‌کننده، موتورهای حرکتی، سنسورها و سیستم کنترل‌گر به ‌صورت هماهنگ عمل می‌کنند تا قطعه طبق طراحی انجام شده ساخته شود. بسته به ابعاد و کیفیت مدل، چاپ ممکن است از چند دقیقه تا چندین ساعت طول بکشد.

آماده‌سازی در چاپگرهای سه بعدی رزینی

در چاپگرهای سه بعدی رزینی، آماده‌سازی پیش از چاپ تفاوت‌هایی دارد زیرا ماده مصرفی به‌صورت مایع و حساس به نور است و فرآیند ساخت به‌جای تزریق مواد، بر پایه تابش نور یو وی و پلیمریزه کردن بصورت لایه ‌به ‌لایه انجام می‌شود. مراحل اصلی آماده‌سازی در این نوع چاپگرها شامل موارد زیر است:

• تمیز بودن صفحه ساخت و مخزن رزین: صفحه ساخت در پرینتر سه بعدی رزینی باید از هرگونه بقایای رزین سخت‌شده قبلی پاک‌سازی شود. سطح آن باید صاف و عاری از خط‌وخش باشد. همچنین مخزن رزین باید تمیز بوده و فیلم کف آن باید شفاف و بدون آسیب و خط و خش باشد. وجود تکه‌های رزین نیمه‌سخت‌شده و یا سخت شده در مخزن رزین می‌تواند فرآیند چاپ را مختل کرده و به صفحه نمایش آسیب بزند.
• نصب صحیح و محکم صفحه ساخت: صفحه ساخت باید در محل خود نصب شده و پیچ‌های آن کاملاً سفت باشند تا در طول فرآیند چاپ هیچ‌گونه لرزش یا تغییر موقعیت رخ ندهد. در بسیاری از دستگاه‌ها، پیش از هر چاپ باید یک فرآیند کالیبراسیون محور صفحه ساخت برای تنظیم دقیق فاصله بین صفحه ساخت و کف مخزن انجام شود.
• افزودن رزین به مقدار کافی: رزین مورد نظر باید به آرامی داخل مخزن ریخته شود تا ارتفاع مناسبی از ماده برای چاپ لایه‌ها در دسترس باشد. اضافه یا کم بودن رزین می‌تواند در حین چاپ مشکلاتی ایجاد کند. همچنین بهتر است رزین قبل از استفاده هم زده شود تا ترکیب یکنواختی داشته باشد.
• انتقال فایل چاپ به دستگاه: فایل چاپ آماده‌ شده از طریق USB یا حافظه جانبی و یا وای فای به دستگاه منتقل شده و آماده اجرا می‌شود.

پس از شروع چاپ، صفحه ساخت به‌آرامی درون مخزن رزین فرو رفته و چاپ از لایه اول آغاز می‌شود. با هر بار تابش نور، یک لایه از رزین در محل مشخص‌شده سخت شده و به صفحه ساخت و یا لایه قبلی می‌چسبد. سپس صفحه کمی بالا آمده، رزین تازه زیر آن جریان می‌یابد، و لایه بعدی چاپ می‌شود. این فرآیند تا تکمیل مدل ادامه دارد. در این روش، مدل به‌صورت وارونه ساخته می شود.