سیستم رباتیک پرینتر سه بعدی

چكيده

تکنولوژی پرینت سه بعدی در حال ورود به تمام عرصه های فنی، مهندسی، طراحی صنعتی، معماری، هنر، پزشکی، دندانپزشکی و حتی آشپزی می باشد. این تکنولوژی در آینده ای نه چندان دور تمام عرصه های مذکور را متحول خواهد کرد. در کشور ما نیز حرکت های خوبی در راستای بومی سازی این تکنولوژی برداشته شده است. عمده این فعالیت ها در ارتباط با پرینترهای خانگی و دفتری می باشد. با توجه به اینکه جامعه مهندسی و دانشگاهی کشور هنوز در ابتدای ورود به این عرصه می باشد، ضرورت دارد تکنولوژی پرینت سه بعدی و خود پرینترهای سه بعدی مورد بررسی علمی قرار گیرد. در این مطالعه سیستم رباتیک بکار رفته در پرینترهای سه بعدی تبیین شده است. سپس سیستم رباتیک پرینتر ها از منظر فنی تجزیه و تحلیل شده و مزایا، معایب و محدودیت های سیستم رباتیک آنها بیان شده است. در انتها پیشنهاد های لازم جهت انتخاب و طراحی مهندسی اجزاء رباتیک این پرینترها ارائه شده است.

مقدمه

اولین سیستم تجاری پرینت سه بعدی -نمونه سازی سریع- در سال 1988 به بازار آمد[1]. از منظر ماده مورد مصرف، پرینتر های سه بعدی به سه دسته نوع رزینی (پلیمر سیال)، نوع پودری و نوع فیلامنتی قابل تقسیم بندی هستند[2]. پرینت سه بعدی با فیلامنت پلیمری اصطلاحا FDM یا لایه نشانی مذاب(Fused Deposition Method) نامیده می شود. پرینترهای نوع رزینی و پودری –با توجه به حالت ماده مورد مصرف- آلودگی محیطی بالاتری را تولید می کنند؛ و کار با آنها در حیطه کاربران حرفه ای و آموزش دیده می باشد. از منظر هزینه نیز مواد اولیه مصرفی آنها گران می باشد. در حالیکه پرینتر سه بعدی نوع فیلامنتی از نقطه نظر نکات فوق ارجحیت بیشتری نسبت به پرینترهای نوع رزینی و پودری دارد. کار با این نوع از پرینترها به مراتب ساده تر می باشد و حداقل نیاز به آموزش کاربران را دارد. از منظر اقتصادی نیز خود این پرینترها بسیار اقتصادی بوده و مواد مصرفی آنها نیز بصورت قرقره و با قیمت مناسب قابل تهیه می باشد. در یک قانون سر انگشتی هزینه فیلامنت یک دهم هزینه مواد اولیه رزینی و پودری می باشد. لذا پرینترهای نوع فیلامنتی یا FDM اگر چه کیفیت پایین تری را عرضه می کنند، اما برای کاربری های خانگی و دفتری ایده آل می باشند.

تکنولوژی پرینت سه بعدی در حال ورود به تمام عرصه های فنی، مهندسی، طراحی صنعتی، معماری، هنر، پزشکی، دندانپزشکی و حتی آشپزی می باشد. این تکنولوژی در آینده ای نه چندان دور تمام عرصه های مذکور را متحول خواهد کرد. در کشور ما نیز حرکت های خوبی در  راستای بومی سازی این تکنولوژی برداشته شده است. با توجه به اینکه جامعه مهندسی و دانشگاهی کشور هنوز در ابتدای ورود به این عرصه می باشد، ضرورت دارد تکنولوژی پرینت سه بعدی و خود پرینترهای سه بعدی مورد بررسی علمی قرار گیرد.

در این مقاله ابتدا اصول عملکردی سیستم رباتیک پرینترهای سه بعدی تبیین شده؛ سپس تجزیه و تحلیل نکات فنی، مزایا، معایب و محدودیت های سیستم رباتیک آنها صورت گرفته و و در نهایت نتیجه گیری لازم انجام شده و راهکارهای طراحی ارائه شده است. 

اصول عملکردی ربات پرینترهای سه بعدی 

پرینترهای سه بعدی دفتری و نیمه صنعتی عرضه شده به بازار را می توان به دو دسته تجاری –همچون MakerBot، Ultimaker- (شکل 1)، و پرینترهای منبع باز موسوم به RepRap –همچون داروین (Darwin)، پروسا مندل(Prusa Mendel) (شکل 2) و کوسّل(Kossel) (شکل 3)- دسته بندی کرد. همچنین پرینترهای سه بعدی با سیستم حرکتی خاص نظیر پرینتر مورگان (Morgan) و پرینتر آر-360 (R-360) را نام برد. در پرینتر MakerBot، شکل 1-الف، اکسترودر و نازل یکپارچه بوده و مجری نهایی را تشکیل می دهد؛ موتور محور X نیز بر خود محور مستقر می باشد. لذا این پرینتر بالاترین جرم متحرک در صفحه X-Y را در میان پرینترها دارد[3]. پرینتر Ultimaker –شکل 1-ب- از یک جفت میل راهنما به شکل + برای حرکت XY نازل خود استفاده می کند. موتورهای محور X و Y نیز بر بدنه پرینتر نصب می باشند. همچنین اکسترودر در بدنه آن واقع بوده –ساکن می باشد- و فیلامنت از طریق شیلنگ تفلونی به داخل نازل آن خورانده می شود[4]. پرینتر داروین، شکل 2-الف، از منظر حرکت در صفحه X-Y شباهت زیادی به MakerBot دارد. اما برای جابجایی میز پرینت خود در راستای محور Z از چهار پیچ حرکتی بهره می برد[5]. در حالیکه پرینترهای MakerBot و Ultimaker تنها از یک پیچ حرکتی بهره می برند و میز پرینت آنها توسط دو میل راهنما در راستای Z هدایت می شود. لذا پرینتر داروین از یک میز پرینت صلب برخوردار بوده و از توانایی بالایی در حفظ کالیبره بودن میز پرینت برخوردار می باشد. در پرینتر پروسا مندل، شکل 2-ب، مجری نهایی بر محور X پرینتر سوار می باشد. میز پرینت در راستای محور Y حرکت داده می شود. با توجه به قرار گرفتن میز پرینت آن در یک ارتفاع ثابت، محور Z کار جابجایی مجموعه محور X-شامل نازل-  به بالا و پایین را برعهده دارد. در این پرینتر کاربر دسترسی کاملی به میز پرینت دارد؛ این امر ویژگی شاخصی در تحت نظر گرفتن عملکرد پرینتر در حین کار از منظر کاربر می باشد[6]. پرینتر دلتا، شکل 3، از یک میز پرینت کاملا ثابت بهره می برد، لذا بالاترین ضریب حفظ کالیبره بودن میز پرینت را دارد. هر سه حرکت X،Y و Z توسط سه بازوی آن -که در محل تلاقی آنها نازل پرینتر واقع می باشد- تامین می گردد. این پرینتر از یک مکانیزم موازی برای حرکت سه بعدی استفاده می کند. در صورت ساخت با دقت بالا، این پرینتر یک پرینتر چابک و صلب بوده و دارای ویژگی های منحصر بفرد متعدد می باشد. از این ویژگی ها می توان به امکان ساخت پرینترهای بزرگ و ساختمانی در کنار تنوع پایین قطعات تشکیل دهنده ربات آن اشاره نمود[7]. در پرینتر مورگان مکانیزم حرکتی در صفحه X-Y با یک جفت بازوی طرح ربات Scara که در انتهای بازو به هم می رسند تامین می شود[8]. در حالیکه در پرینتر آر-360 به جای مختصات X و Y از یک مختصات قطبی برای حرکت نازل در حین پرینت یک لایه بهره برده شده است[9].

تجزیه و تحلیل سیستم رباتیک پرینترهای سه بعدی

پرینتر های سه بعدی که مجری نهایی کل فضای سه بعدی تعریف کننده مدل مورد پرینت را طی می کنند از حساسیت بالایی در عملکرد سیستم رباتیک خود برخوردارند. بدین معنا که این پرینتر ها تمام مختصات X،  Y و Z حجم تعریف کننده مدل را می پیمایند. در نتیجه زمان لازم برای اتمام پرینت زمانی طولانی خواهد بود. به منظور اقتصادی تر کردن پرینت سه بعدی نیاز به حرکت های سریع در محورهای حرکتی ربات می باشیم. لذا از نکات اساسی در طراحی رباتیک این پرینترها ضرورت چابک سازی ربات آنها می باشد. بدین منظور باید تا حد امکان اجزاء سنگین -نظیر موتورها- بر بدنه پرینتر نصب شوند؛ و نازل، مجری نهایی و کلیه قطعات متحرک پرینتر -در حین پرینت یک لایه از مدل- از حداقل جرم برخوردار باشند. در اینصورت ارتعاش مکانیکی پرینتر به حداقل میزان خود خواهد رسید. این کاهش ارتعاش در کوتاه مدت موجب حذف الگوهای ارتعاشی ظاهر شده بر سطح قطعه تولیدی شده و در دراز مدت موجب کاهش استهلاک پرینتر و افزایش عمر کاری پرینتر می گردد.

با محدود کردن تمرکز بر پرینترهای با سیستم رباتیک کارتزین، حداکثر چابکی حرکت در صفحه X-Y در صورتی تامین می شود که: 1) موتور اکسترودر از نازل پرینتر جدا بوده و بر بدنه آن ثابت شود و فیلامنت از طریق شیلنگ تفلونی به داخل نازل خورانده شود. این امر در پرینتر Ultimaker تامین بوده و قابل اعمال به دیگر پرینترها نیز می باشد.  2) هر دو موتور X و Y نیز بر بدنه پرینتر ثابت شود تا جرم متحرک صفحه X-Y به حداقل میزان ممکن برسد. این شرط تنها در پرینتر Ultimaker برآورده می باشد و در بقیه پرینترها موتور محور X قابل انتقال به بدنه پرینتر نمی باشد. اما با وجود اینکه هر دو شرط در پرینتر Ultimaker فراهم می باشد، اما می توان مکانیزم با عملکرد حرکتی بهینه تری برای صفحه X-Y پیشنهاد نمود. مکانیزم پیشنهادی مکانیزم CoreXY، شکل4، می باشد. در این مکانیزم نیز هر دو موتور حرکتی X و Y بر بدنه پرینتر مستقر می باشند. اما برای حرکت در هر یک از دو جهت X وY موتورها با یکدیگر هم افزایی می نمایند. بدین معنا که اگر هر دو موتور هم جهت بچرخند مجری نهایی در راستای X حرکت می کند؛ و چنانچه این دو موتور در خلاف جهت هم بچرخند مجری نهایی در راستای Y حرکت خواهد نمود. این هم افزایی در حرکت موجب دوبرابر شدن توان موتوری تامین شده –با فرض ثابت گرفتن مشخصات موتورها- بوده و چابکی پرینتر را نیز در حرکت های صفحه X-Y مضاعف می نماید.