تخيل استخدام نفس الطابعة ثلاثية الأبعاد مع مادة PLA متطابقة، مع إنتاج أجزاء ذات خصائص أداء مختلفة تمامًا ببساطة عن طريق تغيير ارتفاع الطبقة أو تبديل ألوان الفتيل. هذه الظاهرة المحيرة ليست غير شائعة في تطبيقات نمذجة الترسيب المنصهر (FDM). تتناول هذه المقالة كيف يمكن لهذه العوامل التي تبدو بسيطة - ارتفاع الطبقة ولون الفتيل - أن تؤثر بشكل كبير على الخواص الميكانيكية ودقة الأبعاد لمطبوعات حمض البوليلاكتيك (PLA)، مما يوفر رؤى لتحسين معلمات الطباعة ثلاثية الأبعاد.
يعمل التصنيع الإضافي (AM)، المعروف باسم الطباعة ثلاثية الأبعاد، على إحداث تحول سريع في الإنتاج الصناعي. تم الإعلان عنها باعتبارها تقنية رائدة في "الثورة الصناعية الرابعة"، ويتضمن مبدأها الأساسي بناء أجسام ثلاثية الأبعاد من خلال ترسيب المواد المتتالية. بالمقارنة مع طرق التصنيع التقليدية مثل التصنيع أو الصب، توفر الطباعة ثلاثية الأبعاد مزايا مميزة:
وقد حفزت هذه الفوائد اعتمادها على نطاق واسع في مختلف القطاعات الصناعية والتعليمية والطبية والاستهلاكية، مع توقعات السوق التي تشير إلى النمو المستدام.
من بين تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد المختلفة، تتميز FDM بقدرتها على تحمل التكاليف وبساطتها التشغيلية. تقوم هذه العملية بتغذية خيوط اللدائن الحرارية من خلال فوهة ساخنة، وترسيب المواد المنصهرة في طبقات دقيقة لتشكيل أجسام ثلاثية الأبعاد. يظل PLA هو مادة FDM الأكثر انتشارًا نظرًا لنقطة انصهارها المنخفضة وسهولة الطباعة والحد الأدنى من السمية وأصولها المتجددة. متوفر بألوان متعددة، PLA يخدم تطبيقات متنوعة.
مع انتقال الطباعة ثلاثية الأبعاد من النماذج الأولية إلى التصنيع، يصبح تحسين المعلمات أمرًا بالغ الأهمية. تعتمد جودة المنتج النهائي - التي تشمل دقة الأبعاد، والتشوه، والانحراف الكتلي، والمسامية، وملمس السطح - على العديد من متغيرات العملية المترابطة. على عكس التصنيع التقليدي، يتم تحديد قوة جزء FDM من خلال البنية الداخلية بدلاً من خصائص المواد السائبة.
قام الباحثون بالتحقيق في معلمات متعددة بما في ذلك درجة حرارة الطباعة، ودرجة حرارة لوحة البناء، وسمك الطبقة، وسرعة الطباعة، والاتجاه، وزاوية البيانات النقطية، ونمط/كثافة الحشو، وظروف التخزين، والمعالجة اللاحقة، والشيخوخة. ومع ذلك، فإن مواصفات المواد (اللون، القطر، الشركة المصنعة) ومتغيرات المعدات (بيئة البناء المفتوحة/المغلقة) غالبًا ما تحظى باهتمام غير كافٍ في الدراسات.
يمثل ارتفاع الطبقة - الذي يقتصر عادةً على نصف قطر الفوهة - أحد معلمات FDM الأكثر دراسة. في حين أن زيادة ارتفاع الطبقة يقلل من وقت الطباعة، إلا أنه يؤثر على دقة الجزء. تتطلب هذه المقايضة بين كفاءة الإنتاج وإعادة إنتاج التفاصيل دراسة متأنية.
لا يزال الإجماع الأكاديمي بشأن تأثير ارتفاع الطبقة على الخواص الميكانيكية منقسمًا. تشير بعض الدراسات إلى تأثير ضئيل على قوة جزء PLA، بينما تحدد دراسات أخرى ارتفاع الطبقة باعتباره العامل السائد الذي يؤثر على قوة الشد النهائية (UTS). توجد نتائج متناقضة فيما يتعلق بالاتجاهات، حيث لاحظ معظم الباحثين زيادة UTS مع انخفاض ارتفاع الطبقة، على الرغم من أن البعض يشير إلى علاقات عكسية أو نطاقات متوسطة مثالية.
من المحتمل أن تنبع هذه التناقضات من الاختلافات في مجموعات المعلمات التي تخلق ظروفًا حرارية متميزة، تتفاقم بنطاقات ارتفاع الطبقة الواسعة (0.06 مم إلى 0.6 مم) عبر الدراسات.
لا تزال الأبحاث التي تدرس تأثير اللون على الخواص الميكانيكية لـ PLA عبر ارتفاعات مختلفة للطبقات نادرة. تحذف العديد من الدراسات لون العينة بالكامل، مما يعكس الافتراضات التقليدية حول عدم أهميتها. توفر الشركات المصنعة عادةً بيانات مواد متطابقة لجميع ألوان PLA، إلا أن إضافات الصبغات قد تغير السلوك الحراري - مما يؤثر على التصاق الطبقات البينية والأداء الميكانيكي في النهاية.
تشير الأدلة الناشئة إلى وجود اختلافات في UTS تصل إلى 31% بين عينات PLA الملونة المطبوعة بشكل متطابق. ومع ذلك، لا توجد دراسات موجودة تحلل بشكل شامل تفاعلات اللون وارتفاع الطبقة على UTS.
تؤكد الأبحاث المكثفة التأثير الكبير لارتفاع الطبقة على دقة أجزاء PLA. في نطاق 0.05 مم إلى 0.5 مم، أظهرت معظم الدراسات دقة أبعاد فائقة مع انخفاض ارتفاع الطبقة، على الرغم من اختلاف الانحرافات عبر محاور X وY وZ اعتمادًا على اتجاه البناء.
ربط أحد التحقيقات البارزة سرعة الطباعة (50-70 مم/ثانية) وارتفاع الطبقة (0.10-0.20 مم) مع دقة الأبعاد لقطع الاختبار المميزة. أكدت النتائج على الترابط بين المعلمات والهندسة، على الرغم من أن نطاق ارتفاع الطبقة الضيقة (0.10-0.20 مم) يمثل معايير دقة نموذجية لجيش التحرير الشعبي.
حددت دراستان فقط بوضوح لون PLA على أنه يؤثر على دقة الأبعاد، ولم تدرسا تفاعلات ارتفاع طبقة اللون. أنشأ أحدهما تركيبات مثالية لتوجيه الألوان (أبيض/رمادي/أسود) من أجل الدقة، في حين قام آخر (باستخدام عينات وردية/رمادية/أخضر/شفافة في طبقات 0.5 مم) بدراسة تأثيرات الصباغ في درجات حرارة مختلفة. تفتقر معظم الدراسات إلى المواصفات الكاملة للمواد عندما لا يكون اللون متغيرًا يمكن التحكم فيه.
تقوم هذه الدراسة بتقييم كيفية تأثير لون PLA على العلاقة بين ارتفاع الطبقة وكل من القوة الميكانيكية/دقة الأبعاد في طباعة FDM. من خلال عزل اللون (الطبيعي، الأسود، الأحمر، الرمادي) وارتفاع الطبقة (0.05 مم، 0.10 مم، 0.15 مم، 0.20 مم) كمتغيرات وحيدة مع الحفاظ على معلمات طباعة متسقة، يهدف البحث إلى توضيح هذه التفاعلات المهمة.
