فیلامنت پرینترهای سه بعدی نوع خاصی از مواد چاپی است که توسط چاپگر سه بعدی نوع FDM استفاده می شود. این ماده در واقع یک پلیمر است که بشکل یک رشته یا نخ در آمده و در سیستم تزریق پرینتر سه بعدی وارد می شود. فیلامنت ها با طول هایی بیش از 100متر تولید می شوند و به منظور ذخیره سازی و سهولت در مصرف در یک قرقره قرار می گیرد.
در تولید فیلامنت ها معمولا از پلیمرهای ترموپلاستیک یا گرما نرم استفاده می شود. این پلیمرها در اثر حرارت نرم شده و پس از سرد شدن مجددا انجماد می یابند. بسیاری از پلاستیک هایی که در زندگی روزمره استفاده میکنیم از این نوع پلیمرها هستند. جنس پلیمرها بسته به کاربری انتخاب می شود. پلیمرهایی مانند PLA، ABS، PETG، TPU و… از انواع پلیمرهایی هستند که در ساخت فیلامنت ها مورد استفاده قرار میگیرند.
در حال حاضر فیلامنت ها با دو استاندارد قطر 1.75 میلی متر و قطر 3 میلی متر تولید می شوند. اولی به دلیل عملکرد بهتر چاپ مانند ثبات جریان اکستروژن، سهم بازار غالبی را به خود اختصاص داده است. مصرف کنندگان می توانند دریابند که بیشتر رشته های پلاستیکی 1.75 میلی متری در هر قرقره 1 کیلوگرمی و به طول 330 متر به فروش می رسند. اینکه ادعا شود این مقدار چه میزان محصول را تولید میکند به عوامل متعددی از جمله تراکم داخلی محصول و ابعاد کلی محصول بستگی دارد.
بسته به جنس فیلامنت دما و سرعت چاپ توسط اپراتور تنظیم میشود. به طور کلی، چاپگرهای FDM حداکثر دمای چاپ را در حدود 260 درجه سانتیگراد ارائه می دهند که می تواند چاپ فیلامنت های پلیمری پایه را پوشش دهد.
قطعات تولید شده با پرینترهای سه بعدی فیلامنتی در حوزه های مختلفی به کار گرفته شده اند. اگرچه ذات ترموپلاستیک ها محدودیت آنها را در بعد مکانیکی تعیین می کند، فیلامنت ها ارزش خود را در نمونه سازی و استفاده سبک نمایان می کنند. نمونه سازی رایج ترین کاربرد است که به خواص مکانیکی کمتری از خود ماده نیاز دارد. به دلایل مشابه، بسیاری از شرکت‌ها و حرفه‌ای‌ها فیلامنت را برای وسایل، اسباب‌بازی‌ها، قطعات مونتاژ و مدل‌های آموزشی انتخاب میکنند.
فیلامنت های انعطاف پذیر یکی از موارد استثنائی هستند. فیلامنتهای TPU از جمله فیلامنتهای انعطاف پذیر هستند که با کاربرد مستقیم و در درجه اول TPU در صنایع کفش استفاده می شوند. تولیدکنندگان کفش از خاصیت لاستیک مانند آن لذت می برند که نیاز اصلی آنها را برای خاصیت مکانیکی مواد برآورده می کند.
همانطور که در حال وقوع است و بازار انتظار دارد، فیلامنت ها در سطحی بالاتر، با ارزش بازار بیشتر و به کاربردهای صنعتی جدی نزدیکتر می شوند. در این سال‌ها، پژوهشهای کاربردی برای دستیابی به غولهای شیمیایی با عملکرد حرفه ای مانند PEI و PEEK ادامه داشته است. محلول‌های پیچیده‌تر و پیشرفته‌تر فیلامنت نیز به این خانواده بزرگ می‌پیوندند، مانند فیلامنتهای کامپوزیت متشکل از فیبر کربن، فایبرگلاس، سرامیک و حتی پودر فلز.
فیلامنت چاپگر سه بعدی ممکن است از نظر ظاهری یکسان به نظر برسد و ساخت آن آسان باشد، اما کیفیت هنوز اهمیت دارد. واضح‌تر از همه، همه فیلامنت ها دارای تنوع قطر هستند. سازنده حرفه ای می تواند تلرانس قطر را در +/- 0.05 میلی متر کنترل کند. تلرانس های بالاتر باعث عملکرد ضعیف چاپ مانند کیفیت سطح و دقت قطعه می شود. خلوص مواد، قوام ماده، سیم پیچی منظم قرقره و کنترل رطوبت همه عواملی هستند که بر عملکرد چاپ و کیفیت ساخت قطعات با پرینترهای سه بعدی تاثیر می گذارند.
بسته به کاربری های مختلف، اهمیت کیفیت فیلامنتها نمود بیشتری پیدا میکند. به عنوان مثال، در چاپ رویه کفش با TPU، رطوبت و تلرانس قطر بسیار مهم است. جذب سریع رطوبت در حین چاپ باعث ترکیدن فیلامنت از داخل می شود. چرا که در اثر بالا رفتن دمای فیلامنت در سیستم تزریق، رطوبت موجود در رشته فیلامنت بخار شده و فیبر فیلامنت را تخریب میکند.
برای یک شی پرینت سه بعدی شده، خواص مواد آن نیمی از ارزش را تعیین می کند. خواص مکانیکی و شیمیایی به ترتیب مهمترین خواص ماده برای عملکرد قطعات در چاپ سه بعدی هستند. برای درک بهتر تفاوت ویژگی فیلامنت، یا انتخاب فیلامنت مناسب، کاربر می تواند ارزیابی مناسب را از طریق هرم پلاستیک انجام دهد.
زیرا ماده اصلی فیلامنت پلاستیک است. هرم پلاستیکی یک قانون ساده را نشان می دهد که فیلامنتهایی با عملکرد قویتر باید دمای ذوب بالاتری داشته باشند. بنابراین، اگر کسی به دنبال فیلامنتی با کارایی بالاتر است، باید از یک چاپگر سه بعدی FDM با دمای کاری بالاتری استفاده کند.
برای شروع، PLA آسان ترین رشته برای چاپ با کمترین دمای ذوب (190-205 درجه سانتیگراد) و حداقل نیاز کالیبراسیون روی پارامتر چاپ و خود چاپگر است. زیر لایه پایین هرم پلاستیکی است. حتی دانش‌آموزان دبیرستانی می‌توانند فیلامنت PLA را به شکل هندسی بسیار ظریف چاپ کنند. با این حال، همانطور که هرم پلاستیکی نشان داد، کاربران می توانند انتظار داشته باشند که یک شی PLA به راحتی در یک چالش مکانیکی شکست بخورد.
همچنین فیلامنت PLA از سطح قیمتی مناسبی برخوردار است. بنابراین، این اولین انتخاب برای مبتدیان و علاقمندان پرینت سه بعدی برای اهداف بصری از جمله وسایل بازی، مجسمه ها، اسباب بازی ها و تزئینات است.
از PLA برای نمونه‌سازی سریع با توجه به شرایط چاپ پایین و نتیجه هندسی خوب آن استفاده میکنند. با این حال، ویژگی شکننده و شکننده PLA مانع از دور شدن آن از کاربرد پیچیده و پویا می شود.
از دیگر انواع فیلامنت های محبوب میتوان از ABS، PC، PETG، TPU، ASA، PA و PP یاد نمود. این فیلامنتها دارای ویژگیهای متمایزتر و دمای ذوب بالاتر نسبت به PLA هستند و از این رو چاپ آنها نیز دشوارتر است. در مقایسه با عملکرد محدود PLA، این فیلامنتها در تولیدات تجاری و صنعتی مورد استفاده قرار می گیرند.
به عنوان مثال، ABS در مدل های ارتودنسی، جیگ ها و فیکسچرها برای مونتاژ خودرو استفاده شده است و همانطور که قبلاً ذکر شد TPU مستقیماً به عنوان کفی های ارتوتیک و رویه کفش کتانی چاپ شده است
کاربران برای استفاده مناسب از فیلامنت ها باید از تفاوت ویژگی های آنها آگاه باشند. ویژگی پلاستیکها خارج از حوصله این مقاله است، اما برخی توضیحات را برای ارائه یک تصویر مناسب ارائه میدهیم. از نظر خواص مکانیکی از جمله سفتی، استحکام، چقرمگی، مدول کششی و سختی، هر ماده دارای ترکیب منحصر به فرد خود است. بنابراین هر ماده خواص فیزیکی متفاوتی در کاربرد را نشان میدهد.
کاربر باید فیلامنت مناسب را انتخاب کند تا بتواند به هدف مورد نظر دست یابد. به عنوان مثال ABS معمولاً به عنوان سختی نسبتاً پایین‌تر در بین سایر پلاستیکها انتخاب میشود. از طرفی فیلامنت PETG به دلیل مقاومت در برابر ضربه و دوام بهتر نسبت به فیلامنت ABS، معمولا برای بسته بندی و ظروف انتخاب می شود. اما هنگامی که ویژگی های دیگر مانند خواص شیمیایی مطرح می شود، فیلامنت ASA ممکن است مناسبتر باشد. از این ماده برای ساخت قطعات پلاستیکی خودرو به دلیل مقاومت آن در برابر نور خورشید و اشعه ماوراء بنفش استفاده میکنند.
تامین کنندگان فیلامنت در حال توسعه و ایجاد مشخصات مختلفی برای هر نوع پلاستیک هستند تا نیازهای تجاری متعددی را برآورده کنند. کاربران می توانند انتظار داشته باشند که خانواده فیلامنتها در آینده کاملتر شود زیرا تامین کنندگان می خواهند سود بیشتری از فروش به دست آورند.
