دستگاه برش CNC یا پرینتر سه بعدی: راهنمایی، توصیف و مقایسه

آیا نیاز دارید تا طرحهای صنعتی یا هنری خود را نمونه سازی کنید. با جستجو در بازار، بین خرید یک دستگاه برش «سی ان سی» یا پرینتر سه بعدی سردرگم شده اید. این مقاله برای راهنمایی و کمک به بهترین انتخاب بین این دو دستگاه با توجه به روند کاری شماست.

ماشینهای تراش CNC :Computer Numerical Control یک بلوک از مواد جامد (به عنوان مثال آلومینیوم یا چوب یا فوم) را می گیرند و از ابزارهای چرخشی یا برش دهنده تیز استفاده می کنند تا بخش هایی که نیاز نیست را حذف کنند. فرزکاری با سی ان سی، یک تکنیک موسوم به ساخت کاهشی subtractive manufacturing (یعنی کاهش حجم بلوک تا شکل گیری قطعه) بوده و متفاوت از روش لایه گذاری افزایشی (additive manufacturing) چاپ سه بعدی می باشد. در ادامه مزایا و معایب هر دو دستگاه و کاربردهای آنها شرح داده می شود تا بهترین گزینه برای مصرف کننده مشخص شود.

تشریح  عملکرد چاپگر سه بعدی و ماشین برش CNC

برش CNC از طریق کامپیوتر کنترل می شود (نام کامل دستگاه سی ان سی: Computer Numerical Control). کامپیوتر اطلاعات دریافتی را به دستورات جی کد در دستگاه تبدیل می کند که ابزارهای برش را کنترل می کند (این فرمت فایل G-code در چاپگرهای سه بعدی هم استفاده می شود).

تمامی دستگاههای CNC با استفاده از نرم افزار مدل سازی CAD (برنامه تولید نرم افزار کامپیوتری مثل اتوکد) کار می کنند. نرم افزارهای ماشینکاری CAM نیز مرتبط با دستگاه برشکاری CNC است.

طرز کار چاپگر سه بعدی:

فناوریهای چاپگرهای سه بعدی در کشورهای صنعتی بسیار متنوع است ولی تکنیک کلی ساخت در همه آن ها مشترک است؛ یعنی تمامی این دستگاه ها بر اساس لایه گذاری افقی میکرونی قطعات را میسازند و این فرآیند را از مرحله اصطلاحا صفر شروع کرده و لایه های بعدی را روی لایه های فعلی (متناوبا) ایجاد می کنند. (به همین دلیل تولید یا ساخت به شیوه افزودنی نامگذاری میشود).

مقایسه میان پرینت سه بعدی و برش CNC

• متریال:

دستگاه های CNC می توانند بر روی انواع مختلفی از مواد همانند آلیاژهای فلزی (آلومینیوم، آلیاژهای فولادی، برنج، مس)، چوب نرم و چوب معمولی، ترموپلاستیک، اکریلیک، فوم مدل سازی، موم ماشینکاری (برای ایجاد یک مدل مثبت برای ریخته گری) کار کنند. شما ممکن است نیاز به ابزارهای مختلف برش برای مواد مختلف داشته باشید، اما رابط های ابزار موجود در دستگاه معمولا استاندارد طراحی می شوند به طوری که ابزارها اغلب می توانند بین دستگاه های مختلف مبادله شوند و معمولا نیازی به خرید ابزارهای متنوع نیست.

به این ترتیب، می توانید از یک ابزار CNC برای تولید نمونه های اولیه یا محصول نهایی با متنوعترین متریالها استفاده کنید.

چاپگرهای سه بعدی در کشورهای صنعتی با متریالهای فلزی، رزینی، ترموپلاستیک و پودر پلیمر وجود دارد. ولی در ایران فعلا به دو استاندارد FDM و SLA محدود میشوند:

• چاپگر سه بعدی FDM: رشته ترموپلاستیکها همچون PLA، ABS، فیلامنت چوب یا فیلامنت فلز و فیلامنت نایلون …
• چاپگر سه بعدی SLA: متریال مایع رزین ها 

***

***

با شرایط فعلی ایران که محدودیت واردات متریال و نوسانات شدید ارزی داریم، قطعه تولید شده بر روی یک پرینتر سه بعدی با متریال پلاستیک یا رزین استحکام قطعات ساخته شده از بلوک فلز یا چوب CNC را ندارد (فناوری پرینت سه بعدی لیزری فلز در ایران بسیار گران است. حتی با اینکه در کشورهای صنعتی به تازگی متریال رشته فیلامنتی با درصد بسیار بالای فلز عرضه شده است ولی در ایران به آن دسترسی ندارید).

| مقایسه دو فناوری پرینتر سه بعدی SLA با FDM |

| برترین پرینترهای سه بعدی متریال فلز |

• دقت چاپ:

دستگاه های CNC، دقت ساخت خوبی در حدود ۰٫۰۰۱ اینچ (۰٫۰۲۵ میلی متر) و تحمل ۰٫۰۰۵ اینچ (۰٫۰۱۲۷ میلی متر) را با سرعت مناسب ارائه می دهند.

چاپگرهای سه بعدی FDM با رزولوشن حداکثر ۵۰ میکرونی وجود دارد (آگهی فروش پرینتر FDM با دقت چاپ ۲۵ میکرون فقط جنبه تبلیغاتی دارد و واقعی نیست). تنها چاپگرهای سه بعدی SLA با متریال رزین دقت بسیار بالایی ارائه میکنند ولی توجه داشته باشید که حجم ساخت این نوع پرینتر بسیار کوچک بوده و مختص قالب جواهر یا دندان است. همچنین هر چه دقت پرینت سه بعدی افزایش یابد زمان چاپ بیشتر میشود که برای برخی اهداف کارگاهی مشکل زا خواهد بود.

بنابراین اگر قطعات شما طراحی ساده ای داشته (مثلا لازم نیست یکپارچه و توخالی باشند) و نیاز دارید بسرعت و در تعداد زیادی ساخته شوند و هدفتان ساخت قطعه اصلی قابل استفاده در ماشین آلات است، چندان به خرید پرینتر سه بعدی فکر نکنید و همان دستگاه برش CNC برایتان مناسبتر است.

روند حکاکی متریال در CNC (بعنوان مثال آلومینیوم) معمولا کیفیت سطح بهتری نسبت به ذوب فیلامنت (رشته ترموپلاستیک) توسط نازل پرینتر سه بعدی (که لایه گذاری میشود)؛ دارد. البته در چاپگر سه بعدی SLA (متریال مایع رزین) دقت ساخت خیلی بهتر است.

در عکسهای فوق میبینید که چاپگر سه بعدی متریال پلاستیک توانسته است در یک فرآیند چاپ، این قالب کفش پیچیده را براحتی بسازد، درحالیکه ساخت چنین قطعه ای با دستگاه برش CNC سه محوره (نه انواع سی ان سی ۵ محوره) مراحل و زمانبندی زیادی خواهد داشت.

 گفتیم که دقت چاپ دستگاه سی ان سی بالاست و سرعت ساخت خوبی دارد؛ این مزیت البته با توجه به هندسه قطعه متغیر خواهد بود و گاهی پرینتر سه بعدی سرعت و دقت ساخت بالاتری ارائه خواهد داد؛ CNC سه محوره نمی تواند جزییات و فرورفتگی یا برآمدگیهای پیچیده و ظریف را روی وجه های مختلف یک قطعه در یکبار فرآیند ایجاد کند و محدودیت خواهید داشت (بدون در نظر گرفتن دستگاههای بسیار گرانقیمت CNC با ۵ محور حرکتی). بنابراین در ماشینهای حکاکی معمول با تمهیداتی قطعه را جا به جا کرده تا جزییات هر وجه هر کدام جداگانه ایجاد شود (کار خسته کننده ای بوده و گاهی اوقات امکان پذیر نیست یا زمانبر خواهد بود). در حالی که در پرینتر سه بعدی این محدودیت وجود ندارد و در یک بار فرآیند چاپ کلیه جزییات هر چقدر هم پیچیده باشد، ایجاد می شود.

| دستگاه CNC پنج محور؛ آنچه باید بدانید |

در پرینتر سه بعدی رزینی که برای ساخت اجسام کوچک استفاده می شود و با تابش نور کار میکند، دقت ساخت بسیار بالاست طوری که می توان قالبهای طلا و جواهر یا دندانپزشکی را سریعا نمونه سازی کرد.

در هر دو دستگاه برش CNC و پرینتر سه بعدی ممکن است خطای ساخت ایجاد شود مثلا ابزارهای برش بشکند یا کُند شود یا پرینت سه بعدی متوقف شود.

 

• سرعت:

همانطور که در بالا گفتیم، روند کار چاپگر سه بعدی نسبت به دستگاه برش CNC زمان بیشتری می طلبد. جهت آشنایی بیشتر با سرعت پرینت پیشنهاد میشود مقاله «سرعت چاپ پرینتر سه بعدی تا چه حد است؟» را مطالعه کنید.

• نویز و صدا:

نویز: بسته به مواد مورد استفاده، تراش CNC می تواند بسیار پر سر و صدا باشد (حتی در مدلهای کوچک رومیزی). برش فلز یا چوب با استفاده از یک ابزار حکاک با قطر بزرگ (برای حذف سریع قطعات اضافی) آلودگی صوتی بالایی دارد. در عوض چاپگر سه بعدی هیچ گونه صدای گوشخراشی در مقایسه با حکاک سی ان سی ندارد.

به جهت سر و صدای زیاد دستگاه CNC و مصرف برق بالای آن، محل استقرارش محدود به محیطهای کارگاهی خواهد بود در حالیکه پرینتر سه بعدی رومیزی یا پرینتر سه بعدی صنعتی میتواند در خانه، محل کار یا کارگاه قرار گرفته و برق آن در حد یک سیستم کامپیوتر پی سی خواهد بود و صدای آن نیز مثل پرینترهای کاغذی چندکاره است.

• ارتعاشات:

هنگام کار بر روی یک بلوک فلزی یا چوب، ابزارهای CNC نیز به شدت ارتعاش پیدا می کنند. در حالی که پرینترهای سه بعدی لرزش کمتری داشته و در همه جا قابل نصب هستند.

در آگهی های فروش چاپگر سه بعدی متریال ترموپلاستیک (فیلامنت) حتما با مواردی مثل پرینتر سه بعدی چندکاره (شامل حکاک سی ان سی و …) مواجه می شوید. روی این کیت های حکاکی خیلی حساب نکنید، چون اولا توان بسیار ضعیفی داشته و حتی قابل مقایسه با یک دستگاه CNC رومیزی معمولی هم نیستند، دوما استفاده مداوم از این حکاکها باعث اختلال در عملکرد صحیح چاپگر سه بعدی خواهد شد زیرا مجبورید هر بار نازل چاپگر را باز کرده و حکاک را نصب کنید که به مرور ترازبندی ۳DPrinter صدمه خواهد دید. خلاصه اینکه دو فناوری متفاوت ساخت، نمیتوانند در یک دستگاه قرار گیرند.

• تراش CNC می تواند کاملا کثیف باشد:

همانطور که قبلا هم گفتیم، فرزکاری CNC به معنای بریدن مواد دور یک جسم با استفاده از یک ابزار چرخشی است. نتیجه: خرده مواد بسیار زیادی ایجاد میشود که ممکن است کاملا تیز هم باشند (بعنوان مثال خرده چوب یا فلز). بنابراین کار با سی ان سی باید با احتیاط صورت گیرد (در واقع ابزاری کاملا کارگاهی محسوب میشود و کارگر ماهر آموزش دیده باید با آن درگیر شود). CNC در هنگام کار بر روی یک بلوک بزرگ از مواد، کاملا محصور نمی شود، بنابراین همه  محیط اطراف تحت تاثیر ترکشها و براده های جسم قرار گیرد و کثیف میشود. درحالیکه در چاپگر سه بعدی، به جهت تکنیک افزایشی (اضافه شدن لایه به لایه)، ریخت و پاش دستگاه برش CNC وجود ندارد. 

علت همه گیر شدن استفاده از پرینترهای سه بعدی متریال ترموپلاستیک در جهان راحتی استفاده از آن است؛ مهم نیست فردی خانه دار هستید یا یک مهندس ماهر. با پرینتر سه بعدی میتوانید ابزارهای ابتکاری بسیار جذابی را براحتی تولید کنید.

• عملیات های پس از چاپ:

پس از تکمیل و ساخت قطعه در هر دو دستگاه CNC یا پرینتر سه بعدی، ممکن است نیاز به مراحل پرداخت کاری، سمباده یا رنگ داشته باشید.

| روش پولیشکاری فیلامنت PLA |

• پرتی یا هدر رفت مواد:

خطای چاپ سه بعدی یا قطعه سازی اشتباه، در هر دو استاندارد CNC و ۳D Printing وجود دارند و با آن مواجه خواهید شد مثلا در تراش CNC شما نیاز به یک بلوک گران قیمت از مواد دارید که حداقل به اندازه ابعاد قطعه باشد، در نتیجه با ایجاد خطا این بلوک ماده گران هدر می رود (اگرچه در متریال فلز امکان بازیافت و استفاده مجدد هست). در فرآیند پرینت سه بعدی متریال ترموپلاستیک فیلامنت و مایع رزین اوضاع متفاوت است وقتی حین پرینت، قطعه خراب شود مجبورید از اول ساخت را تکرار کنید و بازیافتی هم در کار نیست؛ اگرچه حجم ماده مصرفی در این حالت کمتر از برشکاری است.

• طیف کاربرد پذیری:

تراش CNC بهترین راه حل برای ساخت قطعاتی است که باید مستقیما استفاده شوند، به تعداد بسیار زیادی از قطعه در زمان کمی نیاز دارید یا باید بسیار مقاوم و دقیق بوده و نیازمند قرارگیری در معرض حرارت مستقیم باشند. البته ساختار هندسی مدل نباید خیلی پیچیده یا تودرتو باشد.

در پرینتر سه بعدی، تقریبا هر فرم هندسی حتی پیچیده و تودرتو قابلیت ساخت دارد و محدودیت ندارید. همچنین می توانید مدلهای سه بعدی توخالی یا دارای بخش متحرک متصل را مستقیما پرینت گرفته و پس از چاپ، آن بخشها را بدون اسمبل، حرکت دهید.

چاپ سه بعدی زمینه های کاربردی عجیب و غریبی دارد و می توان از آن برای ساخت تندیس، قطعات صنعتی کانسپت و ماکتی، مواد غذایی خاص، نمونه سازی اولیه قبل از قالب سازی، ساخت اسباب بازی، اشیای ارزان ابتکاری مثل قطعات رباتیک و غیره استفاده کرد.

در کشورهای صنعتی روند استفاده از پرینترهای سه بعدی به شدت افزایش یافته و کارخانه های خودروسازی تا شرکتهای بزرگ هواپیمایی در حال استفاده از آن می باشند. در ایران نیز روند استفاده از چاپگرها در شرکتها و شهرک های صنعتی رو به افزایش است (به جهت هزینه کمتر ساخت قطعه اولیه و امکان نمونه سازی سریع و دقیق).

• تنوع رنگ ساخت قطعه:

در دستگاه برش، رنگ مطرح نیست و فقط نوع ماده مصرفی مفهوم دارد. زیرا در صورت نیاز پس از ساخت قطعه، رنگ یا پوشش دهی جداگانه اعمال میشود. در فرآیند پرینت سه بعدی قضیه متفاوت است یعنی حداقل یک رنگ میتواند به دلخواه برای ساخت استفاده شود، همچنین در پرینترهای سه بعدی دو نازله یا کیت چند رنگ چاپگرهای سه بعدی پروسا امکان استفاده از چندین رنگ ترموپلاستیک فیلامنت فراهم است. در متریال رزین نیز طیف رنگ محدودی وجود دارد. 

• مصرف برق:

با توجه ساختار کارگاهی دستگاه برش CNC، مصرف برق آن بالاست در حالی که پرینتر سه بعدی بیشتر از یک کامپیوتر مصرف برق ندارد.

• سهولت استفاده:

در بخشهای بالایی اشاره کردیم که کارکرد دستگاه برش «سی ان سی» خشن بوده و پلتفرم کارگاهی دارد، بنابراین افراد باید بخوبی از قبل آموزش دیده باشد، زیرا سرمته تیز و پرتاب مواد حین کار در صورت بی احتیاطی، بسیار خطرآفرین می باشد.

در عوض پلتفرم پرینتر سه بعدی آنرا برای همه کس ساده و کاربردی کرده است؛ مهم نیست که مهندس هستید و نیاز به نمونه سازی اولیه دارید یا هنرمندی هستید که می خواهید تندیس چاپ کنید؛ یک آموزش ساده کافیست و با چاپ بیشتر تجربه شما بالاتر هم می رود. با آموزش اولیه و نظارت معمول، چاپگر سه بعدی برای رشد خلاقیت یک کودک هم مناسب خواهد بود (در برخی کشورها در مقاطع تحصیلی ابتدایی، کلاسهایی برای کار با چاپگر برگزار میشود).

نکته: در ایران دو تکنولوژی پرینتر سه بعدی محبوب است: تکنولوژی FDM و تکنولوژی SLA یا DLP. در فرآیند FDM، متریال ترموپلاستیک موسوم به فیلامنت در نازل ذوب می شود. در حالی که در تکنیک SLA یا DLP، رزین مایع توسط تابش انتخابی نور، سخت شده و جسم شکل می گیرد، پس برخلاف FDM‌ حرارت تولید نمی شود.

 | انواع فناوری پرینتر سه بعدی |

• قیمت و هزینه

استفاده از چاپگر سه بعدی وقتی هدفتان بررسی قطعات کانسپت قبل از فرآیند قالبسازی باشد یا وقتی میخواهید محصولاتی ابتکاری با هندسه پیچیده در تیراژی کم بسازید، باصرفه خواهد بود، در حالیکه دستگاههای CNC برای ساخت قطعات نه چندان پیچیده که باید با سرعت و استحکام بالا برای استفاده در ماشین آلات بکار روند، منطقی است.

پرینتر سه بعدی و دستگاه برش CNC دو ابزار کاربردی و مکمل هم هستند و هرگز رقیب یکدیگر نبوده و نمیتوان یکی را بر دیگری غالب دانست. پس بر اساس هدف کاری خود و بودجه مورد نظرتان یکی را انتخاب کنید؛ اگر بودجه کافی دارید؛ با خرید هر دو دستگاه، کاملا در ساخت قطعات از ترموپلاستیک تا چوب و فلز مجهز می شوید.

پرینتر سه بعدی بخرم یا دستگاه CNC؟

اغلب افراد در این زمینه سوال پرسیده اند که برای شروع چاپگر سه بعدی بخرم یا حکاک سی ان سی ؟ اینگونه پاسخ می دهیم که برای اغلب مشاغل، چاپگر سه بعدی مفید است و روند تحقیق و توسعه R&D یک شرکت را بهبود میدهد؛ در عین حال برای مشاغل خاص کارگاهی، دستگاه برش سی ان سی ابزار بسیار کارآمدیست.

• برش CNC ابزار انتخابی برای برنامه های صنعتی خاص است؛ فرضا قطعاتی که مستقیما قرار است استفاده شود و تعداد ساخت بالاست.
• دستگاه CNC برای قطعاتی است که هندسه داخلی ندارند و الویت دقت سطح بسیار بالا در بخش بیرونی است.

شرکتهای بزرگ در حالت بهینه و ایده آل، خرید پرینتر سه بعدی و برش CNC را مناسب می دانند تا هر قطعه ای که را براحتی تولید کنند.

• اگر بودجه بالایی برای تامین مواد و محل استقرار کارگاهی و یک فرد آموزش دیده در نظر گرفته اید و نیازمند قطعات فلزی یا چوبی به غیر از پلاستیک ها هستید که مستقیما استفاده می شود و قطعات خیلی پیچیده نیستند یا بخشهای متصل متحرک ندارند و اندازه قطعه و تعداد مورد نیاز ساخت این قطعات هم بسیار بالاست، دستگاه برش CNC ایده آل است.
• پس اگر فضای کارگاه شما محدود است یا اصلا در خانه یا محیط اداره هستید؛ شما می توانید چاپگر سه بعدی بخرید.
• اگر هنرمند یا معمار هستید و می خواهید با هزینه کم انواع ماکت و مجسمه را چاپ کنید، پرینتر سه بعدی بهترین انتخاب است.
• چنانچه قطعات صنعتی را طراحی می کنید و نیاز به نمونه سازی اولیه، ارزیابی صحت طراحی قبل از قالبسازی انبوه یا ساخت قطعه ای ارزان با مقاومت مناسب دارید، بهترین انتخاب چاپگر سه بعدی می باشد.
• چنانچه نیاز به مدلسازی کانسپت یا سبک وزن و ارزان دارید، پرینتر سه بعدی ارجحیت دارد.
• اگر می خواهید ابزارهای ابتکاری ساخته و در منزل خود با چاپ مدل سه بعدی مشتریان درآمدزایی داشته باشید، پرینتر بهترین گزینه است.
• چنانچه قطعات پیچیده یا توخالی یا مفهومی و متحرک دارید؛ پرینتر سه بعدی بهتر از دستگاه برش CNC است.