تا چندی پیش فکر چاپ سه بعدی اشیا یک رویا بود. این مساله که یک دستگاه بتواند مواد را روی هم قرار دهد یک روند عادی به حساب نمی‌آمد.
هنوز هم اگر به مردم بگویید: می‌خواهم موردی را چاپ کنم، مردم به جوهر و صفحه کاغذ فکر می‌کنند. بسیاری از مردم تا به امروز چاپ سه بعدی را تجربه نکرده‌اند.
نکته جالب فناوری اقتصادی شدن است. روزی چاپگر سه بعدی آنقدر گران قیمت بود که خرید آن برای دولت‌ها دشوار به حساب می‌آمد.
امروز می‌توانید یکی از این دوستان را به خانه بیاورید. کشورهای توسعه یافته از این نوع چاپگر در کلاس‌ها و آزمایشگاه مدارس استفاده می‌کنند.
چاپ سه بعدی در گروه فناوری AM یا “ساخت افزودنی” قرار می‌گیرد. روند قرار دادن مواد به صورت لایه لایه روی یکدیگر چند نام مختلف دارد: استریولیتوگرافی، لایه بندی سه بعدی و چاپ سه بعدی.
در ادامه مقاله تنها از چاپ سه بعدی استفاده می‌کنیم. چرا که این ترکیب بسیار شناخته شده‌تر است. برای تشریح و چاپ سه بعدی به غارها می‌رویم.
جایی که اصول اولیه چاپ سه بعدی دیده می‌شود. قطره‌های آب در طول هزاران سال باعث ایجاد لایه‌هایی از رسوب مواد معدنی شده‌اند.
با تجمع این مواد، سنگ‌هایی به نام استالاگمیت‌ها و استالاکتیت‌ها تشکیل می‌شوند. بر خلاف روند طبیعت، چاپگرهای سه بعدی بسیار سریع‌تر عمل می‌کنند.
دستورات چاپگر سه بعدی از یک برنامه رایانه‌ای به او می‌رسد. تمام روند چاپ از قبل مشخص شده است. هر لایه جدید به عنوان یک سطح جدید از مجموعه نهایی شناخته می‌شود.
فناوری چاپ سه بعدی با سرعت بالایی در حال رشد است. یک فناوری که ساخت نمونه‌های اولیه تا خانه‌های واقعی را به سرعت و ارزان ممکن می‌کند.
امروز آثار چاپ سه بعدی را در دندانپزشکی، هوا فضا و خودرو می‌بینید. اگر روکیدا را در ادامه همراهی کنید، برای شما از گذشته تا امروز و آینده آن را بررسی می‌کنیم.
1. تاریخچه چاپگرهای سه بعدی
اولین استفاده از تولید اشیا به حالتی شبیه چاپ سه بعدی در اواخر دهه 1980 و اوایل 1990 انجام شد. نمونه‌های اولیه به تولیدکنندگان این فرصت را می‌داد که آن را با دقت بیش‌تری بررسی کنند.
اگر استفاده از مواد اولیه محصول اصلی در تولید نمونه ممکن بود، شرایط حتی بهتر می‌شد. روش RP به تولید کنندگان اجازه می‌داد که نمونه‌های اولیه را خیلی سریع‌تر از گذشته آماده کنند.
معمولا در طی چند روز و حتی چند ساعت آماده می‌شد. آن‌ها از نرم افزار طراحی به کمک رایانه یا CAD کمک می‌گرفتند.
روند چاپ یک محصول با دنبال کردن از مدل نرم افزاری به چاپ سه بعدی معروف شد. انستیتوی فناوری ماساچوست یا MIT در همکاری با شرکت 3D سیستم اولین گروه از توسعه دهندگان چاپ سه بعدی بودند.
آن‌ها نام تجاری چاپ سه بعدی را ثبت کردند. چاپ سه بعدی با 3DP مخفف شد. از سال 2019 مجموعه تحقیقاتی MIT اجازه استفاده و توسعه فرآیند 3DP را به سه شرکت داد.
مجموعه‌های چاپ سه بعدی در راک هیل و کارولینای جنوبی از زمان تاسیس خود در سال 1986 راه‌های مختلفی را برای چاپ سه بعدی مورد بررسی قرار دادند.
هر کدام از آن روش‌ها در مقالات مختلف تشریح شد. سیستم و روند MIT هم‌چنان در زمینه چاپ سه بعدی پیشگام است. شرکت‌های دیگر نیز با استفاده از این فناوری، محصولات جدید و ابتکاری خود را عرضه کردند.
امروز که این مقاله را می‌خوانید، چاپ سه بعدی محدود به مواد خاصی نیست. از فلزات تا انواع سرامیک در لوله‌های دستگاه به جریان در می‌آید.
از یک چاپگر سه بعدی درست اندازه خودرو تا دوستان کوچک به اندازه ماکروفر قابل تهیه هستند. کم و بیش می‌توانیم این فناوری را با CNC مقایسه کنیم.
اما بر خلاف چاپگر سه بعدی، دستگاه CNC چوب، فلز یا هر نوع ماده دیگری را تراش می‌دهد. CNC یک مجسمه را از سنگ می‌تراشد.
چاپگر سه بعدی مجسمه را از موادی که مشخص می‌کنیم، می‌سازد. تراشیدن و ساختن تفاوت دو روند است.
2. انواع چاپ سه بعدی
چاپ سه بعدی مستقیم
یکی از راه‌های چاپ سه بعدی، چاپ مستقیم نام دارد. این روش در عمل شباهت زیادی به فناوری چاپ جوهر افشان روی کاغذ دارد.
چاپ جوهر افشان از سال 1960 در دسترس است. نازل چاپ سه بعدی، درست مانند انواع دو بعدی آن به جلو و عقب حرکت می‌کند. اما یک تفاوت بزرگ وجود دارد.
نازل چاپگر سه بعدی به سمت بالا و پایین نیز حرکت می‌کند. به عبارتی محور حرکتی آن به جای دو جهت در چهار جهت است.
در نتیجه لایه به لایه می‌تواند به سمت بالا حرکت کند. این نوع چاپگر به جای جوهر از موم ضخیم و پلیمرهای پلاستیکی کمک می‌گیرند.
انواع موم یا پلیمرها از طریق برخورد با هوا یا روش‌های دیگر در جای خود محکم می‌شوند. در سال 1994 ماشینی که توسط شرکت “مدل‌میکر” ساخته شد اولین تجربه موفق در تولید تجاری فناوری بود.
در مدل‌های امروزی می‌بینیم که چندین نازل به صورت هم‌زمان کار می‌کند.
چاپ سه بعدی بایندر
در این حالت دو ماده جداگانه برای تشکیل هر لایه با یکدیگر ترکیب می‌شوند. نتیجه ترکیب دو ماده، یک ماده خشک و محکم است.
چاپگرهای بایندر سه بعدی برای تشکیل هر لایه دوبار از محل عبور می‌کنند. یک لایه نوعی پودر را اسپری و لایه دیگر چسب را اضافه می‌کند.
این روند آنقدر تکرار می‌شود تا شکل نهایی ایجاد شود. روند 3DP از شرکت MIT مشابه بایندر عمل می‌کند.
مرکز تحقیقاتی MIT تنها به مجموعه‌هایی اجازه استفاده از روند را می‌دهد که از ترکیب منحصر به فرد پودر و چسب استفاده کنند.
چاپ بایندر به نسبت چاپ مستقیم چند مزیت دارد:
- سرعت آن از چاپ مستقیم بیش‌تر است. چراکه نازل‌ها مواد کم‌تری را انتقال می‌دهند
- شما می‌توانید از رنگ‌ها و مواد مختلفی در فرآیند استفاده کنید. مانند: فلزات و انواع سرامیک
مدل سازی رسوب یا فیلامان ذوب شده (FDM)
این روش شباهت زیادی به چاپ سه بعدی دارد. در فرآیند FDM می‌توانید پلاستیک مذاب را به اشکال مختلف با نازل‌های بسیار نازک شکل بدهید.
در این روند دقت میلی متری در جزئیات ممکن می‌شود.
پلیمریزاسیون نوری و سخت شدن
فوتوپلیمریزاسیون نوری یا فوتو پلیمریزاسیون یک فناوری چاپ سه بعدی است که در آن قطرات پلاستیک مایع تحت پرتوی لیزر ماورای بنفش قرار می‌گیرد.
این نور با تاثیری که روی پلاستیک دارد آن را خشک و سفت می‌کند. این روند درست مانند دیگر روش‌های چاپ لایه به لایه را تکرار می‌شود تا اشیا کامل شوند.
روش سخت شدن یکی دیگر از مسیرهای رسیدن به چاپ سه بعدی است. در این روش مواد مختلف ذوب شده و با یکدیگر ترکیب می‌شوند.
مخلوط ترکیب شده هر لایه را تشکیل می‌دهد. این روش SLS نام دارد. در روش SLS برای گرم و ترکیب کردن مواد از لیزر استفاده می‌شود.
این روند را در چاپگرهای دو بعدی لیزری مشاهده می‌کنیم. البته که نقش لیزر در دو روش تفاوت زیادی دارد. ساخت قطعات فلزی به جای ریخته گری مزایای زیادی دارد.
بزرگترین ویژگی خوب آن دقت بسیار بالا است. ریخته گری دقت مناسب برای کار را ندارد.
تا این قسمت از مقاله چگونگی چاپ سه بعدی و فناوری آن را بررسی کردیم. مرحله بعد روند کار را بررسی می‌کنیم.
3. روند چاپ سه بعدی
مهم نیست که چاپگر شما از کدام روش استفاده می‌کند. روند چاپ به طور کلی یکسان است.
- مرحله 1: خان اول از نرم افزار CAD عبور می‌کند. یک نرم افزار که به کمک آن طراحی یک مدل سه بعدی را انجام می‌دهیم. این برنامه می‌تواند اطلاعاتی از رفتار ماده در محصول نهایی را به شما تقدیم کند
- مرحله 2: فرمت نرم افزاری CAD به فرمت STL تبدیل می‌شود. این فرمت برای سیستم چاپ سه بعدی در سال 1987 ساخته شد. البته بیش‌تر چاپگرها امکان کار با فرمت ZPR و ObjDF را دارند
- مرحله 3: انتقال به دستگاه. کاربر باید فایل مربوطه را روی کامپیوتر کنترل کننده چاپگر سه بعدی کپی کند. همان کاری که در چاپگرهای دو بعدی انجام می‌شود
- مرحله 4: راه اندازی دستگاه. هر دستگاه شرایط مخصوص به خود را دارد. باید دستورالعمل کارخانه را دنبال کنید. برای مثال: پلیمرها و سایر مواد مصرفی را پر کنید
- مرحله 5: دستگاه کار خود را انجام می‌دهد. تقریبا تمام روند ساخت به صورت خودکار انجام می‌شود. ضخامت هر لایه در حدود 0.1 میلی متر خواهد بود، البته که این ضخامت به طراحی و دستگاه شما ارتباط دارد. باید صبر کنید. گاهی روند ساخت چند ساعت تا چند روز طول می‌کشد
- مرحله 6: خارج کردن جسم ساخته شده. برای جلوگیری از هر گونه آسیب به دستگاه یا جسم چاپ شده مسائل ایمنی را رعایت کند. حتما از دستکش‌های مخصوص مواد شیمیایی یا جسم داغ کمک بگیرید
- مرحله 7: باید دستگاه را بررسی و تمیز کنید. بعد از انجام کار باید بقایای مواد چاپ و دیگر موارد را خارج کنید. این کار معمولا از طریق مسواک زدن نازل یا شستن قطعات با مواد خاص انجام می‌شود. تمام مراحل را با دقت تمام انجام دهید. معمولا چاپگرهای سه بعدی حساسیت بالایی دارند
- مرحله 8: از وسیله ساخته شده استفاده کنید!
4. انقلاب چاپ سه بعدی
لوران برناداک در جریان نمایشگاه NAMM 2017 در کالیفرنیا یک ویولون چاپ شده را نواخت. در دسترس بودن و ارزان‌تر شدن چاپ سه بعدی، هر روز به جذابیت آن اضافه می‌کند.
صنعت خودرو نهایت کاربرد چاپ سه بعدی را به تصویر می‌کشد. از قطعات موتور خودرو تا بدنه را برای نمونه تولید می‌کنند و مورد آزمایش قرار می‌دهند.
برای آزمایش محصول نهایی دیگر نیازی به چند ماه صبر و هزینه زیاد نیست. حرفه پزشکی کار را تخصصی جلو می‌برد.
پروتزهای ساخته شده به روش سنتی گران تمام می‌شود. چاپگر سه بعدی یک دست مصنوعی را با کمتر از 50 دلار به شما تقدیم می‌کند.
انواع قطعات چاپ شده با مواد بهداشتی برای ترمیم صورت استفاده می‌شود. موارد دیگری برای دندانپزشکی کاربرد دارند.
شرکت تحقیقاتی EADS برای چاپ سه بعدی جسورانه جلو می‌رود. آن‌ها قطعات هواپیمای واقعی را چاپ می‌کنند. به گفته این شرکت استفاده از این روش چاپ وزن هواپیما را کاهش می‌دهد.
کاهش وزن به معنی کاهش سوخت است. در مجموع این رویه می‌تواند هزینه‌های سالانه هواپیما را تا 3000 دلار کاهش دهد.
کاربردهای زیبایی این دستگاه‌ها را فراموش نکنید. طراحان و هنرمندان از این روش برای تولید هنر، مد و مبلمان استفاده می‌کنند.
صنعت غذا بخصوص تولید شکلات از چاپگرهای سه بعدی کمک می‌گیرند. البته نمی‌توانیم از این چاپگرها برای تولید عمده استفاده کنیم.
آن‌ها برای محصولات سفارشی با شکل خاص کاربرد دارند. متاسفانه برای چاپ یک غذا، باید آن را به شکل مایع در بیاوریم.
5. نکات منفی چاپ سه بعدی
قیمت بسیار بالایی دارد. برای خرید یک دستگاه SLA PTCAM به 250 هزار دلار نیاز دارید. پلاستیک مایع در هر گالن 800 دلار تمام می‌شود.
شرکت‌ها و سازمان‌هایی که این نوع تجهیزات را به همراه دارند معمولا برای اجاره یا فروش خدمات به دیگران از آن استفاده می‌کنند.
به چاپ صنعتی AM می‌رسیم. در مدل‌های بزرگ هم‌چنان قیمت بالایی دارد. برای مثال در سال 2019 یک دستگاه 100 هزار دلاری می‌توانست قطعاتی با ابعاد 11.75 در 7.3 در 8 اینچ تولید کند.
در طرف دیگر انرژی زیادی مصرف می‌کنند. در برابر تولیدات صنعتی تا 100 برابر برق بیش‌تری مصرف می‌شود.
باید بدانید که ذرات سرطان زا و ترکیبات آلی فرار منتشر می‌کنند. اگر از آن‌ها در فضای کوچک مانند خانه استفاده کنید، مشکل ساز خواهند شد.
اگر به محیط زیست و زمین علاقه دارید، پلاستیک اضافه چاپ سه بعدی سر از مرکز زباله‌های شهر در می‌آورد. احتمالا آن را به دریا می‌ریزند یا در جایی دفن می‌کنند.
به هر حال به طبیعت و زمین آسیب می‌رساند. برای استفاده از یک چاپگر به صبر و حوصله زیادی نیاز دارید. کار آن‌ها ممکن است تا چند روز یا چند ساعت طول بکشد.
اگر کمی بیش‌تر صبر کنید فناوری روی خط پیشرفت حرکت می‌کند. هرچه به جلو برویم، مشکلات این دستگاه‌ها کمتر و کمتر خواهد شد.
به بخش جرائم می‌رسیم. جایی که مردم می‌توانند از یک دستگاه چاپ سه بعدی برای ساخت اسلحه استفاده کنند. یا حتی یک اثر هنری را در خانه چاپ کنند.
با چاپ اثر هنری و نادیده گرفتن حق اختراع یا حق چاپ قوانین زیر سوال می‌رود. احتمالا فردی که حق اختراع را به ثبت رسانده نمی‌تواند از تمامی افراد شکایت کند.
چاپ سه بعدی در خانه
هم‌چنان عادی نیست که یکی از این دوستان را در خانه، کتابخانه یا مدرسه پیدا کنیم. شاید قیمت دستگاه‌های حرفه‌ای چند صد هزار دلار باشد اما نسخه‌های کوچک با قیمت بسیار کم‌تری به فروش می‌رسند.
برای مثال دستگاه مِیکِربات رپلیکِیتِر مینی پلاس از 1299 دلار آغاز می‌شود. مواد اولیه آن از مواد PLA ساخته شده و در 12 رنگ استاندارد با قیمت 18 دلار به فروش می‌رسد.
البته برای خرید رنگ‌های مخصوص به دلارهای بیش‌تری نیاز داریم. آیا می‌خواهید دستگاه خود را، خودتان بسازید؟
وب سایت CandyFab.org راه و روش کار را به شما آموزش می‌دهد. متاسفانه این پروژه در حال حاضر تعطیل شده است اما هم‌چنان موارد خوبی را پیدا می‌کنید.
نیاز نیست که حتما یکی از این دستگاه‌ها را در خانه داشته باشید. می‌توانید به کمک نرم افزار CAD وسیله خود را طراحی کنید و برای کسانی که خدمات چاپ سه بعدی را عرضه می‌کنند، ارسال کنید.
این دوستان وب سایت طراحی و سفارش آنلاین را به همراه دارند. در سایت برخی از آن‌ها می‌توانید فروشگاه خود را داشته باشید.
به عبارتی شما محصولاتی را طراحی می‌کند و مردم آن‌ها را برای چاپ سفارش می‌دهند. با هر سفارش مبلغی به شما پرداخت خواهد شد.
امیدواریم سرعت پیشرفت چاپ سه بعدی هر روز بیش‌تر شود. شاید یک روز هر کدام از مردم یک چاپگر سه بعدی در خانه داشته باشند.
به هرحال اگر کمی به عقب باز گردیم، تمام مردم رایانه در خانه نداشتند! امروز می‌توانید به زندگی بدون رایانه یا تلفن همراه فکر کنید؟
