چاپ سه بعدی چگونه کار می‌کند؟

یکی از روش‌های تولید افزایشی، چاپ سه‌بعدی است. این روش «افزایشی» است، زیرا به جای نیاز به بلوکی از مواد یا قالب، به سادگی لایه‌های مواد را روی هم قرار داده و ترکیب می‌کند تا اشیاء واقعی ایجاد شوند. این روش می‌تواند هندسه‌های پیچیده‌تری نسبت به فناوری‌های «متعارف» بسازد، اغلب سریع است، هزینه‌های ثابت راه‌اندازی ارزانی دارد و با طیف وسیعی از مواد که دائماً در حال افزایش هستند، کار می‌کند. بخش مهندسی از آن به ویژه هنگام نمونه‌سازی اولیه و توسعه هندسه‌های سبک وزن، استفاده قابل توجهی می‌کند.

تولید افزایشی و چاپ سه‌بعدی

اصطلاح «چاپ سه‌بعدی» اغلب با فرهنگ سازندگان، آماتورها و علاقه‌مندان، چاپگرهای رومیزی، تکنیک‌های چاپ در دسترس مانند FDM و مواد ارزان‌قیمت مانند ABS و PLA مرتبط است. این تا حدودی به دلیل چاپگرهای رومیزی مقرون‌به‌صرفه‌ای است که از جنبش RepRap ظهور کردند، مانند MakerBot و Ultimaker اصلی که به دموکراتیزه کردن چاپ سه‌بعدی و رونق چاپ سه‌بعدی در سال ۲۰۰۹ کمک کردند.

فناوری چاپ سه‌بعدی: آینده‌ی تولید نوآورانه

سه بعدی چاپ تاریخ

محصولات مفهومی چاپ سه‌بعدی از دهه ۱۹۷۰ آغاز شدند. در سال ۱۹۸۱، دکتر کوداما، دانشمند ژاپنی، که اولین کسی بود که روش تولید چاپ لایه به لایه را توصیف کرد، چاپ سه‌بعدی را امتحان کرد و شخصاً فناوری چاپ سه‌بعدی SLA (استریولیتوگرافی) را که رزین حساس به نور بود و توسط نور ماوراء بنفش پلیمریزه می‌شد، ابداع کرد.

چند سال بعد، دانشمند آمریکایی چارلز هال نیز تحقیقات عمیقی در مورد فناوری SLA انجام داد و اولین حق ثبت اختراع SLA را در سال ۱۹۸۶ ارائه داد. او شرکت ۳D Systems را تأسیس کرد و اولین محصول تجاری خود، SLA-1، را در سال ۱۹۸۸ منتشر کرد. (تصویر زیر)

می‌توان گفت SLA اولین فناوری چاپ سه‌بعدی توسعه‌یافته است، بنابراین چه زمانی SLS (Selective Laser Sintering) و FDM (Fused Deposition Modeling) بعداً به وجود آمدند؟

در سال ۱۹۸۸، کارل دکارد آمریکایی فناوری SLS را در دانشگاه تگزاس به ثبت رساند، که یکی دیگر از تکنیک‌های چاپ سه‌بعدی است که در آن یک لیزر ذرات پودر را به صورت محلی برای چاپ به هم جوش می‌دهد. در همان سال، اسکات کرامپ، یکی از بنیانگذاران Stratasys، برای مدل‌سازی رسوب ذوب‌شده (FDM) درخواست ثبت اختراع داد. از سال ۱۹۸۰ تا ۱۹۹۰، سه فناوری اصلی چاپ سه‌بعدی همگی به ثبت رسیدند که آغاز دوره‌ای از توسعه سریع در این صنعت بود.

در اروپا، شرکت EOS GmbH یک سیستم طراحی برای چاپ سه‌بعدی ایجاد کرد: سیستم Stereos. امروزه، مدل‌های چاپ سه‌بعدی آن در بخش صنعت در سراسر جهان برای فناوری چاپ سه‌بعدی SLS (ذوب انتخابی لیزر) برای پلاستیک‌ها و فلزات شناخته شده در ... استفاده می‌شوند.

در سال ۱۹۹۲، حق ثبت اختراع فناوری چاپ سه‌بعدی FDM (مدل‌سازی رسوب ذوب‌شده) توسط Stratasys تأیید شد، که چاپگرهای سه‌بعدی را برای برآوردن نیازهای مختلف بسیاری از متخصصان و افراد توسعه می‌داد.

از سال ۱۹۹۳ تا ۱۹۹۹، فناوری‌های مختلفی در صنعت چاپ سه‌بعدی ظهور کردند. همزمان، نرم‌افزارهای CAD و مدل‌سازی سه‌بعدی جدیدتری توسعه یافتند، برای مثال، Sanders Prototype (که اکنون Solidscape نامیده می‌شود) یکی از اولین مشارکت‌کنندگان در این زمینه بود.

کاربردهای چند رشته‌ای چاپ سه‌بعدی

در سال ۲۰۰۸، اولین پروتز چاپ سه‌بعدی عرضه شد که سهم چاپ سه‌بعدی را در رسانه‌ها افزایش داد. مردم دریافتند که چاپ سه‌بعدی نه تنها می‌تواند قطعات سنتی را چاپ کند، بلکه می‌تواند در ترمیم بدن انسان نیز به کار رود. این پروژه چاپ سه‌بعدی پزشکی شگفت‌انگیز، تمام قسمت‌های یک اندام بیولوژیکی را ترکیب می‌کند و می‌تواند بدون هیچ مونتاژ بعدی، «به همان شکل» چاپ شود. امروزه، همراه با اسکن سه‌بعدی، پروتزها و ارتزهای پزشکی چاپ سه‌بعدی ارزان‌تر و سریع‌تر می‌شوند تا نیازهای بیماران را برآورده کنند. علاوه بر این، این پروتزها به طور فزاینده‌ای بهینه شده و با مورفولوژی بیمار سازگار می‌شوند. چاپ سه‌بعدی فرصت‌های جدیدی را برای شخصی‌سازی انبوه به ارمغان می‌آورد. (تصویر را اضافه کنید)

سال ۲۰۰۹ سالی بود که اختراعات FDM وارد حوزه مصرف انبوه شد و مسیر جدیدی را برای نوآوری گسترده چاپگرهای سه‌بعدی FDM گشود. با کاهش قیمت چاپگرهای سه‌بعدی رومیزی، افراد بیشتری توانستند به توسعه صنعت چاپ سه‌بعدی توجه کنند.

در سال ۲۰۱۳، باراک اوباما، رئیس جمهور ایالات متحده، در سخنرانی سالانه خود در کنگره، از چاپ سه‌بعدی به عنوان شیوه اصلی تولید در آینده یاد کرد و «چاپ سه‌بعدی» را به یک واژه کاملاً رایج تبدیل کرد. اکنون، جایگاه آن در ذهن عموم بسیار برجسته شده است. شرکت‌های کوچک و متوسط ​​بیشتری از نمونه‌سازی کم‌هزینه ارائه شده توسط چاپ سه‌بعدی بهره می‌برند و آن را به طور کامل در فرآیندهای تکرار، نوآوری و تولید خود ادغام می‌کنند.

خودروی مفهومی چاپ سه‌بعدی

تا جایی که به کاربردهای ساختمانی مربوط می‌شود، خانه‌های چاپ سه‌بعدی اکنون به یک واقعیت تبدیل شده‌اند. مردم برای اولین بار در سال ۲۰۱۸ به خانه‌های چاپ سه‌بعدی نقل مکان کردند. این خانه مساحتی معادل ۱۰۲۲ فوت مربع دارد که بسیار قابل سکونت است. چاپ آن در مجموع دو روز طول کشید.

سیستم طبقه‌بندی چاپ سه‌بعدی در مورد شباهت‌ها و تفاوت‌های بین تولید و چاپ سه‌بعدی

به عنوان مثال، توپ توخالی را در نظر بگیرید. بیش از دوازده گل روی سطح آن وجود دارد. اگر با ماشین‌کاری سنتی پردازش شود، بسیار دردسرساز خواهد بود و الگوها باید یکی یکی اصلاح شوند. و اگر چاپ سه‌بعدی را انتخاب کنید، هیچ اتلاف ماده‌ای وجود ندارد، بنابراین نامی به نام تولید افزایشی نیز دارد، به این معنی که از روش انباشت تدریجی مواد برای ساخت قطعات فیزیکی استفاده می‌شود. روش سنتی این است که ابتدا جنین ساخته می‌شود، سپس مواد اضافی حذف می‌شوند و مواد باقی مانده به شکل مورد نیاز در می‌آیند. اگر مشکلی تشخیص داده شود، لازم است قالب را باز کرده و آن را اصلاح کنید. در حالی که چاپ سه‌بعدی از انباشت تدریجی مواد استفاده می‌کند، می‌توانید به سرعت محصول نهایی را مشاهده کنید.

تحقق فناوری چاپ سه‌بعدی

فناوری چاپ سه‌بعدی در تولید صنعتی به کار می‌رود. چیزی که چاپ سه‌بعدی باید از آن استفاده کند، جسم فیزیکی نیست، بلکه مدل دیجیتالی است. اگر می‌خواهید جسم واقعی روبروی خود را چاپ سه‌بعدی کنید، باید از یک کامپیوتر برای مدل‌سازی آن استفاده کنید یا از یک اسکنر سه‌بعدی برای دیجیتالی کردن جسم واقعی، یعنی یک مدل سه‌بعدی، استفاده کنید و می‌توانید چیزها را در کمتر از پانزده دقیقه چاپ کنید. در حال حاضر، فناوری چاپ سه‌بعدی به چهار دسته اصلی تقسیم می‌شود: FDM، DLP/SLA و SLS

SLS-- فرآیند قالب‌گیری با تف‌جوشی لیزری

SLS یک پودر نسبتاً پیشرفته است که تحت شرایط دمای بالای تابش لیزر ذوب می‌شود. یک لایه پودر نازک را روی میز کار پخش کنید و سطح مقطع لایه را با پرتو لیزر اسکن کنید تا دما به نقطه ذوب برسد، تا پخت و اتصال محقق شود، پخش پودر، پخت، سنگ‌زنی و خشک کردن را بارها و بارها تکرار کنید تا مدل شکل بگیرد. در واقع، چاپ سه بعدی، چاپ دو بعدی است. اگر یک شیء را بسیار نازک برش دهید، متوجه خواهید شد که هر قطعه یک شکل دارد. اگر همه شکل‌ها را کنار هم قرار دهید، یک شیء با ساختار سه بعدی به دست می‌آورید. بنابراین ما از لیزر برای ترسیم گرافیک استفاده می‌کنیم. مقاومت قطعات قالب‌گیری شده SLS در برابر محیط (دما، رطوبت و خوردگی شیمیایی) مشابه مواد ترموپلاستیک است. در حالی که مقاومت قطعات قالب‌گیری شده SLA نسبتاً ضعیف است، به عنوان مثال، قطعات کار SLA قالب‌گیری شده با رزین اپوکسی در برابر رطوبت و مواد شیمیایی حساس هستند. در برابر خوردگی، در محیطی بالاتر از 38 درجه سانتیگراد نرم و تاب برمی‌دارد، اما دقت شکل‌دهی بالا است.

SLA - فرآیند قالب گیری استریولیتوگرافی

SLA یک فناوری پخت نوری است که در حال حاضر در چین نسبتاً توسعه یافته است. "استریولیتوگرافی" زمانی است که پرتو لیزر شکل لایه اول جسم را روی سطح رزین مایع ترسیم می‌کند و سپس سکوی تولید با فاصله مشخصی (بین 0.05 تا 0.025 میلی‌متر) پایین می‌آید و سپس لایه جامد شده در رزین مایع غوطه‌ور می‌شود و به همین ترتیب ادامه می‌یابد. رزین مورد استفاده یک رزین حساس به نور است که پس از تابش پرتو لیزر، حالت جامد تشکیل می‌دهد و مدل شکل‌دهی سریع و دقیق است.

DLP-- فرآیند قالب‌گیری استریولیتوگرافی

پردازش نور دیجیتال DLP، که به عنوان فناوری شکل‌دهی لیزری شناخته می‌شود. فناوری چاپ سه‌بعدی DLP شباهت‌های زیادی با فناوری چاپ سه‌بعدی SLA دارد. اگر تولید را به کشیدن دایره با مداد تشبیه کنیم، فناوری SLA معادل کشیدن لایه به لایه است، در حالی که DLP معادل مهر زدن مستقیم است. تولید انبوهی که ما دنبال می‌کنیم دو نکته بسیار مهم دارد، یکی کارایی و دیگری هزینه مواد. یک چاپگر سه‌بعدی وجود دارد که می‌تواند صدها برابر سریع‌تر از تولید سنتی چاپ کند، یعنی فناوری رو در رو، که توسط شرکتی در شنژن، Light Prism Technology، توسعه داده شده است. چاپ یک توپ توخالی با چاپ سه‌بعدی FDM سنتی 2 تا 5 ساعت طول می‌کشد و در سریع‌ترین حالت یک ساعت طول می‌کشد، اما چاپ با جدیدترین فناوری رو در رو فقط حدود 10 دقیقه طول می‌کشد. سرعت چاپ شگفت‌انگیز است. وقتی این چاپ سه‌بعدی وارد بازار شود، تأثیر آن بر صنایع دستی سنتی همچنان زیاد است.

FDM - فرآیند قالب‌گیری رسوبی ذوب‌شده

در مقایسه با فناوری‌های DLP و SLS، فناوری FDM نسبتاً ساده است، بنابراین مخاطبان زیادی دارد و ورود به این خانواده آسان‌تر است. نمونه اولیه مستقیماً از داده‌های سه‌بعدی CAD با استفاده از مواد ترموپلاستیک که باید به یک رشته نیمه مذاب اکسترود شوند، ساخته می‌شود که به صورت لایه به لایه رسوب می‌کند. مزایای فناوری FDM ساختار مکانیکی ساده، طراحی آسان، هزینه تولید پایین، هزینه نگهداری و هزینه مواد و عدم آلودگی محیط زیست است. بنابراین، FDM همچنین پرکاربردترین فناوری در چاپگرهای سه‌بعدی رومیزی خانگی است. این یک روش چاپ نسبتاً سنتی است که از لیزر استفاده نمی‌کند و هزینه کمی دارد، اما دقت آن بالا نیست و سرعت چاپ بسیار کند است. این روش در دسترس‌ترین روش برای همه است و عموماً در بازار آموزش استفاده می‌شود.

تأثیر چاپ سه‌بعدی بر تولید و صنایع دستی سنتی

مزایای چاپ سه بعدی

(1) سفارشی‌سازی

به عنوان مثال، دندانپزشکی را در نظر بگیرید، دندان‌های هر فرد متفاوت است، اما چاپ سه‌بعدی می‌تواند تضاد بین تولید سفارشی و تولید انبوه را حل کند و ایمپلنت‌ها، بریس‌ها و غیره را به صورت انبوه و سفارشی تولید کند.

(2) نمونه‌برداری در زمان واقعی

به دلیل سرعت بالای چاپ سه بعدی، طراح صبح یک نسخه از محصول را طراحی می‌کند و رهبر می‌تواند محصول نهایی را ظهر ببیند و سپس ساعت 6 بعد از ظهر نسخه دیگری را طراحی می‌کند و می‌تواند صبح روز بعد محصول نهایی را ببیند که این امر سرعت توسعه محصولات جدید را تا حد زیادی تسریع می‌کند. اگر پیچیدگی خاصی نداشته باشد، چاپ سه بعدی می‌تواند محصولات نهایی را در 3 ساعت تولید کند، در حالی که نمونه‌سازی سنتی هر بار 4 تا 6 هفته طول می‌کشد، بنابراین سرعت کلی طراحی صنعتی نیز بهبود می‌یابد.

(3) بدون آلودگی

 از آنجایی که مواد اولیه تولید شده همگی سازگار با محیط زیست هستند، کل فرآیند تولید بدون آلودگی است. هیچ آلودگی ناشی از گاز و فاضلاب و همچنین هیچ گونه هدر رفت مواد باقی مانده وجود ندارد.

(4) داده‌سازی

وقتی دندانپزشکی دیجیتال به بلوغ برسد، الزامات فنی برای پزشکان بسیار کاهش می‌یابد. بیماران فقط کافی است دو دقیقه در بیمارستان از این دستگاه برای اسکن استفاده کنند و می‌توانند علل و راه‌حل‌های همه مشکلات دندانی را بدانند.

علاوه بر این، چاپ سه بعدی می‌تواند برای ارتودنسی نیز استفاده شود، بریس‌های شفاف شخصی‌سازی شده و سفارشی چاپ شوند. در طول جراحی پلاستیک، آیا دندان‌ها باید به سمت چپ یا جلو حرکت کنند؟ چند میلی‌متر حرکت کنند؟ در گذشته، جراحی دندان صرفاً به تجربه شخصی پزشک متکی بود، اما دندانپزشکی دیجیتال پایداری عمل را افزایش داده و آستانه فنی را برای پزشکان کاهش داده است.

(5) سریع

 در مقایسه با فرآیندهای صنعتی سنتی، چاپ سه‌بعدی نیازی به مقدمات اولیه مانند نیروی انسانی و حمل و نقل ندارد. فقط به ماشین‌آلات و مواد اولیه نیاز دارد و می‌تواند به سرعت به مرحله تولید برسد.

(6) اتوماسیون

 می‌توان گفت که بین تخیل مجازی و واقعیت، تنها یک چاپگر سه‌بعدی وجود دارد. تولید تک‌کلیدی چاپ سه‌بعدی، هزینه‌های نیروی کار و خطاهای انسانی زیادی را صرفه‌جویی می‌کند.