پرینتر سه بعدی
پرینتر سه بعدی
چاپ سه‌بعدی (three-dimensional printing) شامل مجموعه‌ای از فرآیندها است، که مواد به‌صورت کنترل‌شده‌ای به یکدیگر پیوند داده می‌شود، تا یک شی سه‌بعدی ساخته شود. معمولا این کار به‌صورت لایه‌لایه انجام می‌شود. در تعریفی دیگر، چاپ سه‌بعدی هر فرایندی را گویند، که در آن با قرارگیری پی‌درپیِ لایه‌هایی به روی یکدیگر، در یک سطح‌مقطع دوبعدی، اشیائی سه‌بعدی ساخته می‌شود. این فرآیند نظیر همان رویدادی است، که با پاششِ مرکب یا جوهر بر روی کاغذ در انواع دیگر چاپ سراغ داریم؛ با این تفاوت که در چاپ سه‌بعدی این اتفاق با تبلور، سفت‌شدن یک ماده? مایع یا پودرمانند در هر نقطه از مقاطعِ عرضیِ آن جسمی که می‌خواهیم چاپش کنیم می‌افتد. وجود رایانه در چنین فرایندی یک ضرورت است، چراکه پایه و اساس آن بر «طراحی به کمک رایانه (کد)» استوار است.
تاریخچه؟
اولین فناوری چاپ سه‌بعدی در سال 1980 میلادی مشاهده شد. دکتر کودامای ژاپنی اولین بار این فناوری را به نام خود ثبت کرد، در آن زمان این فناوری نمونه‌سازی فوری خوانده می‌شد، این نام‌گذاری به این دلیل بود که این فناوری در واقع برای ساخت سریع و کم‌هزینه? نمونه? اولیه برای یک تولید انبوه طراحی شده بود.
سپس چالرز هل در سال 1986 میلادی، دستگاه استریولیتوگرافی را به نام خود ثبت کرد. البته هل دستگاه خود را در سال 1983 اختراع کرده بود و در این مدت در حال تأسیس شرکت 3D Systems بود که در آن زمان به نام RP Systems شناخته می‌شد و هم‌اکنون نیز یکی از بزرگترین فعالان حوزه? چاپ سه‌بعدی است. در آنجا بود که اولین نمونه? این دستگاه را با نام SLA-1 ساخت و در سال 1987 میلادی آن را معرفی کرد و در سال 1988 به اولین تست موفق دست پیدا کرد.
در همان زمان‌ها کارل دکارد که در دانشگاه تگزاس مشغول بود در سال 1987 فرایند نمونه‌سازی فوری با پخت لیزری قابل انتخاب را با نام خود پر کرد. این ثبت اختراع در سال 1989 میلادی صادر شد و بعد از آن مجوزش به DTM Inc. داده شد و بعدها توسط 3D Systems خریداری شد.
در همان سال 1989 میلادی اسکات کرامپ، یکی از مؤسسان Stratasys Inc، ثبت اختراع دستگاه مدل‌سازی لایه‌های مذاب را اعلام کرد و آن را به کمپانی اختصاص داد. البته این فناوری هم‌اکنون به‌صورت مدل متن‌باز رِپ‌رپ (RepRap) بسیار فعال است.
اصطلاح «چاپ سه‌بعدی» (اختصارا 3DP) نخست به فرآیند ویژه‌ای تخصیص یافت، که توسط دانشمندان دانشگاه ام‌آی‌تی در سال 1993 (1372ش) ثبت اختراع شد و سپس طی قراردادهایی اجازه (لیسانس) آن به کارخانه‌داران زیادی واگذار شد. امروزه این اصطلاح به‌مثابه? یک عنوان عام برای شماری از فرایندهای مرتبط نیز استفاده می‌شود.
مراحل چاپ سه‌بعدی
با اینکه روش‌های مختلفی برای چاپ سه‌بعدی وجود دارد، اما مراحل اصلی همه? آن‌ها مشترک است:
1. ساخت فایل سه‌بعدی: اولین مرحله در چاپ سه‌بعدی ساخت مدل سه‌بعدی آن در رایانه است. این کار به کمک نرم‌افزارهای مدل‌سازی سه‌بعدی یا CAD انجام می‌شود. از مهندسی معکوس و اسکن سه‌بعدی قطعه‌ای که موجود است نیز در بعضی موارد می‌توان استفاده کرد.
2. ساخت فایل STL مدل: برای اینکه چاپگر مدل طراحی‌شده را شناسایی کند، باید مدل تبدیل به فرمتی شود که برای چاپگر قابل خواندن باشد. برای این منظور، فایل باید تبدیل به فرمت اس‌تی‌ال (STL: STereoLithography) شود. فرمت‌های 3DP و OBJ نیز با محبوبیت کمتری کاربرد دارند. فرمت اس‌تی‌ال برای معرفی مدل به چاپگر از چندوجهی‌ها یا مثلث‌ها استفاده می‌کند. پس از ساخت فایل اس‌تی‌ال، آن را داخل یک برنامه ـ که عمل لایه‌گذاری فایل را انجام می‌دهد و «Slicer» نامیده می‌شود، در اصطلاح، Import یا واردسازی می‌کنیم، برنامه? «اسلایسر» مدل را می‌گیرد و آن را تبدیل به G-code می‌کند، جی‌کد زبان برنامه‌نویسی دستگاه‌های سی‌ان‌سی و چاپگرهای سه‌بعدی است.
3. چاپ مدل: دستگاه‌های مختلف وجود دارند که هر کدام با سازکارهای مختلفی قطعه? مدل را چاپ می‌کنند.
4. جدا کردن قطعه? چاپ شده: در بعضی دستگاه‌ها جدا کردن قطعه? کاملاً ساده و بدون مشکل انجام می‌شود. در بعضی مدل‌های صنعتی‌تر، این کار یک فرایند کاملاً فنی و دقیق است.
5. پس‌پردازش (Post-Processing): پس‌پردازش یا مرحله? پس‌تولید در فناوری‌های مختلف متفاوت است. در بعضی موارد قطعه باید زیر اشعه? فرابنفش به‌عمل آید.
ویژگی چاپگرهای سه‌بعدی
تمامی روش‌های چاپ سه‌بعدی ـ که به‌اصطلاح «تولید افزایشی» یا «ساخت افزایشی» نامیده می‌شوند، وجه مشترک‌شان این است که پردازش در آن‌ها به‌صورت مرحله‌مرحله انجام می‌شود ـ برخلاف آنچه در ریخته‌گری یا قالب‌گیری به‌صورت تک‌مرحله‌ای رخ می‌دهد، که فرایندی تحکیمی دارند؛ یا آنچه در برش‌کاری یا براده‌برداری از یک توده? مکعبی حاصل می‌شود، که فرایندی کاهشی را طی می‌کنند. ساخت به روش‌های چاپ سه‌بعدی نسبت به شیوه‌های رایجِ پیشین امتیازات مهمی دارد، ازجمله:
- عدم نیاز به تجهیزات گران‌قیمتی که در کارخانجات ذوب فلزات و برای فرایند فرزکاری به‌کار گرفته می‌شود؛
- قابلیت ساخت قطعاتی با ساختار پیچیده و نامتعارف سفارشی، در مدتی کوتاه؛
- تولید ضایعات کمتر.
- از طرف دیگر، اشکالاتی هم در قیاس با شیوه‌های سنتی ساخت و تولید بر آن وارد است:
- امکان تولید در تعداد و سرعت کم؛
- استحکام، دقت و جلای کمتر سطوح؛
- مواد به‌نسبت محدودی که می‌توانند پردازش کنند و جنس محصولات خروجی را تشکیل دهند؛
- محدودیت بسیار در خصوص ابعاد سازه‌ای که می‌توان با قیمتی متعادل و بدون اعوجاج از این طریق ساخت.
وجه مشترک چاپگرهای سه‌بعدی
ساختار لایه‌لایه و کاربست یک طراحی سه‌بعدی کَد در این چاپ اساساً همان دو چیزی است که چاپ سه‌بعدی را نه‌تنها از چاپ‌های دیگر که دوبعدی هستند، بلکه از تمامی شیوه‌های سنتیِ تولید اجسام متمایز می‌کند. برای ساخت یک جسم توسط چاپگر سه‌بعدی صدها و بلکه هزاران لایه بر روی یکدیگر سوار می‌شوند تا فرم نهایی شکل بگیرد و در مرتفع‌ترین نقطه? راستای عمودی‌اش تکمیل شود. به این فرایند تولید افزایشی گفته می‌شود. توسط نرم‌افزارهای کَد، مهندسان مدل رایانه‌ای سه‌بعدی حجم موردنظر را آماده می‌کنند، تا با چاپگر سه‌بعدی ساخته شود. این مدل برای ماشین به برش‌های متعدد دوبعدی ترجمه می‌شود و ـ مبتنی بر یک دستورالعمل ـ به چاپگر گفته می‌شود که ماده? اولیه را دقیقاً در کدام مناطق هر یک از لایه‌های متوالی پر کند.
در واقع این واژه تولید افزایشی (additive manufacturing) است که این روش تولید را از تمامی متدهای تولید سنتی جدا کرده‌است. متد چاپ سه‌بعدی به‌نحوی است که لایه‌هایی با دقت کسری از میلی‌متر را به‌صورت بخش بخش می‌سازد در حالی که متدهای سنتی تماماً بر اساس براده‌برداری یا قالب‌ریزی و ریخته‌گری بوده‌اند و خود کلمه «manufacturing» ریشه لغوی در زبان فرانسوی دارد، که به معنای «با دست ساخته شده» است. در روش‌های سنتی که ذکر شد محدودیت‌ها و معایب بسیاری دیده می‌شود. مثلاً در روش براده‌برداری که از یک قطعه? بزرگ‌تر به جسم نهایی می‌رسند؛ معمولاً 90? از ماده هدر می‌رود، که هزینه? زیادی برای تولیدکننده و درنتیجه مصرف‌کننده خواهد داشت. در مقابل ایده? چاپ سه‌بعدی لایه‌ها را بر روی هم می‌سازد و هدررفت کمتری ماده? اولیه خواهیم داشت، به‌صورت خودکار انجام می‌شود و دقت بالایی نیز دارد.
چاپ سه‌بعدی یک فناوری توانمند است که طراحان را تحریک و تشویق می‌کند و به آن‌ها آزادی طراحی بی‌سابقه‌ای می‌دهد و این در حالی است که این فرایند ابزار کمتری نیاز دارد و نتیجتاً باعث کاهش هزینه‌های سنگین می‌شود. همچنین به‌وسیله? این فناوری قطعات را می‌توان به‌طور خاص طراحی کرد و نیازی به مونتاژ با هندسه و ویژگی‌های پیچیده برای دستگاه نیست.
این فناوری همچنین به‌عنوان یک فناوری با مصرف بهینه انرژی ظهور کرده‌است و همچنین هیچ‌گونه آلودگی‌ای برای محیط زیست ندارد. با استفاده از مواد استاندارد طول عمر قطعات بیشتر می‌شود، وزن آن‌ها کاهش می‌یابد و در عین حال استحکام بالا می‌رود.
عمولاً چاپ سه‌بعدی برای ساخت پیش‌نمونه‌های پلاستیکی یا فلزی در فرایند طراحی اجزائی جدید از یک محصول بزرگ‌تر کاربرد دارد. بااین‌حال، می‌تواند در ساخت یک محصول کامل برای ارائه به مشتریان نیز به‌کار آید. آنچه با چاپگرهای سه‌بعدی ساخته می‌شوند دامنه? وسیعی دارد: از پیکره‌های کوچک پلاستیکی گرفته، تا بافت قالب‌ها، قطعات استیل ماشین‌آلات، و ایمپلنت‌های تیتانیوم که در جراحی استفاده می‌شوند.
امروزه مدل‌سازی سه‌بعدی در رشته‌های گوناگونی همچون قطعه سازی، معماری، طراحی صنعتی، روباتیک، صنایع هوافضا و… رایج است. این مدل‌سازی‌ها تا پیش از این به شکل تصاویر دوبعدی روی صفحه‌های نمایشگر یا روی کاغذ ارائه می‌شدند تا افراد با دیدن آن‌ها درکی از آنچه طراحان در ذهنشان دارند بدست آورند.
چاپگرهای سه‌بعدی توانایی تولید هر نوع قطعه‌ای با هر شکل و زاویه‌ای که باشد، تو پر باشد، یا تو خالی، صاف باشد یا منحنی، … هر قطعه‌ای با هر طراحی را دارد. این نیاز در همه جا قابل لمس است. صنعت، پزشکی، آموزشی، خودرو سازی، نظامی و هر کاری که نیاز به شبیه‌سازی، تولید ماکت و ساخت طرح اولیه دارد، با استفاده از چاپگر سه‌بعدی، هم می‌تواند، فرایند زمان‌بر شبیه‌سازی و ساخت ماکت قطعات را تسریع بخشد و تنها با چاپ گرفتن طرح سه‌بعدی در زمانی بسیار کم، به بررسی قطعه بپردازد.
امکان‌سنجی و ایده پردازی چاپ‌های سه‌بعدی برای بار اول در سال 1950 به ذهن دانشمندان راه یافت. طرح اولیه? چاپگرهای سه‌بعدی در دهه? هشتاد با نام پیش‌نمونه‌سازی فوری ارائه و اولین نمونه از آن توسط چارز هال ساخته و به نام این دانشمند ثبت شد. اما چاپگرهای سه‌بعدی امروزی برای اولین‌بار با روش استریولیتوگرافی (SLA) در سال 1986 ساخته و دو سال بعد وارد بازار شدند. در سال‌های اخیر فناوری چاپ سه‌بعدی از پیش‌نمونه‌سازی فوری و فرایند تولید صنعتی فراتر رفته‌است به کمپانی‌های کوچک و حتی فعالیت‌های شخصی راه پیدا کرده‌است.
چاپگرهای سه‌بعدی تجاری هرروز فرایند تولیدشان را بهبود می‌بخشند و با پیشرفت‌های ریزودرشت می‌روند تا راه خود را در بازارِ وسایلِ تولیدکننده یک محصول نهایی باز کنند. همچنین، پژوهشگران دائماً در پی آزمایش مواد و راهکارهای متفاوت برای یافتن راه‌هایی هستند که بتوان با چاپگرهای سه‌بعدی محصولات ناهمگونی را از بدنه? خودرو گرفته، تا بلوک‌های سیمانی و محصولات خوراکی از مواد غذایی تولید کرد.