هر آنچه که باید در مورد چاپگرهای سه بعدی بدانید

زومیت: این فناوری ارزشمند در ابتدا، به دلیل قیمت بالا و فرایندهای پیچیده‌ای که با خود به همراه داشت، تنها در انحصار گروه کوچکی از تولید کنندگان بزرگ صنعتی علاقه‌مند قرار داشت. اما امروزه، با کاهش بها و افزایش میزان دسترسی افراد، حتی تا سطح مصرف‌کنندگان شخصی و خانگی، چاپ سه‌بعدی این زمان را به لحظه‌ای تاریخی و عمیق در تاریخ صنعت بدل کرده و ابعاد این پدیده، هنوز حتی برای خود صنعت‌گران بزرگ و مراکز تحقیقاتی عظیم، مشخص و قابل پیش‌بینی نیست.


تاریخچه

همه چیز به سال 1980 میلادی برمی‌گردد. زمانی که برای نخستین بار، اولین مواد و تجهیزات مناسب برای چاپ سه بعدی مهیا شد. واضح است که آن موقع، هیچ چیز به سادگی امروز نبود و علاوه بر قیمت بسیار بالای قطعات و مواد اولیه، تخصص بسیار زیادی برای مدل‌سازی و تولید یک شئ ساده مورد نیاز بود. در آن زمان، آقای چاک هالک از «صنایع سامانه‌های سه بعدی»، موفق به ساخت نوعی ماشین (که آن روزها به ماشین‌های تولید افزایشی یا AM شهرت داشتند) شد که از فرایند جدیدی به نام اِستریولیتوگرافی بهره می‌بُرد. در این روش، با تاباندن لیزرهای فرابنفش (UV) به مواد فوتوپولیمر (نوعی درشت مولکول که در اثر تابش نور یا پرتوهای فرابنفش، تغییر ماهیت می‌دهد)، موجب تغییر شکل آن‌ها و به وجود آوردن اشکال هندسی پیچیده می‌شدند. به این صورت که لایه‌هایی از مواد جامد، یکی پس از دیگری بر روی هم قرار می‌گرفتند و یک مقطع عرضی مشخص را به وجود می‌آوردند. بر اثر تابش لیزر، مواد به سرعت برش خورده، ذوب شده و لایه‌ها به یکدیگر اتصال می‌یافتند. با ادامه‌ی کار، محصول نهایی به دست می‌آمد. او همچنین فرمت STL را به عنوان فرمت مرجع نرم افزارهای کامپیوتری طراحی مخصوص چاپگرهای سه‌بعدی معرفی کرد.

در دهه 90 میلادی، شرکت Stratasys ، روش‌هایی چون برش یا ذوب مواد [اغلب پلاستیکی] را ابداع نمود. 5 سال بعد، کمپانی Z Corporation، تولید افزایشی را بر اساس یک نام تجاری پیشنهاد شده از سوی موسسه فناوری ماساچوست، چاپ سه بعدی (3D Printing یا 3DP) نامید.

در روشی دیگر، از بسپارهای حساس به نور مانند رزین، برای ریخته گری مستقیم یا غیر مستقیم محصول نهایی استفاده می‌شود. به این صورت که چاپگر سه بعدی، مانند چاپگرهای جوهر افشان، رزین را بر روی یک بستر پودری از مواد پلیمری می‌پاشد. در این روش دقت چاپ، به 10 میکرون هم می‌رسد. با استفاده رزین‌های قابل ریخته‌گری، می‌توان کارهای بسیار ظریفی را، حتی به صورت تو خالی تولید نمود. در صنایع ساخت مجسمه و اشیا تزئینی، از رزین‌های سرامیکی برای قالب گیری استفاده می‌شود، زیرا این نوع مواد محکم‌تر هستند و به صورت مستقیم قابل ریخته‌گری نیستند.

در مصارف گوناگون، از طیف وسیعی از مواد اولیه استفاده می‌شود که از میان پرکاربردترین آن‌ها می‌توان به برخی فلزات مانند تیتانیوم، رزین، خمیر سرامیک، انواع مواد ترموپلاستیک، پلاستیک و نایلون اشاره کرد.

کاربردها

در سال 1980، در پرینترهای سه بعدی در مصارفی چون ساخت برخی محصولات یا قطعات جانبی کوچک، شهودی‌سازی داده‌ها و ساخت سریع نمونه‌های آزمایشی صنعتی استفاده می‌شد. امروزه اما کاربرد این فناوری تا ده‌ها کیلومتر فراتر از سطح زمین هم پیش رفته، و علاوه بر آن، نقش چاپگرهای سه بعدی در معماری، ساخت‌و‌ساز خانه، طراحی صنعتی، ساخت خودرو، اسباب بازی، وسایل نقلیه، صنایع هوا و فضا، کاربردهای نظامی، مهندسی، پزشکی و ساخت دارو، بیوتکنولوژی، فشن و مُد، تولید کفش، جواهرات زینتی، عینک و صنایع غذایی پررنگ و قابل لمس است.


در همین هفته‌های اخیر بود که خبر رسید محققان با استفاده از چاپ سه بعدی، موفق به ساخت موادی شده‌اند که در عین چگالی بسیار بسیار کم، می‌توانند تا 1600 برابر وزن خود حمل کنند.

تولید ایمپلنت و اعضای مصنوعی بدن انسان، از جمله پیشرفت‌هایی در علم پزشکی است که به کمک پرنترهای سه بعدی بدست آمده است. تا به مروز، نمونه‌های موفقی مانند ساخت استخوان لگن خاسره تیتانیومی برای یک بیمار بریتانیایی، فک پایینی (باز هم از جنس تیتانیوم) برای یک فرد هلندی، یک نای پلاستیکی برای بیمار آمریکایی، جمجمه مصنوعی برای زنی 22 ساله، پرینت سه‌بعدی تومورها برای مقابله با سرطان، ساخت فیلتر برای پاک‌سازی خون از سموم و تولید رگ‌های خونی وجود داشته‌اند.

اصول کار: نرم افزار و سخت افزار


برای استفاده از یک پرینتر سه بعدی، نخست به طرح شبیه سازی شده محصول مورد نظر نیاز داریم که از دو راه قابل تهیه است: اول استفاده از نرم افزارهای طراحی سه بعدی در کامپیوتر با فرمت STL یا سایر فرمت‌های پشتیبانی شده‌ی دیگر؛ دوم پویش (اسکن) سه بعدی یک جسم حقیقی با استفاده از لیزر یا دوربین‌های مجهز به عمق سنج مانند کینکت مایکروسافت. چاپگرهای جدید، تقریبا توانایی اجرای هر طرحی را دارند. طراحی مدل‌های سه بعدی در کامپیوتر، بسته به پیچیدگی و گستردکی آن می‌تواند از چند دقیقه تا چند روز به طور بینجامد.

در بحث سخت افزاری، رزولوشن، نوع مواد اولیه قابل مصرف و تعداد بازوهای چاپگر اهمیت دارند. منظور از رزولوشن، ضخامت لایه‌های ورقه‌ای (بر حسب میکرومتر) و همچنین طول و عرض آن‌ها (بر حسب نقطه بر اینچ) است. این مقدار برای مدل‌های ارزان قیمت و معمول، برابر 100 میکرومتر و 250 نقطه بر اینچ است. در مدل‌های میانی، این اعداد تا 16 میکرومتر و 1600 نقطه بر اینچ ارتقا می‌یابند.

استفاده از قالب‌های پلیمری و ریخته گری رزینی، نسبت به مدل‌های مجهز به لیزر فرابنفش (ذوب لایه‌های پلاستیکی) هزینه کمتری خواهد داشت.

همه گیر شدن پرینترهای سه بعدی و آثار آن


مشخص است که چاپ سه بعدی، ابعاد گوناگونی از زندگی ما را تحت تاثیر قرار داده و این تازه اول راه است. همانطور که پیش‌تر اشاره شد، صنایع گوناگونی درگیر این محصولات شده‌اند. یکی مزایای بسیار جالب این پرینترها، این است که به ایالات متحده اجازه داده بسیاری از کالاها را در خاک خود تولید کند (نه کشورهای در حال توسعه مانند بنگلادش و تایلند یا کشور پرجمعیتی مانند چین) و این موضوع می‌تواند در مورد کشورهای صنعتی یا غیر صنعتی دیگر هم صادق باشد. از طرق دیگر، امکان اعمال شخصی‌سازی‌های بسیار ایجاد شده که تا پیش از این، چه برای صنایع بزرگ و چه برای مصرف کنندگان خرد (خصوصا برای این دسته) ممکن نبود.

اگر بخواهیم نیمه خالی لیوان را ببینیم، چاپگرهای سه بعدی امکان تولید و عرضه تجاری محصولات تقلبی و غیر اصل را فراهم کرده است. کافی است مدل سه بعدی یک محصول پرطرفدار، مثلا قاب معروف سری عینک‌های ری- بَن را تهیه کرده یا بسازید. حالا فقط می‌ماند کار پخش و فروش که البته در برخی مناطق دنیا به سادگی آب خوردن است. در این گونه موارد، تشخیص جنس اصل از تقلبی، حداقل در نگاه اول کار آسانی نخواهد بود. اگر اهمیت چندانی به درآمد شرکت‌های چند میلیارد دلاری نمی‌دهید، این بعد قضیه را هم نگاه کنید: اگر این فناوری به طور کامل ارزان و همه گیر شود، ممکن است به دست افراد زیان‌کار و بدذات هم برسد. اینجا است که ممکن است حتی خطرآفرین هم باشد. حال ممکن است این خطر از ساخت ابزارآلات خطرزا ناشی شود، یا از استفاده مواد غیر استاندارد شیمیایی.

اگر پس از خواندن این مقاله، به چاپ سه بعدی علاقه‌مند شده‌اید، می‌توانید از منابعی که در ادامه آورده‌ایم استفاده کنید.

ویدئوی زیر مربوط به محصول کمپانی Make است که در مقوله چاپ سه بعدی، کاربر را از مراحل مقدماتی تا سطوح پیشرفته همراهی می‌کند. می‌توانید سری هم به سایت یکی از تولید کنندگان مطرح چاپگرهای سه‌بعدی (MakerBot) بزنید تا هم چیزهای زیادی یاد بگیرید، هم با آخرین محصولاتی که به بازار آمده آشنا شوید.