فناوری چاپگرهای سه‌بعدی

ساخت افزایشی یا تولید افزاینده (Additive manufacturing) یا به طور کوتاه AM به مجموعه‌ای از محصولات گفته می‌شود که توسط فناوری چاپگرها یا پرینترهای سه‌بعدی تولید شده باشند. معنی واژه AM در واقع ساخت یک شی به وسیله افزودن ماده به آن به صورت لایه به لایه می‌باشد. این واژه به وسیله موسسه بین‌المللی ASTM برای استفاده در این فناوری به وجود آمد اما در طول تاریخ، این فناوری با نام‌های بسیاری مانند چاپ چندبعدی، لایه‌بندی سه بعدی و چاپ (پرینت) سه‌بعدی نام برده شد. در میان این نام‌ها چاپ یا پرینت سه‌بعدی به خاطر شباهت بسیار زیادش به نوع فرآیند این فناوری بیشتر مورد استقبال قرار گرفته است.

شما می توانید برخی از اصول اولیه فناوری AM را در غارهای ماقبل تاریخ، جایی که قطرات آب حاوی مواد معدنی بعد از هزاران سال بر روی هم چکیده و طاقدیس ها را به وجود آورده مشاهده کنید با این تفاوت که پرینتر های سه بعدی بر خلاف طاقدیس های هزاران ساله در عرض مدت کوتاهی و با طرح و برنامه قبلی از رایانه، اشیاء مورد نظر ما را به وجود می آورند. در واقع رایانه، به وسیله نرم افزار ویژه به طور دقیق جای هر لایه را مشخص کرده تا نهایتا به طرح مورد نظر ختم شود.

ساخت افزایشی و چاپ سه‌بعدی به طور چشمگیری در حال رشد است. فناوری جدیدی که به عنوان آغازی برای ساخت سریع نمونه‌های اولیه از محصولات پزشکی، دندان‌پزشکی، هوافضا و یا صنایع خودرو به کار می‌رود. چاپگرهای سه‌بعدی همچنین گذری هم بر دنیای اسباب‌بازی، مبلمان، هنر و مد داشته‌اند.

این مقاله قصد دارد به طور گسترده به چاپگرهای سه‌بعدی بپردازد، از تاریخچه و فناوری آن تا گستره وسیع موارد قابل استفاده، از جمله چاپ مدل های سه بعدی در خانه.

تاریخچه چاپگرهای سه‌بعدی

نخستین بار در اواخر دهه ۱۹۸۰ و اوایل دهه ۱۹۹۰ از فناوری تولید افزایشی در ساخت نمونه‌سازی سریع استفاده شد. نمونه‌های اولیه به سازندگان اجازه می‌دهند پیش از تولید عمده و عرضه محصول خود با دقت بیشتری طراحی آن را بررسی و حتی کارایی آن را آزمایش کنند. به لطف این فناوری، ساخت نمونه های اولیه که تا پیش از آن گاهی تا چند ماه هم به طول می کشید به چند روز یا چند ساعت کاهش یافت.
طراحان در نمونه‌سازی سریع با استفاده از نرم‌افزارهای CAD، اصول اولیه را به کامپیوتر تفهیم کرده و سپس دستگاه با دریافت دستورات، آن را اجرا می کند. این فرآیند که بر پایه‌ی ایجاد اشیاء با پرینت و بر پایه طرح لایه به لایه به وجود آمد به عنوان چاپ سه‌بعدی شناخته می‌شود.

برای نخستین بار توسعه رسمی فناوری پرینترهای سه بعدی در موسسه فناوری ماساچوست (MIT) و شرکتی به نام 3D Systems آغاز شد. در دهه ۱۹۹۰, MIT طرحی را با استفاده از نام تجاری پرینت سه‌بعدی توسعه داد که بعدها به طور اختصار به 3DP نیز شناخته شد. در سال ۲۰۱۱ موسسه MIT به شش شرکت پیشگام در این زمینه مجوز استفاده از فرآیند 3DP را در محصولاتشان صادر کرد.

شرکت  3D Systems که در شهر راک هیل واقع شده از ابتدای حضورش در سال ۱۹۸۶ تا به امروز به عنوان یکی از پیشگامان توسعه و استفاده از این فناوری نوپا به شمار می‌رود. این شرکت همچنین محصولاتی هم مانند SLA و SLS با نام تجاری خود به ثبت رسانده است. هرچند که دانشگاه MIT و شرکت 3D Systems همچنان به عنوان پیشگامان این زمینه باقی مانده اند اما شرکت های دیگری نیز مانند Objet Geometries و Stratasys و Z در این زمینه به پیشرفت های چشمگیری دست یافته اند.

با بهبود هرچه سریعتر این فناوری از افزایش جزییات قابل چاپ توسط دستگاه تا افزایش سرعت پاک‌سازی قطعات پرینت شده و خروجی نهایی، امروز برخی از شرکت ها در کشور های پیشرفته از فناوری چاپ سه بعدی برای تولید محصولات نهایی خود استفاده می کنند. با سریعتر شدن فرآیندها، کاهش هزینه مواد و تجهیزات و افزایش گستره مواد قابل بکارگیری مانند فلزات و سرامیک، پرینترهای سه‌بعدی از اندازه یک ماشین سواری در حال تقلیل به یک ماکروویو کوچک هستند.

با این حال چاپگرهای سه‌بعدی و کلیه سیستم‌هایی که بر پاییه فناوری AM کار می کنند هنوز بازیگری نوپا در عرصه تولید محسوب می شود. به همین خاطر هنوز هم گاهی با فناوری های مشابه مانند سی‌ان‌سی (CNC) اشتباه گرفته شده یا مقایسه می شود. در صورتی که سی‌ان‌سی فرایند حذف لایه به لایه از شی مورد نظر برای رسیدن به محصول نهایی است درست مانند کنده کاری بر روی سنگ.

چاپ سه‌بعدی مستقیم و چسبی

یکی از مدل‌های پرینت سه بعدی مدل موسوم به مستقیم است. در این روش پرینتر از فناوری چاپگرهای جوهرافشان که در دهه ۱۹۶۰ برای چاپ دو بعدی بر روی کاغذ به وجود آمد استفاده کرده و درست مانند یک چاپگر دو بعدی، نازل برای توزیع مایع به حرکت عقب و جلو در خواهد آمد اما بر خلاف پرینترهای دو بعدی حرکات بالا و پایین نیز برای قراردادن چند لایه از ماده بر روی هم استفاده می شود. افزون بر این پرینترهای سه‌بعدی جوهر نیز نیاز نداشته و از موم و پلیمر برای تولید جسم سه بعدی بهره می برد.

نمونه‌های سریع که پیشتر نیز در مورد آن گفته شده بود، در واقع به عنوان عامل اصلی رشد چاپگرهای سه بعدی به روش مستقیم شناخته می شود. در سال ۱۹۹۴ شرکت ModelMaker با همکاری شرکت به نام Solidscape برای نخستین بار موفق به تجاری‌سازی پرینترهای جوهرافشان در زمینه نمونه‌سازی سریع شد. طولی نکشید که بسیاری از شرکت های مشابه در زمینه نمونه‌سازی دنباله روی آن‌ها شدند و رو به نمونه‌های مومی آوردند. برای نمونه امروزه نمونه‌های سریع و پیشرفته به وسیله فناوری‌هایی مانند  multi-jet modeling به اختصار MJM ساخته شده که ده ها تن از نمونه های مومی را به سرعت به وسیله نازل های چند گانه روی هم پیاده سازی می کند.

چاپگرهای سه‌بعدی چسبی درست مانند پرینترهای مستقیم با استفاده از نازل‌های جوهرافشان کار کرده و ماده را برای فرم‌گیری نهایی لایه به لایه روی هم سوار می‌کنند. اما چیزی که شبیه پرینترهای مدل مستقیم نیست به‌کارگیری مدل چسبی از دولایه متفاوت با هم برای ساخت هر لایه است چیزی مانند یک چسب خشک کننده قوی. پرینترهای سه بعدی چسبی در واقع دو مرحله را برای ساخت هر لایه طی می‌کنند مرحله نخست، جای‌گذاری لایه نازکی از پودر حاوی ماده مورد نظر و مرحله دوم استفاده از نازل برای اعمال چسب بر روی آن است. این مراحل دوگانه آنقدر ادامه پیدا می کند تا ساخت مدل به پایان برسد.

پروژه چاپگر سه‌بعدی MIT از این دسته پرینتر بود که MIT مجوز استفاده از این فناوری را برای شرکت‌ها منوط به استفاده نوعی خاصی از مواد و چسب، عمومی کرد. استفاده کمتر از نازل برای پیاده‌سازی مواد و تنوع بیشتر در استفاده از مواد خروجی مانند فلزات، سرامیک یا حتی رنگ به عنوان برتری‌های مدل چسبی نسبت به مدل مستقیم شناخته می‌شوند.

مدل شکل‌دهی گرمایی

این مدل نیز از کلیات کاری مدل‌های دیگر بهره می‌برد و از نازل های بسیار نازک و نزدیک به هم آن پلاستیک مذاب خارج می‌شود. این مدل می‌تواند اشیاء بسیار زیر و دقیق در اندازه های چند میلیمتری تولید کند.

پلیمرسازی نوری و تثبیتی

در این روش چاپگر سه‌بعدی قطراتی از پلاستیک مایع را در معرض پرتو فرابنفش قرار می‌دهد. در طی این فرآیند مایع به واسطه نور به جامد تبدیل می‌شود. در طول این مدت در واقع واکنشی شیمایی به‌وسیله نور در پلیمر باعث ایجاد پلاستیک سرد می‌شود. در سال ۲۰۰۰ موسسه Piedmont Triad برای تحقیقات پیشرفته با مشارکت مدارس و مشاغل، آموزش مهارت‌های فلزکاری دستی را در کالیفرنای شمالی آغاز کرد. در برخی از این گروه‌های آموزشی یک دستگاه پلیمر ساز SLA از شرکت 3D Systems قرار داده شده بود. این دستگاه پرتو مستقیم از لیزر را به سمت نوع خاصی از پلاستیک مایع موسوم به فوتو پلیمر می‌فرستد. درست مانند پرینتر‌های سه‌بعدی دیگر SLA نیز با تکرار فرآیند کاری خود تا پایان پرینت ادامه خواهد داد.

مدل پخت یکی دیگر از روش‌های فناوری محصولات افزودنی است که با ترکیب و داغ کردن تکه‌ها با یکدیگر تا پرینت کامل سطح جسم ادامه می یابد و  Selective laser sintering یا SLS نام دارد. این فناوری با استفاده از پرتو لیزر برای ذوب پودر پلاستیکی استفاده می‌کند. این درست شبیه سازوکاری است که در چاپگرهای دوبعدی برای داغ کردن تونر پودر و نفوذ دادن آن در کاغذ از آن استفاده می‌شود.

مدل پخت به خاطر اینکه غالبا فلزات نیاز به ذوب و تغییر شکل دارند بیشتر برای ایجاد اشیاء فلزی استفاده می‌شود.

منبع: ایران هوافضا