چاپ سه بعدي (3D Printing) در تعريف ساده به فرايند توليد اجسام سهبعدي از فايلهاي ديجيتال گفته ميشود. توليد اجسام سهبعدي در اين روش بهكمك فرايندهاي افزودني در فرايندهاي افزودني، اجسام با روي هم قرار گرفتن لايههاي متعدد ساخته ميشوند. هريك از لايهها را ميتوان بهعنوان برشي افقي با ضخامت كم از محصول نهايي در انديشه متخصصين گرفت.
فرايند توليد افزودني يا همان چاپ سهبعدي در مقابل فرايندهاي توليد برداشتي قرار ميگيرد. در فرايندهاي برداشتي، براي رسيدن به محصول نهايي بايد قطعههايي از يك مادهي خام برش داده شده يا اصطلاحا تراشيده شوند. برداشتن مواد نيز توسط ماشينآلات توليدي همچون فرز يا ماشين تراش درنهايت چاپ سهبعدي امكان توليد قطعات با موادي بسيار كمتر را نسبت به فرايندهاي سنتي توليدي فراهم ميكند. بهعلاوه قطعات با پيچيدگي بيشتر در طراحي هم با چاپ سهبعدي آسانتر توليد ميشوند.
- چاپ سهبعدي چگونه انجام ميشود؟
- كاربردهاي چاپ سهبعدي
- چاپ سهبعدي در مدلسازي و ساخت سريع
- چاپگر سهبعدي در خودرو
- چاپ سهبعدي در هوانوردي
- چاپ سهبعدي در ساختوساز
- محصولات مصرفي
- چاپگر سه بعدي در بهداشت و سلامت
- چاپگر سهبعدي در هوافضا
- چاپگر سهبعدي در صنايع غذايي
- انواع فناوري و فرايندهاي چاپ سهبعدي
- Vat Photopolymerization
- Material Jetting
- Binder Jetting
- Material Extrusion
- Powder Bed Fusion
- Sheet Lamination
- Directed Energy Deposition
- مواد اوليه پرينتر سه بعدي
امروزه صنايع بسياري از مهندسي مكانيك، ساختوتوليد، مهندسي پزشكي، هوافضا و حتي صنايع غذايي از فناوري چاپ سهبعدي بهره ميبرند. مدلسازي يكي از مهمترين متخصصدهاي اين فرايند توليدي محسوب ميشود كه در ميان متخصصان عادي هم طرفداران زيادي دارد. در اين مطلب اخبار تخصصي، علمي، تكنولوژيكي، فناوري مرجع متخصصين ايران قصد داريم تا مطالعه جامعي دربارهي چگونگي انجام فرايندهاي چاپ سهبعدي و همچنين متخصصدهاي آن داشته باشيم.
چاپ سهبعدي چگونه انجام ميشود؟
فرايند چاپ سهبعدي از طراحي يك مدل سهبعدي شروع ميشود. متخصص ميتواند مدل سهبعدي را خودش طراحي كرده يا مانند فايلهاي ديگر، آن را از مخازن الكترونيك دانلود كند. براي طراحي مدل سهبعدي، انواع ابزارها از نرمافزارهاي طراحي تا اسكنرهاي سهبعدي، دستگاههاي اسكن لمسي، كدنويسي و حتي اپليكيشنهاي موبايل در اختيار متخصصان قرار دارند.
درحالحاضر ابزارهاي نرمافزاري متعددي براي مدلسازي سهبعدي وجود دارند. انواع صنعتي و حرفهاي آنها عموما ارزش بالايي دارند. درمقابل انواع رايگان نرمافزارهاي سهبعدي هم در اينترنت ديده ميشوند كه قابليتهاي مناسبي را در اختيار متخصصان تازهكار قرار ميدهند. از ميان آنها ميتوان به Tinkercad اشاره كرد كه تحت مرورگر اجرا ميشود. اين ابزار يادگيريهايي را هم براي راهنمايي متخصصان عرضه ميكند و درنهايت روشهاي انتقال مدل به دستگاه چاپ سهبعدي را هم شرح ميدهد.
پس از مدلسازي سهبعدي جسم مورد انديشه متخصصين، بايد فرايندهايي در جهت آمادهسازي آن براي چاپ انجام شود. فرايند اوليه برش زدن يا Slicing نام دارد. در فرايند برش زدن، قطعه به صدها يا هزارها لايهي افقي تقسيم ميشود. شايان ذكر است برشدهي نيز نرمافزار اختصاصي دارد. البته برخي نرمافزارهاي مدلسازي حرفهاي، فرايند برشدهي را نيز براي متخصص انجام ميدهند. بهعلاوه برخي چاپگرهاي سهبعدي هم ابزار برشدهي دارند و متخصص تنها بايد فايل مدل سهبعدي را در فرمتهاي .stl يا .obj يا فايل CAD به آنها وارد كند.
برشدهي را ميتوان مرحلهي آخر مدلسازي جسم براي چاپ سهبعدي دانست. دستگاه اين فايل را از طريق USB، كارتهاي حافظه يا حتي اتصال شبكه و اينترنت دريافت ميكند. سپس فرايند چاپ بهصورت پيادهسازي لايه به لايهي جسم
كاربردهاي چاپ سهبعدي
استفاده از چاپ سهبعدي در توليد اجسام و محصولات امروزه به اوج خود رسيده است. درواقع تعداد شركتهايي كه از اين فناوري در زنجيرهي تأمين خود استفاده نميكنند، روزبهروز كمتر ميشود. چاپ سهبعدي در ابتداي كار تنها فرايندي مناسب مدلسازي يا توليد تكي بود، اما امروز بهطور جدي يك فناوري توليدي محسوب ميشود.
امروزه اكثر فعاليتهاي انجامشده بهكمك چاپ سهبعدي در دستهي صنعتي قرار ميگيرند. Wohlers از فعالان جدي بازار چاپ سهبعدي محسوب ميشود كه گزارشهايي دورهاي از آن منتشر ميكند. آنها اعتقاد دارند صنعت جهاني چاپ سهبعدي تا سال ۲۰۲۰ به درآمد بيش از ۱۵ ميليارد دلار ميرسد. طبق همين روند، درآمد صنعت تا سالهاي ۲۰۲۲ و ۲۰۲۴، بهترتيب ۲۳/۹ و ۳۵/۶ ميليارد دلار پيشبيني ميشود.
چاپ سهبعدي با پيشرفت و تكامل، بهمرور همهي صنايع موجود در جهان را متحول ميكند. درواقع آيندهي كاري، زندگي و حتي بازي و تفريح كردن انسانها هم با فناوري چاپ سهبعدي متحول خواهد شد. چاپ سهبعدي امروز بسياري ازفناوريها و مواد را پوشش ميدهد چون تقريبا در همهي صنايع نفوذ كرده است. درواقع بايد آن را مجموعهاي از صنايع گوناگون بدانيم كه متخصصدهاي بيشمار دارد. بهعنوان مثالي از متخصصدهاي چاپ سهبعدي ميتوان به موارد زير اشاره كرد:
چاپ سهبعدي در مدلسازي و ساخت سريع
شركتهاي متعدد از سالهاي پاياني دههي ۱۹۷۰ از چاپ سهبعدي براي ساخت نمونههاي اوليهي محصولات در فرايند طراحي استفاده ميكردند. اين فناوري سرعت مدلسازي را افزايش داد و مفهومي بهنام مدلسازي سريع (Rapid Prototyping) متولد شد. استفاده از چاپگرهاي سهبعدي براي مدلسازي سريع، علاوه بر افزايش سرعت، باعث كاهش هزينه هم ميشود.
ساخت نمونههاي اوليه با چاپ سهبعدي با سرعت بالايي انجام ميشود
فرايند ساخت سريع (Rapid Manufacturing) هم مانند مدلسازي سريع از نتايج بهكارگيري چاپ سهبعدي محسوب ميشود. شركتها با استفاده از اين روش محصولات با تيراژ محدود يا عمر عملكردي پايين را با سرعت بالا توليد ميكنند. همين فرايندهاي توليد و مدلسازي سريع باعث ميشوند تا تجهيزاتي پيشرفته مانند رباتها هم قابليت توليد با چاپ سهبعدي را داشته باشند. امروزه بسياري از رباتها بهصورت كامل با چاپگر سهبعدي ساخته شده و درنهايت تنها حسگرها و موتور الكتريكي روي آنها نصب ميشود. چنين رويكردي موجب ساخت محصولاتي ارزانتر با فرايند سريعتر خواهد شد.
چاپگر سهبعدي در خودرو
خودروسازان از سالها پيش چاپ سهبعدي را به فرايندهاي طراحي و توليد خود اضافه كردهاند. آنها قطعات مصرفي، ابزارها، قيد و بندها و حتي محصولات مخصوص مصرفكننده را با اين فرايند توليد ميكنند. چاپ سهبعدي امكان توليد بسيار سريع را فراهم ميكند كه موجب كاهش انبارداري خودروسازها و كوتاه شدن چرخههاي توليد شده است.
عاشقان صنعت خودرو در سرتاسر جهان از چاپ سهبعدي براي بازسازي و نوسازي خودروهاي قديمي و كلاسيك استفاده ميكنند. در نمونههاي متعدد شاهد زنده شدن مجدد خودروهايي هستيم كه بسياري از قطعات آنها ديگر توليد نميشوند.
چاپ سهبعدي در هوانوردي
صنعت هوانوردي از چاپ سهبعدي در روشهاي گوناگون استفاده ميكند. در ويدئوي زير شاهد يكي از مهمترين نقاط تاريخي در صنعت چاپ سهبعدي هستيم. شركت GE Aviation با استفاده از چاپ سهبعدي، ۳۰ هزار عدد نازل سوختي كبالت-كروم براي موتور هواپيماي LEAP توليد كرد. آنها در سال ۲۰۱۸ موفق به چنين دستاوردي شدند. شركت مذكور هر هفته ۶۰۰ عدد از آن نازلها را با ۴۰ عدد چاپگر سهبعدي توليد ميكند. درنتيجه امروز تعداد بسيار زيادي نازل توليدشده با چاپ سهبعدي در انبارهاي جنرال الكتريك وجود دارد.
نازل توليدي در شركت جنرال الكتريك متشكل از ۲۰ قطعهي گوناگون بود كه قبلا با فرايندهاي جوشكاري به هم متصل ميشدند. در فرايند توليدي جديد، همهي آنها در يك مدل سهبعدي قرار گرفتند كه موجب كاهش وزن ۲۵ درصدي و افزايش پنج برابري مقاومت در نازل شد. موتور LEAP بهخاطر بازدهي بالا پرفروشترين موتور صنعت هوافضا محسوب ميشود. بهعلاوه جنرال الكتريك با توليد بهروش چاپ سهبعدي، در هر هواپيما سه ميليون دلار صرفهجويي هزينهاي دارد. درنتيجه، همين يك قطعهي توليدشده با چاپ سهبعدي، صدها ميليون دلار مزيت اقتصادي براي شركت بههمراه خواهد داشت.
نازل توليدشده توسط جنرال الكتريك در بوئينگ ۷۸۷ دايملر هم استفاده ميشود. اين هواپيما از قطعات توليدشدهي متعدد به روش چاپ سهبعدي استفاده ميكند كه يكي از آنها توليد شركت Norsk Titanium است. شركت مذكور چاپ سهبعدي را بهعنوان روشي متخصصدي براي كاهش هزينه بهكار گرفت و برخلاف روشهاي موجود، از قوس پلاسما در آن استفاده ميكند. فرايند توليد با قوس پلاسما بهنام Rapid Plasma Deposition شناخته ميشود و توانايي توليد تا ۱۰ كيلوگرم تيتانيوم را در يك ساعت دارد.
بوئينگ از سالها پيش از قطعات توليدشده با چاپ سهبعدي در هواپيماهاي خود استفاده ميكند. در سال ۲۰۱۵ تخمين زده ميشد كه آنها بيش از ۲۰ هزار قطعهي توليدشده با چاپ سهبعدي در هواپيماهاي خود دارند.
چاپ سهبعدي در ساختوساز
آيا ميتوان يك ساختمان را با چاپ سهبعدي توليد كرد؟ قطعا بله. بسياري از متخصص كارشناسان، چاپ سهبعدي را آيندهي صنعت ساختوساز ميدانند. درحالحاضر با دستگاههاي موجود امكان چاپ سهبعدي ديوار، در، سقف و حتي يك خانهي كامل وجود دارد.
بهرخ خوشنويس از دانشمندان پيشگام علم ساختوساز با چاپ سهبعدي محسوب ميشود. او فرايندي بهنام چاپ بتن يا Contour Drafting توسعه داده است كه از فرايند توليد افزودني براي ساختمانسازي استفاده ميكند. بهبيانساده در اين روش از يك بازوي رباتيك براي ساخت سريع سازههاي بزرگ همچون خانه استفاده ميشود. دستگاه مذكور ديوارها را بهصورت لايه به لايه و با تزريق بتن چاپ ميكند. سپس بازويي ديگر ديوارههاي صيقل ميزند.
محصولات مصرفي
در سالهاي ابتدايي معرفي فناوري چاپ سهبعدي، توليد انبوه محصولات با آن ممكن نبود. امروزه پيشرفت فناوري بهحدي رسيده است كه نمونههاي متعدد از محصولات مصرفي در تيراژ بالا با چاپ سهبعدي توليد ميشوند. حتي اگر كل محصول با چاپ سهبعدي توليد نشود، قطعات و بخشهايي در آن هستند كه از اين فناوري براي توليد بهره ميبرند.
آديداس در كفشهاي سري 4D خود قطعاتي (لايهي مياني كفش) دارد كه بهصورت كامل با چاپ سهبعدي توليد ميشوند. قطعا چنين قطعاتي نياز به توليد انبوه دارند و شركت تنها در سال ۲۰۱۸، ۱۰۰ هزار عدد از آنها توليد كرد. توليد لايهها در سال ۲۰۱۹ بيشتر هم خواهد بود. متخصص كارشناسان پيشبيني ميكنند كه ظرفيت بازار كفشهاي توليدشده با چاپ سهبعدي تا سال ۲۰۲۹ به ۵/۹ ميليارد دلار خواهد رسيد.
از محصولات مصرفي ديگر كه با چاپ سهبعدي توليد ميشوند، ميتوان به عينك اشاره كرد. بازار اين محصولات تا سال ۲۰۲۸ به ۳/۴ ميليارد دلار ميرسد. فريمهاي مخصوص مصرفكننده امروز بيش از هميشه با فناوري ساخت افزودني توليد ميشوند. چاپ سهبعدي در توليد عينك كاراييهاي زيادي دارد. توليدكننده بهراحتي ميتواند محصولي مناسب چشم مشتري را طراحي كرده و با سرعت بالا توليد كند.
چاپ سهبعدي سرعت بالا و مصرف پايين مواد اوليه را بههمراه دارد
چاپ سهبعدي علاوه بر عينك، توانايي توليد لنزهاي چشمي را نيز دارد. لنزهاي سنتي شيشهاي از بلوكهايي بهنام Blank توليد ميشوند و تقريبا ۸۰ درصد از مادهي اوليه براي رسيدن به محصول نهايي برش داده ميشود. اگر محاسبهاي كلي پيرامون نياز متخصصان به لنز چشمي و تعداد مصرفكنندهها داشته باشيد، قطعا متوجه بالا بودن بسيار زياد آمار ۸۰ درصدي خواهيد شد. بهعلاوه مواد اوليه بايد به مقدار زياد در آزمايشگاهها آماده باشد تا در صورت نياز مشتري، توليدكننده فرايند ساخت لنز مناسب را شروع كند.
با استفاده از چاپ سهبعدي روشهاي توليدي مدرنتري وارد صنعت چشمپزشكي شد. امروزه لنزها با روشي سريعتر و با كيفيت بالاتر توليد ميشوند كه نياز به مواد اوليه و همچنين انبارداري را به ميزان قابلتوجهي كاهش ميدهد. Luxexcel VisionEngine 3D يكي از جديدترين چاپگرهاي سهبعدي در حوزهي توليد لنز محسوب ميشود كه توانايي توليد يك جفت لنز در ساعت دارد. فرايند توليد افزودني همچنين به آزمايشگاه امكان ميدهد تا لنزها را بهصورت شخصيسازي شده و با قابليتهاي متنوع توليد كند.
امروزه جواهرآلات هم بهكمك چاپ سهبعدي توليد ميشوند. جواهر سازان با دو روش از چاپ سهبعدي براي ساخت جواهر استفاده ميكنند. روش اول محصول نهايي را بهصورت مستقيم با چاپ سهبعدي Metal Powder Bed Fusion توليد ميكند. در روش دوم، ابزارهاي مورد نياز مانند قالب ريختهگري با استفاده از چاپ سهبعدي توليد ميشوند و محصول نهايي بهكمك آنها ساخته ميشود.
چاپ سهبعدي در حوزهي محصولات مصرفي موسيقي هم وارد شده است. شركت Reify يكي از فعالان اين حوزه محسوب ميشود كه با الهام گرفتن از موسيقي، اجسام زيباي سهبعدي توليد ميكند. بهعلاوه آلات متعدد موسيقي هم امروزه با چاپ سهبعدي ساخته ميشوند.
چاپگر سه بعدي در بهداشت و سلامت
امروزه اخبار پيرامون ايمپلنتهاي پزشكي چاپ سهبعدي بسيار شنيده ميشود. البته بسياري از آن محصولات، در فاز آزمايشي هستند. بههمين دليل اكثر متخصصان تصور ميكنند چاپ سهبعدي در حوزهي پزشكي هنوز در فاز آزمايشي قرار دارد، درحاليكه شرايط اينگونه نيست. تنها در يك دههي گذشته شركت Arcam بيش از ۱۰۰ هزار ايمپلنت جايگزين استخوان لگن را با فناوري چاپ سهبعدي توليد كرده است (اين شركت اكنون بهعنوان زيرمجموعهي GE Additive) فعاليت ميكند.
دكتر گويدو گراپيولو با همكاري شركت LimaCorporate محصولي بهنام Delta-TT Cup دارد كه با استفاده از تيتانيوم تورتيغهاي (Trabecular) ساخته ميشود. مادهي مذكور ساختار سلولي ششضلعي سهبعدي دارد كه به ساختار تورتيغهاي استخوان نزديك است. استفاده از اين ساختار امكان هماهنگي تيتانيوم را با سيستم استخواني بدن فراهم ميكند. درنتيجه رشد استخوان به داخل ايمپلنت هم ممكن خواهد بود. برخي از اولين محصولات Delta-TT پس از گذشت يك دهه هنوز بهخوبي در بدن بيماران فعال هستند.
سمعك از ديگر محصولات حوزهي بهداشت و سلامت محسوب ميشود كه با استفاده از فناوري چاپ سهبعدي توليد بهينهتري دارد. بهعلاوه محصولات جديد در اين حوزه بهخوبي قابليت مخفي ماندن دارند. حجم زيادي از سمعكهاي توليدشده در ۱۷ سال گذشته با فناوري چاپ سهبعدي توليد شدهاند كه شركت Phonak نقش مهمي در رايج كردن آنها داشت. فناوري توليد سمعك به كمك چاپ سهبعدي بهنام Rapid Shell Modeling شناخته ميشود كه در سال ۲۰۰۱ توسط همين شركت معرفي شد. پيشاز آن، فرايند توليد سمعك به ۹ مرحلهي توليدي در آزمايشگاه نياز داشت و محصول نهايي هم آنچنان مناسب نبود.
براي ساخت سمعك بهكمك چاپ سهبعدي ابتدا قالبي سيليكوني درون گوش بيمار قرار ميگيرد تا شكل كانال گوش شناسايي شود. سپس قالب مذكور با فرايند اسكن سهبعدي و كمي اصلاح مدلسازي به مدل سهبعدي و درنهايت به قالب اصلي سمعك تبديل خواهد شد. فرايند چاپ سهبعدي در توليد سمعك عموما با روش SLA (Stereolithography) vat photopolymerization پس از اضافه كردن قطعات الكترونيكي، سمعك براي استفادهي آسان متخصص آماده است. با استفاده از فرايند مذكور، سالانه صدها هزار سمعك بهصورت اختصاصي براي بيماران طراحي و ساخته ميشوند.
كاربردهاي حياتي چاپ سهبعدي در علم پزشكي روزبهروز بيشتر ميشوند
فرايندي شبيه به RSM كه در توليد سمعك استفاده ميشود، بهمرور علم دندانپزشكي را هم متحول ميكند. قالبهاي مخصوص اورتودنسي امروزه جزو پرتيراژترين محصولات صنعت چاپ سهبعدي محسوب ميشوند. ماشينهايي كه اين قالبها را توليد ميكنند از انواع SLA و MJF هستند. دراينميان روشهاي جديد چاپ سهبعدي امكان توليد سريعتر و بدون نياز به قالب را براي محصولات اورتودنسي فراهم ميكنند. از برندهاي مشهور چاپ سهبعدي در دندانپزشكي ميتوان به EnvisionTec اشاره كرد.
فناوريهاي زيستي و توليد ارگانهاي بدن با استفاده از چاپ سهبعدي، روزبهروز اهميت بيشتري پيدا ميكنند. مهندسي بافت در اين صنعت از لايههاي سلولهاي زنده براي توليد اعضاي بدن استفاده ميكنند. فناوري مذكور بهنام چاپ زيستي (Bio Printing) شناخته ميشود.
علاوه بر موارد بالا، تجهيزات ترميم شكستگي هم امروزه با فناوري چاپ سهبعدي ساخته ميشوند. با نگاهي به تصور بالا متوجه كارايي چنين محصولاتي ميشويم كه مقاومت بالا را با طراحي زيبا به متخصص عرضه ميكنند.
چاپگر سهبعدي در هوافضا
شايد هوافضا را بتوان عجيبترين حوزهي متخصصد چاپ سهبعدي دانست. امروزه نمونههاي متعددي از محصولات ساختهشده با فرايند چاپ سهبعدي در اين صنعت به چشم ميخورند و همچنين طرحهاي اوليهي متعدد براي توليد در آينده آماده هستند. بهعنوان مثال ميتوان به استارتاپ بريتانيايي Orbex اشاره كرد كه بزرگترين موشك ساختهشده با چاپ سهبعدي را در جهان توليد ميكند. اين موشك بسيار منحصربهفرد است و بهصورت يكتكه و بدون هيچ اتصالي توليد ميشود.
امروزه موشكهاي فضايي هم بهكمك چاپ سهبعدي توليد ميشوند
محققان دانشگاه اوتاوا پروژهاي در حال اجرا دارند تا چاپگرهاي سهبعدي را به مأموريتهاي كرهي ماه ارسال كنند. چاپگرهاي مذكور اكنون بهعنوان طرح اوليه مطرح شدهاند. در صورت ساخت نهايي ميتوان با استفاده از همين ماشينآلات و خاك خود ماه، تجهيزات و زيرساختهاي مورد نياز براي مأموريتهاي اكتشاف را توليد كرد.
چاپگر سهبعدي در صنايع غذايي
فرايند توليد افزودني از سالها پيش وارد صنايع غذايي شده است. امروزه رستورانهاي متعددي همچون Food Ink و Melisse از همين فرايند توليد بهعنوان روشي براي بازاريابي و جذب مشتري هم استفاده ميكنند. مشتريان عاشق فناوري برا مشاهدهي غذاهاي توليدشده با چاپ سهبعدي، از سرتاسر جهان به اين رستورانها جذب ميشوند. شركت Chefjet از فعالان ديگر توليد سهبعدي در صنعت غذايي است كه انواع دانههاي قند را با چاپ سهبعدي با طراحي زيبا توليد ميكند.
يادگيري
امروزه مدارس متعددي در سرتاسر جهان فناوري چاپ سهبعدي را به برنامهي تحصيلي خود اضافه كردهاند تا كودكان و نوجوانان را براي دنياي آينده آماده كنند. درواقع در مدارس مدرن امروزي فضاهايي براي ساختوساز مبتني بر بازي، مجهز به دستگاههاي متعدد همچون چاپگر سهبعدي وجود دارند. بهعلاوه چاپگرها در جزوه رايگانخانههاي متعدد عمومي هم ديده ميشوند و قطعا در دانشگاهها هم شاهد انواع ماشينآلات با هدف پيشبرد اهداف تحقيقي دانشجويان هستيم.
انواع فناوري و فرايندهاي چاپ سهبعدي
روشهاي متعددي براي توليد محصول با چاپ سهبعدي وجود دارد. همهي فناوريهاي توليدي بهصورت افزودني انجام ميشوند، اما در روش توليد لايهها با هم تفاوت دارند. برخي از روشها از ذوب كردن يا نرم كردن مادهي اوليه براي تزريق لايهها استفاده ميكنند. برخي ديگر از رزينهاي فتو رياكتيو همراهبا ليزر UV بهره ميبرند. انجمن علم مواد آمريكا (ASTM) از سال ۲۰۱۰ استاندارد ASTM F42 - Additive Manufacturing را توسعه داد كه در آن به دستهبندي فناوريهاي چاپ سهبعدي هم اشاره شده است. طبق استاندارد مذكور، فرايند چاپ سهبعدي به هفت گروه اصلي تقسيم ميشود كه در ادامه به آنها ميپردازيم.
Vat Photopolymerization
ماشينهايي كه از اين فرايند براي توليد استفاده ميكنند، شامل يك مخزن از مواد فتوپليمر هستند كه در مراحل توليد توسط يك منبع نور UV سخت ميشوند. از زيرمجموعههاي اين روش ميتوان به Stereolithography يا SLA اشاره كرد كه از مخزن حاوي فتوپليمر سختشدني (Curable) فرابنفش و ليزر فرابنفش براي ساخت لايههاي جسم نهايي استفاده ميكند. اشعهي ليزر براي توليد هر لايه مسيري با طراحي الگوي قطعه را در سطح رزين مايع طي ميكند. قرارگيري در برابر ليزر، الگوي طي شده را روي رزين بهصورت جامد و سخت در ميآورد كه به لايهي زيرين متصل خواهد شد.
پس از سخت شدن لايهي اول، پلتفرم SLA كه حالت آسانسوري دارد به اندازهي ضخامت مورد انديشه متخصصين براي هر لايه پايين ميرود. ضخامتها عموما بين ۰/۰۵ تا ۰/۱۵ ميليمتر هستند. سپس يك تيغهي حاوي رزين روي لايهي ساختهشده كشيده ميشود تا مادهي اوليهي لازم براي توليد، به لايهي بالايي اضافه شود. فرايند تايش ليزر مجددا در لايهي جديد هم تكرار ميشود و همين روند تا پايان توليد ادامه مييابد. از مهمترين قطعات مورد نياز در توليد با فرايند استريوليتوگرافي بايد به قيد و بندهاي نگهداري قطعه و پلتفرم آسانسوري اشاره كرد كه بايد قطعه را در حوضچهي مملو از رزين نگه دارند. فرايند مذكور در سال ۱۹۸۶ توسط چارلز هولو اختراع شد. او بنيانگذار شركت 3D Systems بود.
Digital Light Processing يا DLP از روشهاي توليدي ديگر اين دسته است كه از نور و پليمرهاي حساس به نور استفاده ميكند. اين فرايند شباهت زيادي به SLA دارد اما بهجاي ليزر از منابع نوري سنتي مانند لامپهاي قوسي استفاده ميكند. استفاده فرايند DLP سرعت بالايي نسبت به فرايندهاي ديگر دارد و مانند SLA، از پلتفرمي براي بالا يا پايين بردن قطعه در آن استفاده ميشود. از مشهورترين چاپگرهاي سهبعدي DLP ميتوان به EnvisionTec Ultra، MiiCraft High Resolution و Lunavast XG2 اشاره كرد.
شركتي بهنام Carbon فرايند توليدي فتوپليمريزاسيون بهنام Continuous Liquid Interface Production توسعه داده است كه بهاختصار CLIP ناميده ميشود. فرايند مذكور را ميتوان جديدترين روش و سريعترين روش فتوپليمريزاسيون دانست. قلب فرايند CLIP فناوري Digital Light Synthesis است كه از يك منبع نور LED براي تاباندن مجموعهاي از تصاوير روي مادهي اوليهي مورد انديشه متخصصين استفاده ميكند. تصاوير بهترتيب نمايانگر لايههاي گوناگون از جسم نهايي هستند. درنتيجه نازل در روش CLIP نياز به حركت زيادي ندارد و تصوير سطح مقطع بهصورت يكجا و با كنترل بالا در مادهي اوليه ساخته ميشود.
يك پنجرهي ورود اكسيژن در دستگاههاي CLIP وجود دارد كه لايهاي نازك از رزين سخت نشده را بين پنجره و ناحيهي سخت شده (Dead Zone) وارد ميكند. منطقهي سخت شده ضخامتي حدود ۱۰ ميكرون دارد. در اين منطقه اكسيژن مانع از سخت شدن بالاي ناحيه ميشود تا ورود ادامهدار و متوالي مادهي اوليه و جوش خوردن آن به لايههاي قبلي جريان داشته باشد.
پس از پايان توليد محصول با نور، يك مرحلهي ديگر براي آمادهسازي نهايي آن وجود دارد. محصول را در مخازن مخصوص گرمادهي قرار ميدهند تا با فرايندي مانند پختن، به خواص مكانيكي مورد انديشه متخصصين برسد. قطعاتي كه با اين روش توليد ميشوند شباهت زيادي به قطعات توليدشده با ذوب تزريقي دارند. درنتيجه خواص مكانيكي ثابت و قابل اندازهگيري خواهند داشت.
Material Jetting
متريال جتينگ، مواد را بهصورت قطراتي از نازلهاي با قطر بسيار پايين به پلتفرم توليد تزريق ميكند. چنين روشي شباهت زيادي به چاپ با چاپگرهاي رنگي جوهرافشان دارد. منتهي روش مذكور براي ساخت لايه به لايهي يك جسم سهبعدي استفاده ميشود كه سپس با نور UV سخت خواهد شد.
Binder Jetting
در روش بايندر جتينگ از دو ماده استفاده ميشود. مادهي اصلي بهصورت پودر در دستگاه قرار دارد و مادهي مايع ديگر پيونده (Binder) نام دارد. ابتدا پودر در محفظهي توليد وارد شده و سپس پيونده با استفاده از نازلها به آن وارد ميشود و بهنوعي نقش چسب را براي توليد محصول نهايي بازي ميكند. پس از پايان فرايند ساخت، جسم نهايي بايد از محفظهي پر از پودر خارج شود. پودر باقيمانده براي توليد محصولات بعدي استفاده ميشود. فناوري بايندر در سال ۱۹۹۳ در دانشگاه MIT اختراع شد و Z Corporation در سال ۱۹۹۵ مجوز توليد ماشينآلات آن را دريافت كرد.
Material Extrusion
فرايند اكستروژن را ميتوان پركاربردترين روش توليد با چاپ سهبعدي دانست. از پركاربردترين روشهاي اين فرايند نيز ميتوان به Fused Deposition Modeling يا FDM اشاره كرد (بهنام Filament Deposition Modeling هم شناخته ميشود). در اين روش از يك رشتهي پلاستيكي يا فلزي استفاده ميشود كه ابتدا دور يك قطعهي گرد پيچيده شده است. رشتهي مورد انديشه متخصصين بهمرور باز شده و به نازل وارد ميشود. نازل بهكمك يك سيستم كنترل عددي كامپيوتري توانايي حركتهاي افقي و عمودي را دارد و بهمرور مادهي اوليه را ذوب ميكند. ماده به محض خارج شدن از نازل و قرارگيري روي لايهي قبلي سخت ميشود. همين روند براي توليد لايههاي متعدد جسم نهايي تكرار خواهد شد.
از مواد اوليهي پركاربرد در فرايند توليد FDM ميتوان به ABS يا Acrylonitrile Butadiene Styrene و PLA يا Polylactic acid اشاره كرد. البته بسياري مواد ديگر هم در اين روش استفاده ميشوند و حتي مواد پركنندهي چوبي و رسانا هم در برخي ماشينآلات استفاده شده است.
FDM در سالهاي پاياني دههي ۱۹۸۰ توسط اسكات كرامپ اختراع شد. او پس از ثبت اختراع، شركت خود را بهنام Stratasys در سال ۱۹۸۸ ثبت كرد. درواقع امروز نام FDM نيز بهعنوان نشاني تجاري در اختيار شركت Stratasys قرار دارد.
Powder Bed Fusion
چاپگرهاي پودري كه با ذوب و جوش پودر فرايند توليد را انجام ميدهند بخش مهمي از بازار چاپگرهاي سهبعدي هستند. Multi Het Fusion يا MJF يكي از روشهاي توليدي با اين فرايند است كه Hewlett Packard آن را به صنعت معرفي كرد. در فرايند MJF ابتدا يك بازوي مكانيكي لايهاي از مادهي پودري را در محفظهي توليد وارد كرده و سپس بازوي ديگر بسته به طراحي سطح مقطع هر لايه، مادهي پيونده را به آن اضافه ميكند. نازل دوم همچنين اندازهگيري ابعاد و دقيق و نرم بودن سطح را هم مطالعه ميكند. درنهايت انرژي گرمايي به كار گرفته ميشود تا مواد موجود وارد واكنش شوند.
چاپگرهاي روش MJF توانايي تزريق ۳۰ ميليون قطره در ثانيه را دارند و توليد بسيار سريع و دقيقي انجام ميدهند. بهعلاوه ميتوان از مواد گوناگون براي توليد يك جسم استفاده كرد و محصولي با رنگ و خواص مكانيكي متنوع بهدست آورد.
Selective Laser Sintering يا SLS روش توليدي ديگر پودري است كه پركابردترين روش در اين دسته محسوب ميشود. در فرايند SLS از ليز با قدرت بالا براي تبديل ذرههاي كوچك پودر پلاستيك، سراميك و شيشه به جسم با ابعاد هندسي مورد نياز استفاده ميشود. ليزر بهصورت انتخابي مادهي پودري را بهگونهاي ذوب ميكند و جوش ميدهد تا لايهها طبق مدل سهبعدي ساخته شوند. پس از اسكن هر سطح مقطع، صفحهي حاوي پودر بهاندازهي ضخامت يك لايه پايين ميرود تا لايهي جديد روي آن جوش بخورد.
در برخي از روشهاي توليدي SLS از فلز بهجاي پلاستيك، سراميك و شيشه از فلز استفاده ميشود كه بهنام DMLS شناخته ميشوند. در فرايند فلزي همهي پودر موجود بهعنوان بستر همراه براي جسم نهايي استفاده ميشود و درنهايت براي ساخت اجسام بعدي كابرد خواهد داشت. همين مورد، مزيت مهم DMLS نسبت به SLS و SLA است. SLS اولينبار در ميانهي دههي ۱۹۸۰ توسط دكتر كارل دكارد از دانشگاه تگزاس و با سرمايهگذاري دارپا ثبت شد.
Sheet Lamination
فرايند چاپ سهبعدي به كمك مواد اوليهي ورقهاي، انواع مواد اوليه از فلز تا كاغذ و پليمر را همراهي ميكند. ورقهاي فلزي با جوش التراسونيك بههم متصل ميشوند و پس از جوش هر لايه، يك فرز CNC فرايند شكلدهي را انجام ميدهد. ورقهاي كاغذي با چسب مخصوص لايههاي جسم نهايي را شكل ميدهند و از تيغههاي دقيق براي برش آنها استفاده ميشود.
Directed Energy Deposition
اين فرايند اكثرا در توليد صنعتي فلزي و در فناوريهاي پيشرفته متخصصد دارد. در روش تابش مستقيم انرژي، بازوي رباتيك با توانايي حركت در محورها و زاويههاي متنوع استفاده ميشود كه پودر فلز يا سيم فلزي را روي سطح وارد ميكند. سپس يك منبع انرژي مانند ليزر، اشعهي الكتروني يا پلاسما براي ذوب كردن و جوش دادن ماده استفاده ميشود.
مواد اوليه پرينتر سه بعدي
۶ نوع ماده بيش از همه در فرايندهاي توليد افزودني استفاده ميشوند. پليمر، فلز، بتن، سراميك، كاغذ و مواد خوراكي دستههاي اصلي پركاربرد در صنعت چاپ سهبعدي هستند. مواد اوليه عموما به شكلهاي سيم تغذيهاي، رشتهي مخصوص چاپگر سهبعدي، پودر يا رزين مايع استفاده ميشوند. روشهاي بالا از همهي اين مواد استفاده ميكنند، اما پليمرها بيش از همه متخصصد دارند. بهعلاوه برخي از روشها نيز به استفاده از مواد خاص محدود هستند.
مطلب بالا مطالعه كلي از متخصصدها و فرايندهاي توليد بهروش چاپ سهبعدي بود. روشي كه در سالهاي نهچندان دور تنها در مراحل آزمايشي و مدلسازي توليد انجام ميشد، امروز به بخشي جدانشدني از صنايع متعدد تبديل شده است. قطعا آشنايي با اين فرايند و حتي تخصص كار كردن با تجهيزات و ابزارهاي گوناگون آن، آيندهي روشني را براي افراد علاقهمند بههمراه خواهد داشت.
هم انديشي ها