آشنایی با پرینتر سه بعدی و انقلاب جهانی در حوزه طراحی

چاپ سه بعدی با استفاده از طراحی‌های کامپیوتری CAD و با روش لایه‌بندی، اشیا سه بعدی ایجاد می‌شود. پرینتر سه بعدی، موادی مانند پلاستیک، کامپوزیت یا مواد زیستی را برای ایجاد اشیایی که از لحاظ شکل، اندازه، استحکام و رنگ به کار می‌گیرد.

امروزه کاربرد این تکنولوژی را می‌توان در لوازم خانگی، اتومبیل‌ها و حتی تجهیزات محافظت شخصی که کادر بهداشت و درمان در سراسر جهان برای مبارزه با COVID-19 استفاده می‌کنند، مشاهده نمود.

بررسی پرینتر سه بعدی و تاثیر آن بر COVID-19

با کم شدن تجهیزات بیمارستان‌های جهان و افزایش مبتلایان به COVID-19 ، مهندسین پزشکی، برای حل این کمبود، به استفاده از تکنولوژی پرینت ۳D روی آوردند. در حقیقت، بسیاری از مراکز بهداشتی و درمانی با همین دستگاه، تجهیزات حفاظتی مورد نیاز کارکنان خود و همچنین قطعاتی برای تعمیر ونتیلاتورهای خود فراهم نمودند.

پرینتر سه بعدی چیست؟

چاپگر سه بعدی با استفاده از طراحی‌های رایانه‌ای(CAD) ، از مواد مختلفی مانند پلاستیک مذاب یا پودر، اشیا مورد نظر را ایجاد می‌کند. این دستگاه تا حدودی به چاپگرهای جوهر افشان ۲ بعدی شباهت دارد. چاپگر به صورت لایه‌ای و از سطح زمین کار ساخت اشیا را آغاز می‌کند.

چرا پرینترهای سه بعدی برای آینده مهم هستند؟

این چاپگرها، بسیار انعطاف‌پذیر، دقیق و سریع هستند و امکان ساخت هر وسیله‌ای را فراهم می‌کنند. در حال حاضر، شرکت‌هایی در سراسر دنیا، به جای اتلاف ماه‌ها و به طور بالقوه میلیون‌ها دلار تحقیق و توسعه، از پرینترهای سه بعدی استفاده می‌کنند تا نمونه‌های اولیه خود را در عرض چند ساعت ایجاد نمایند. حتی برخی از مشاغل ادعا می‌کنند که پرینترهای سه بعدی، روند نمونه سازی را ۱۰ برابر سریعتر و ۵ برابر ارزان‌تر از شرایط عادی تحقیق و توسعه می‌کنند.

چاپگرهای ۳D تقریبا در هر قسمتی می‌توانند موثر باشند. آن‌ها فقط برای نمونه سازی استفاده نمی‌شوند. بسیاری از پرینترهای سه بعدی، وظیفه چاپ محصولات نهایی را بر عهده دارند. به عنوان مثال، در صنعت ساخت و ساز از این روش برای چاپ اجزای خانه و یا حتی خانه‌های کامل نیز استفاده می‌شود. در بسیاری از مدارس جهان، با چاپ استخوان‌های سه بعدی دایناسورها و قطعات رباتیک، ابزار یادگیری علم را به صورت شهودی و ساده‌تر فراهم می‌کنند. انعطاف‌پذیری و انطباق‌پذیری فناوری چاپ سه بعدی، آن را به یک قدرت بزرگ برای هر صنعت تبدیل کرده است.

پرینتر سه بعدی چگونه کار می‌کند؟

برای ایجاد یک شی سه بعدی در ابتدا به ترکیبی از نرم‌افزار پیشرفته، مواد پودری و ابزار دقیق نیاز است. در ادامه، مراحل اصلی زنده کردن ایده‌ها توسط چاپگرهای سه بعدی را بررسی خواهیم کرد.

نرم افزار مدل سازی ۳D

اولین مرحله از هر نوع فرآیند پرینت سه بعد، مدل‌سازی ۳D است. با استفاده از این مرحله، طرح مورد نظر را با حداکثر دقت طراحی می‌شود. برخی طرح‌ها به دلیل پیچیدگی زیادی که دارند را نمی‌توان با روش‌های سنتی طراحی کرد. دقیقا به همین دلیل است که نرم‌افزار CAD وارد بازار شده است. مدل‌سازی به پرینتر اجازه می‌دهد تا محصول مورد نظر را با کوچکترین جزئیات به صورت سفارشی در آورد. به طور مثال، این نرم‌افزار مدلسازی در صنف دندانپزشکی، برای طراحی ردیف کننده‌های دندان استفاده می‌شود تا دقیقا متناسب دندان فرد باشد. از این ابزار برای طراحی‌های صنعت هوا فضا نیز استفاده می‌شود. با کمک آن می‌توان جزئیات پیچیده‌ترین قسمت‌های موشک را نیز طراحی کرد.

برش دادن مدل

 پس از ایجاد یک مدل، زمان آن رسیده است که مدل مورد نظر را برش دهید. از آنجایی که پرینترهای ۳D نمی‌توانند مفهوم سه بعدی را مانند یک انسان تحلیل و درک کنند، مهندسان برای ایجاد شرایط چاپ نهایی برای چاپگر، باید مدل را به صورت لایه‌ای تقسیم کنند. نرم افزار Slicing Scan هر لایه از مدل را دریافت کرده و نحوه حرکت برای ایجاد آن لایه را مشخص می‌کند.

همچنین اسلایسرها به پرینترهای سه بعدی محلی را که لازم است طبق مدل پر کنند را نشان می‌دهند. این نحوه‌ی پر کردن به یک جسم چاپی سه بعدی، شبکه و ستون داخلی می‌دهد. این شبکه‌ها به تقویت جسم و دقیق شدن شکل آن کمک می‌کنند. پس از مرحله برش، مدل برای فرآیند چاپ واقعی به پرینتر ارسال می‌شود.

روند چاپ سه بعدی

بعد از به پایان رسیدن مدل سازی و برش دادن یک شی، زمان آغاز به کار چاپگر سه بعدی فرا می‌رسد. این چاپگر عموما مانند چاپگر جوهرافشان سنتی در فرآیند چاپ مستقیم سه بعدی عمل می‌کند. یک نازل هنگام پخش موم یا پلیمر پلاستیکی به صورت لایه به لایه، به جلو و عقب حرکت می‌کند، منتظر خشک شدن هر لایه می‌شود و سپس سطح بعدی را اضافه می‌کند. در اصل صدها و یا هزاران چاپ دو بعدی را روی یکدیگر می‌نشاند تا یک شی سه بعدی ایجاد کند. انواع مختلفی از مواد مورد استفاده در صنعت چاپ سه بعدی وجود دارد که چند نمونه از آن‌ها را در ادامه معرفی خواهیم نمود.

ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene)

مواد پلاستیکی است که به راحتی شکل می‌گیرد و به سختی شکسته می‌شود. این دقیقا همان ماده‌ای است که LEGO‌ها را از آن می‌سازند.

رشته‌های الیاف کربن

از این ماده برای ساخت اشیایی مستحکم و البته با وزن کم استفاده می‌شود.

رشته‌های رسانا

این مواد هنوز در مرحله‌ی آزمایش قرار دارند و می‌توانند در چاپ مدارهای الکتریکی بدون به کار بردن ذره‌ای سیم، استفاده شود. کاربرد این تکنولوژی در فناوری‌های پوشیدنی بسیار مشهود خواهد بود.

رشته‌های فلزی

این رشته‌ها از فلزات ریز خرد شده و یک چسب پلیمری ساخته می‌شوند. جنس این رشته‌ها می‌تواند از استیل، برنج، برنز و مس باشد و بسته به دمای پرینتر، می‌توانند رنگ تیره و یا روشن داشته باشند.

 رشته چوب

این رشته‌ها، حاوی پودر چوب ریز آسیاب شده و مخلوطی از چسب‌های پلیمری هستند. بدیهی است که کاربرد این رشته‌ها در چاپ اشیا با ظاهری چوبی است و بسته به دمای پرینتر می‌توان رنگ چوب را تیره و یا روشن تعیین کرد.

 پرینت سه بعدی در چه مدت زمانی انجام می‌شود؟

روند چاپ سه بعدی از چند ساعت برای چاپ‌های ساده، مانند یک جعبه یا یک توپ، تا هفته‌ها برای پروژه‌های دقیق بسیار بزرگتر مانند یک خانه با اندازه کامل، طول خواهد کشید.

انواع پرینتر سه بعدی

بسته به اندازه، جزئیات و دامنه پروژه، انواع مختلف چاپ سه بعدی نیز وجود دارد.

    مدلسازی رسوبی(FUDM) پرکاربردترین شکل چاپ سه بعدی است. این نوع پرینت برای ساخت نمونه‌های اولیه و مدل‌های پلاستیکی بسیار مفید و کاربردی است.

    فناوری SLA نوعی چاپ سریع نمونه‌های اولیه است که برای چاپ با جزئیات پیچیده مناسب است.

    Vat Photo polymerization، دارای ظرفی است که با پلیمر فتوپلیمر پر شده است و با اشعه UV، آن را خشک می‌کند.  پرینتر ماورا بنفش در عرض چند ساعت اشیا مورد نظر را خشک می‌کند و بسیار مورد توجه است.

  DPL یکی از قدیمی‌ترین اشکال پرینت سه بعدی است. DPL با استفاده از لامپ‌های تعبیه شده در آن سرعت چاپ را نسبت به SLA بالاتر برده است. زیرا با کمک لامپ‌ها هر لایه در چند ثانیه خشک می‌شوند.

نمونه‌های پرینت شده‌ی سه بعدی

پرینت سه بعدی، تقریبا در هر بخشی نفوذ کرده و کاربرد دارد. این تکنولوژی راه‌حل‌های خلاقانه‌ای را در سراسر جهان ارائه داده است. در اینجا چند نمونه جالب از تغییراتی که پرینتر سه بعدی قرار است در آینده ایجاد کند را جمع آوری کرده‌ایم:

خانه‌های چاپی سه بعدی

سازمان‌های خصوصی و شهرهایی در سراسر جهان، برای حل بحران جهانی بی‌خانمان‌ها دست به دامان چاپ سه بعدی شده‌اند. New Story یک سازمان خصوصی است که با هدف ایجاد شرایط بهتر برای زندگی فعالیت می‌کند و اکنون در حال چاپ خانه‌هایی برای بی‌خانمان‌ها است. این سازمان با استفاده از یک پرینتر ۳۳ فوتی، خانه‌ای با مساحت ۵۰۰ فوت مربع را که شامل دیوار، پنجره، دو اتاق خواب می‌باشد را در ۲۴ ساعت بسازد. New Story تاکنون محله‌های کوچکی در مکزیک، هائیتی، السالوادور و بولیوی با بیش از ۲۰۰۰ خانه ساخته شده است که ۱۰۰ خانه از این خانه‌ها را با استفاده از پرینتر سه بعدی ایجاد کرده اند.

غذای چاپی سه بعدی

لطفا تصورات خود را با انیمیشن ” ابری با احتمال بارش کوفته قلقلی ” تطابق ندهید. پرینترها قرار است روی مواد کاملا خالص مانند مرغ و هویج، لایه ریزی کرده تا غذاهایی را که دوست داریم و می‌شناسیم را سرو کنیم. اگر پرینتر کاملا تمیز باشد، خوردن غذای پرینت شده کاملا ایمن است. پرینترهای سه بعدی در حال حاضر نسبتا کند عمل می‌کنند. به طور مثال، چاپ یک قطعه شکلات حدود ۱۵ الی ۲۰ دقیقه طول می‌کشد. بنابراین لازم است تا ساعت‌ها قبل سفارش غذای مورد نظر خود را به دستگاه بدهیم.

اندام‌های مصنوعی و تکنولوژی پرینتر سه بعدی

در آینده‌ی نه چندان دور، ما شاهد این خواهیم بود که پرینترهای سه بعدی اندام‌های کاری و مورد نیاز افرادی که منتظر پیوند هستند را ایجاد می‌کنند. پزشکان و مهندسان در تلاشند تا موج بعدی فناوری پزشکی را در حوزه‌ی فرآیند اهدای عضو ایجاد کنند. با ایجاد این موج، می‌توانند قلب، کلیه و حتی کبد را از نو تولید نمایند. در این فرآیند، ابتدا اندام مورد نظر با استفاده از مشخصات دقیق بدن گیرنده، به صورت سه بعدی طراحی می‌شود و سپس ترکیبی از سلول‌های زنده و ژل پلیمری معروف به Bio ink ، لایه لایه چاپ می‌شود تا اندام انسانی زنده ایجاد شود. این فناوری می‌تواند انقلاب بزرگی در حوزه‌ی پزشکی و مهندسی پزشکی ایجاد کرده و لیست انتظار اهدای عضو را به حداقل ممکن برساند.

چاپ سه بعدی در زمینه اندام‌های مصنوعی نیز بسیار مورد توجه قرار گرفته است. پرینترهای سه بعدی به جای صرف صدها هزار دلار برای یک دست، بازو یا پای جدید، می‌توانند تکنیک‌های اندام‌های مصنوعی سنتی را به کار گرفته و ظاهر و احساسی مشابه را تنها با صرف ۵۰ دلار ارائه دهند. در حال حاضر این پروتزهای چاپی به اندازه‌ی پروتزهای حرفه‌ای با کیفیت نیستند، اما جایگزین بسیار خوبی برای کودکانی هستند که مدام در حال رشد بوده و یا پروتزهای خود را می‌شکنند.

پرینت سه بعدی در فناوری هوافضا

آیا آینده‌ی سفرهای فضایی به موشک‌های پرینت سه بعدی متکی خواهد بود؟ کمپانی‌هایی مانند Relativity Space در کالیفرنیا چنین تصوری دارند. این شرکت ادعا می‌کند که می‌تواند فقط در طی چند روز و با صد برابر قطعات کمتر از یک شاتل معمولی، یک موشک پرینت شده بسازد.اولین موشک ساخته شده‌ی این شرکت، Terran 1  در سال ۲۰۲۱ پرتاب می‌شود و طبق گفته‌های شرکت، از زمان شروع چاپ تا پرتاب در فضا، فقط ۶۰ روز طول خواهد کشید. این موشک با استفاده از فلز آلیاژ اختصاصی که ظرفیت بارگیری را به حداکثر و زمان مونتاژ را به حداقل می‌رساند، به طور سفارشی ساخته می‌شود. ظرفیت حمل بار کل این موشک ۱۷۵۰ کیلوگرم می‌باشد. این ظرفیت مناسب و قابل قبولی برای یک موشک چاپ شده است.

 امروزه شرکت‌های زیادی در داخل کشور و در خارج از کشور پرینترهای سه بعدی با کاربردهای متفاوت را تولید کرده‌اند. فقط کافی است که توقع و کاربرد مورد نظر خود را از آن‌ها مشخص کنید و با کمک کارشناسان تولید کننده و نمایندگان فروش این دستگاه‌ها ارتباط برقرار کنید.