پرینتر سه بعدی چیست و چگونه کار می‌کند؟ فناوری جذاب دنیای آینده!

فناوری پرینتر سه بعدی یا ساخت افزاینده، فرایند ساخت لایه به لایه یک جسم سه بعدی از مدل دیجیتالی سه بعدی آن است. هر روز از گوشه و کنار جهان اخباری در حوزه تکنولوژی به گوش می‌رسد که فناوری‌های جدید توانسته‌اند مشکلاتی قدیمی در زمینه‌های گوناگون مانند طراحی محصول و مهندسی پزشکی را برطرف کنند. یکی از این فناوری‌ها که اسم آن زیاد به گوشمان خورده، فناوری پرینتر سه بعدی است. همه‌ی ما زمانی با پرینترهای دو بعدی کار کرده‌ایم و به کمک آن‌ها، طرحی را به چاپ رسانده‌ایم.

حالا فرض کنید که شما طرحی از یک جامدادی رومیزی به سبک مینیمال دارید. تصور این‌که با دادن این طرح به یک ماشین، بدون زحمت به نمونه واقعی آن دست پیدا کنیم هیجان انگیز نیست؟ خب، این ایده حالا به یک صنعت رو به رشد تبدیل شده است، فناوری پرینتر سه بعدی بسیاری از غیرممکن‌ها را ممکن می‌کند! در این مقاله قصد داریم دقیق‌تر به تکنولوژی پرینتر سه بعدی نگاه کرده و عملکرد آن را از نزدیک بررسی کنیم، پس تا انتهای این مطلب، همراه ما باشید!

پرینتر سه بعدی چیست؟

پرینتر سه بعدی یا تکنولوژی ساخت افزاینده، دستگاهی است که از روی مدل‌های دیجیتال سه بعدی، قطعات سه بعدی را با اضافه کردن لایه به لایه مواد تولید می‌کند. در حالی که تکنولوژی پرینتر سه بعدی در حوالی سال‌های ۱۹۸۰ میلادی اختراع شد، پیشرفت‌های اخیر در زمینه ماشین آلات، متریال و نرم افزار باعث شده تا پرینتر سه بعدی تنها به صنایع با تکنولوژی‌های پیشرفته محدود نباشد و در گستره وسیع‌تری از کسب‌وکارها کاربرد پیدا کند.

در نیتجه امروزه شرکت‌های بیشتری می‌توانند از این فناوری بهره ببرند، در حدی که دسترسی داشتن به یک پرینتر سه بعدی کاری دور از ذهن نیست. پرینترهای سه بعدی رومیزی پیشرفته و در عین حال کم هزینه دارند به مرور جای خود را در شرکت‌های گوناگون پیدا می‌کنند و با شتاب بخشیدن به نوآوری، از کسب‌وکارهای گوناگونی در زمینه‌های مهندسی، ساخت،دندان سازی، بهداشت و درمان، سرگرمی و جواهر سازی پشتیبانی می‌کنند.

تاریخچه پرینتر سه بعدی

داستان از آنجایی شروع شد که در سال ۱۹۸۱ یک محقق به نام هیدیو کداما طی تحقیقاتش متوجه شد که مواد خاصی به نام فتوپلیمر که در ابتدا در حالت مایع به کار گرفته می‌شوند، پس از قرار گرفتن در معرض اشعه فرابنفش سفت و سخت می‌شوند و درباره استفاده از این خاصیت در ساخت سریع اشیا جامد مقاله‌ای نوشت. هرچند تحقیقات او زیربنای اختراع پرینتر سه بعدی قرار گرفت، اما او کسی نبود که پرینتر سه بعدی را اختراع کرد. چنین افتخار و اعتباری متعلق به مهندسی است به نام چاک هال، کسی که موفق شد در سال ۱۹۸۴ اولین پرینتر سه بعدی را اختراع کند.

شرکتی که آقای هال در آن به فعالیت مشغول بود از لامپ‌های فرابنفش برای ساخت پوشش‌های ضخیم و بادوام برای میز استفادده می‌کرد و روزی در حین همین فعالیت، این ایده به ذهن آقای هال رسید که از تکنولوژی فرابنفش برای ساخت اشیا کوچک استفاده کند. خوشبختانه او آزمایشگاه کاملی داشت تا در آن ایده خود را به آزمایش بگذارد و سرانجام توانست با کمک تکنولوژی که امروزه آن را استریولیتوگرافی می‌نامیم، اولین نمونه از پرینترهای سه بعدی را اختراع کند.

پرینتر سه بعدی چطور کار می‌کند؟

تمامی پروژه‌های مربوط به پرینتر سه بعدی از یک مدل CAD شروع می‌شود. این مدل به نرم افزار مخصوص پرینتر سه بعدی ارسال می‌شود تا طراحی آماده شود. با توجه به نوع تکنولوژی، پرینتر سه بعدی قطعه مورد نظر را با کمک جامد سازی رزین یا پودر مخصوص پخت به صورت لایه به لایه تولید می‌کند. سپس قطعه از پرینتر خارج شده و برای کاربردهای مورد نظر فرایندهای نهایی را طی می‌کند. در ادامه به توضیح دقیق هر کدام از مراحل سه گانه تولید یک قطعه به کمک پرینتر سه بعدی می‌پردازیم.

طراحی

پرینتر سه بعدی قطعات را به کمک مدل‌های سه بعدی تولید می‌کند. مدل‌های سه بعدی نمایش ریاضیاتی از هر سطح سه بعدی هستند که به کمک نرم افزار طراحی به کمک کامپیوتر (که آن را CAD می‌نامیم) تولید شده‌اند یا با استفاده از اسکن سه بعدی توسعه پیدا کرده‌اند. نرم افزارهای گوناگونی برای طراحی این طرح‌های دیجیتالی وجود دارد که ضرورت استفاده از هر کدام به تشخیص طراح وابسته است. سپس فایل طراحی در فرمت‌ STL یا OBJ به نرم افزار آماده سازی پرینت فرستاده می‌شود.

پرینتر سه بعدی نرم افزاری مخصوص را شامل می‌شود که به کمک آن تنظیمات مشخص پرینت روی پرینتر اعمال می‌شود و هم‌چنین مدل دیجیتالی به لایه‌هایی برش می‌خورد که نمایانگر سطح مقطع‌های افقی از قطعه هستند. تنظیمات قابل تغییر پرینت مواردی مانند جهت گیری، اسکلت پشتیبانی (در صورت نیاز)، ارتفاع لایه و جنس مواد اولیه را شامل می‌شود. زمانی که تنظیمات کامل شود، نرم افزار دستورالعمل‌های لازم را از طریق یک اتصال بدون سیم (وایرلس) یا کابلی برای پرینتر می‌فرستد.

پرینت سه بعدی

برخی از انواع پرینتر سه بعدی از لیزر برای شکل دادن و سفت کردن رزین و تبدیل کردن آن به پلاستیک سخت استفاده می‌کنند، در حالی که مدل‌های دیگر برای ساخت قطعات، ذرات کوچکی از پودر پلیمر را در دمای بالا ذوب می‌کنند. بیشتر مدل‌های پرینتر سه بعدی می‌توانند تمام فرایند ساخت قطعات را بدون نیاز به مراقبت اپراتور به انجام برسانند.

سیستم‌های مدرن‌تر می‌توانند مواد اولیه مورد نیاز برای ساخت قطعات را از مخزن به صورت اتوماتیک پر کنند و برای انجام این فرایند به کار دستی و حضور انسان نیازی نیست. این قابلیت به این معنا است که استفاده از پرینتر سه بعدی، نیاز به نیروی انسانی را تا حد مناسبی کاهش می‌دهد که همین امر به کاهش هزینه‌های تولید منجر می‌شود.

پردازش‌های نهایی

با توجه به نوع تکنولوژی و مواد اولیه مورد استفاده، ممکن است نیاز باشد که برخی از قطعات پرینت شده در محلول ایزوپروفیل الکل شست‌وشو داده شوند تا قسمت‌های زائد و ناصافی‌های موجود رزین از آن‌ها زدوده شود. هم‌چنین ممکن است انجام فرایندهایی مانند پخت نهایی برای تثبیت ساختار مکانیکی قطعه، فرایند دستی برای جدا کردن اسکلت پشتیبانی یا تمیزکاری با هوای فشرده برای زدودن پودرهای اضافی لازم باشد.

می‌توان به کمک برخی تجهیزات جانبی تعدادی از این فرایندها را به صورت اتوماتیک به خود پرینتر سه بعدی واگذار کرد. قطعات پرینت سه بعدی را می توان به طور مستقیم یا پس از پردازش برای کاربردهای خاص و پرداخت مورد نیاز با ماشین کاری، پرایمینگ، رنگ آمیزی، بست یا اتصال استفاده کرد. گاهی از پرینت سه بعدی به عنوان یک مرحله میانی در کنار روش‌های مرسوم ساخت قطعات، مانند پردازش نمونه‌های اولیه و ریخته‌گری جواهرات و دندان پزشکی و ساخت قطعات سفارشی استفاده می‌شود.

استفاده از پرینتر سه بعدی چه مزایایی دارد؟

همان طور که در بخش‌های قبلی اشاره کردیم، پرینتر سه بعدی قطعات را به روش افزودن لایه به لایه تولید می‌کند و این فرایند به دلیل طراحی دقیق از پیش انجام شده، استفاده از مواد انعطاف پذیر و تکنولوژی بالای مورد استفاده، مزیت‌های بسیاری را نسبت به روش‌های قدیمی و سنتی نرسوم برای تولیدی کنندگان قطعات فراهم می‌کند. در ادامه به برخی از این مزایا اشاره می‌کنیم:

سرعت

با روش‌های سنتی ساخت قطعه، ممکن است دریافت یک قطعه هفته‌ها یا حتی ماه‌ها به طول بیانجامد. پرینتر سه بعدی مدل‌های دیجیتالی را تنها در عرض چند ساعت بع قطعات فیزیکی آماده تبدیل کرده و آن‌ها را بر اساس مفهوم جامع اولیه سرهم می‌کند و یک قطعه کاربردی را به مشتری تحویل می‌دهد. از دیگر مزیت‌های موجود این است که حتی می‌توان نمونه‌های اولیه و کوچکی را صرفا برای آزمودن طرح و عملکرد تولید کرد. این به مهندسان و طراحان اجازه می‌دهد تا ایده‌های خود را سریع‌تر توسعه داده و به شرکت‌ها کمک می‌کند تا محصولات را سریع‌تر به بازار برسانند.

هزینه

با کمک فناوری پرینتر سه بعدی دیگر نیازی به هزینه‌های جداگانه برای تهیه ابزار و تنظیمات پرهزینه مربوط به قالب گیری تزریقی یا ماشین کاری نیست. همان ابزار و تکنولوژی موجود در پرینتر سه بعدی را می‌توان برای تمامی مراحل از تهیه‌ نمونه اولیه گرفته تا ساخت قطعاتی با شکل هندسی گوناگون مورد استفاده قرار داد. فناوری پرینتر سه بعدی روز به روز در تولید قطعات مصرف نهایی جامع‌تر و تواناتر می‌شود؛ در نتیجه این تکنولوژی می‌تواند مکمل یا جایگزین روش‌های سنتی تولید در طیف گسترده‌ای از صنایع، در مقیاس تولید کم تا متوسط باشد.

شخصی سازی

از کفش گرفته تا لباس و دوچرخه، ما با محصولاتی احاطه شده‌ایم که در سایزهای محدود و یکسانی تولید می‌شوند. کسب‌وکارها برای کاهش هزینه‌ها و افزایش صرفه‌جویی ناشی از مقیاس مجبورند تا محصولات خود را بر اساس استانداردهای جدی و محدودی تولید کنند و به همین خاطر، توانایی مشتریان در پیدا کردن محصولات شخصی سازی شده هر روز کمتر می‌شود.

با کمک پرینتر سه بعدی می‌توان تنها با تغییر دادن طرح دیجیتالی محصول، آن را برای مشتری شخصی سازی کرد و بدون صرف هزینه‌های اضافه محصولی کاملا متناسب با نیاز مشتری به او ارائه داد. این تحول ابتدا در صنایعی مانند پزشکی و دندان پزشکی شکل گرفت که در آن‌ها برای تولید محصولات به سفارشی سازی دقیق محصول متناسب با سایز و اندام مشتری نیاز است. اما با مقرون به صرفه شدن استفاده از پرینتر سه بعدی، از آن به طور فزاینده‌ای برای سفارشی سازی محصولات مصرفی متناسب با نیاز مشتریان استفاده می‌شود.

آزادی در طراحی

پرینتر سه بعدی می‌تواند شکل‌ها و قطعات پیچیده‌ای مانند برآمدگی‌ها، میکروکانال‌ها و شکل‌های ارگانیک را تولید کند؛ شکل‌هایی که تولید آن‌ها به روش‌های سنتی ساخت بسیار پرهزینه یا حتی غیر ممکن است. این امکان فرصت‌هایی را برای طراحان فراهم می‌کند تا محصول کلی را به قطعات کمتری تقسیم کنند و از این طریق پارامترهایی مانند وزن محصول، نقاط ضعیف و زمان مورد نیاز برای سرهم کردن قطعات را کاهش دهند.

کاهش ریسک

توسعه محصول یک فرایند تکرار شونده است که طی آن اقداماتی مانند تست کردن، ارزیابی و اصلاح محصول باید چندین بار تکرار شوند. هرچه ایرادات موجود در طراحی محصول زودتر پیدا شده و رفع شوند، شکرت هزینه‌های کمتری را بابت بازنگری و تغییر ابزار متحمل خواهد شد. با کمک فناوری پرینتر سه بعدی مهندسان می‌توانند نمونه‌های اولیه را که عملکردی کاملا مشابه محصولات نهایی دارند تست و آزمایش کنند و از این طریق ریسک‌های مربوط به عملکرد و ایرادات ساخت را قبل از انجام تولید نهایی کاهش دهند.

پرینتر سه بعدی در زمینه‌هایی کاربرد دارد؟

تا این مرحله به طور دقیق با طرز کار پرینتر سه بعدی و مزایای استفاده از آن آشنا شدیم. همان‌طور که پیش‌تر اشاره کردیم، استفاده از پرینتر سه بعدی نوآوری را شتاب می‌بخشد و می‌تواند در طیف گسترده‌ای از صنایع مانند مهندسی، ساخت، دندان سازی، مهندسی پزشکی، آموزش، سرگرمی، جواهر سازی، شنوایی شناسی و موارد دیگر کاربرد داشته باشد. در ادامه به کاربرد پرینتر سه بعدی در برخی از این صنایع می‌پردازیم.

مهندسی و طراحی محصول

ساخت سریع پروتوتایپ‌ها یا همان نمونه‌های اولیه به مهندسان و طراحان این قدرت را می‌دهد که ایده‌های خود را به سرعت به نمونه‌های واقعی تبدیل کنند، طرح‌های خود را به نمونه‌های اولیه‌ای با دقت بالا و عملکردی درست مانند محصولات نهایی تبدیل کنند و محصولات را از طریق یک سری مراحل ارزیابی و اعتبار سنجی به سمت مرحله تولید انبوه هدایت کنند.

ساخت و تولید قطعات گوناگون

به کمک فناوری پرینتر سه بعدی، تولیدکنندگان می‌توانند مراحل تولید را خودکار کرده و از طریق فعالیت‌هایی مانند نمونه سازی ابزار اولیه و چاپ سه بعدی ابزارهای سفارشی، قالب‌ها و تجهیزات تولید را با هزینه و زمان کمتری نسبت به روش سنتی تولید کنند. این کار هزینه‌ها و ایرادات ساخت را کاهش داده، کیفیت و سرعت سرهم کردن قطعات را افزایش داده و اثربخشی نیروی انسانی را به حداکثر می‌رساند.

دندان پزشکی

دندان سازی دیجیتالی ریسک‌ها و عدم قطعیت‌های ناشی از عوامل انسانی را کاهش می‌دهد و استحکام، دقت و عملکرد بالاتری را در هر مرحله از جریان کار برای بهبود درمان بیمار فراهم می‌کند. پرینتر سه بعدی می‌تواند طیفی از محصولات و لوازم شخصی سازی شده را با کیفیت بالا،هزینه پایین و نتایج عالی و قابل تکرار تولید کند.

آموزش

پرینتر سه بعدی ابزاری چند کاربردی برای یادگیری همه جانبه و تحقیقات پیشرفته است. استفاده از پرینتر سه بعدی می‌تواند مشوقی برای خلاقیت بوده و دانش‌ آموزان را در معرض تکنولوژی پیشرفته قرار دهد و هم‌چنین از برنامه‌های مدرن آموزشی در تمامی زمینه‌ها از علم و مهندسی گرفته تا هنر و طراحی، پشتیبانی کند.

جراحی و اندام‌های مصنوعی

فناوری پرینتر سه بعدی تاثیر شگفت آوری روی صنعت پزشکی گذاشته است، از تولید پاهای مصنوعی سفارشی برای یک دونده ماراتن گرفته تا ساخت مدلی از قلب انسان تا کمک به جراحان برای ساخت دم مصنوعی برای تمساحی که دمش را در کودکی از داده بود! به تازگی تیمی از دانشکده پزشکی دانشگاه نورث وسترن فاینبرگ در شیکاگو موفق آزمایش موفقیت آمیزی در همین زمینه داشتند.

طی این آزمایش، یک موش با تخمدانی مصنوعی که توسط پرینتر سه بعدی تولید شده بود توانست توله‌ها سالمی را به دنیا بیاورد. این پیشرفتی چشمگیر است و حالا این امید وجود دارد که روزی بتوان از این فناوری به صورت گسترده و پیشرفته برای تولید اندام‌های حیاتی به صورت مصنوعی برای کمک به انسان‌های دارای نقص عضو استفاده کرد.

صنایع نظامی

این روزها یکی از موضوعات بحث برانگیز درباره پرینتر سه بعدی، توانایی آن در تولید تسلیحات نظامی با عملکرد کامل است. بسیاری باور دارند که این توانایی پرینتر سه بعدی می‌تواند خطرناک باشد، چرا که حالا هر کسی با داشتن یک طرح اولیه منسجم و یک پرینتر سه بعدی می‌تواند به تولید اسلحه اقدام کند! از زاویه نگاهی دیگر، پرینتر سه بعدی توانسته با تولید تجهیزات نظامی مانند جلیقه‌های ضد گلوله و ماسک‌های شیمیایی پیشرفته به نجات سربازان در نبردهای خطرناک کمک کند.

سرگرمی

مدل‌های فیزیکی با دقت بالا به شکل گسترده‌ای در مجسمه سازی، طراحی شخصیت و ساخت دکور استفاده می‌شوند. قطعات پرینت شده با پرینتر سه بعدی در فیلم‌های استاپ-موشن، بازی‌های ویدیویی، لباس‌های سفارشی و حتی جلوه‌های ویژه در فیلم‌های پرفروش ایفای نقش کرده‌اند. با پیشرفت تکنولوژی پرینتر سه بعدی و افزایش کاربردهای آن، دیگر بعید نیست که گریم ضد قهرمان در آخرین فیلم علمی تخیلی‌ که دیده‌اید به کمک پرینتر سه بعدی ساخته شده باشد!

جواهرسازی

جواهرسازان حرفه‌ای از طراحی دیجیتالی و پرینتر سه بعدی برای نمونه‌سازی سریع طرح‌ها، متناسب کردن قطعات با نیاز مشتریان و تولید دسته‌های بزرگی از قطعات آماده برای ریخته‌گری استفاده می‌کنند. ابزارهای دیجیتال امکان ایجاد قطعات منسجم و با جزئیات دقیق را بدون خسته کننده بودن و نیاز به تنوع در حکاکی مومی فراهم می‌کنند. علاوه بر این، امکان ایجاد تغییرات سریع در طرح دیجیتالی باعث می‌شود تا توانایی طراح در شخصی سازی محصول به حداکثر برسد.

شنوایی شناسی

متخصصان شنوایی و آزمایشگاه‌های قالب گیری گوش از طراحی دیجیتالی و پرینتر سه بعدی استفاده می‌کنند تا گجت‌های مخصوص گوش را با کیفیت بالا و استحکام بیشتر تولید کنند. این محصولات شخصی سازی شده با کیفیت و حجم بالاتر برای کاربردهایی مانند سمعک پشت گوش، محافظ شنوایی، گوش‌گیرها و هدفون‌های سفارشی استفاده می‌شوند.

در این مقاله با نحوه کار پرینتر سه بعدی، مزایای استفاده از آن در کسب‌وکارها و هم‌چنین کاربردهای گوناگون آن در صنایع مختلف آشنا شدیم. با وجود این‌که استفاده از پرینتر سه بعدی در کشور ما هنوز به صورت گسترده پیاده سازی نشده، اما تصور فراگیر شدن این تکنولوژی می‌تواند هیجان انگیز باشد! از طرفی، شاید هنوز کاربردهایی از این فناوری کشف نشده باشد؛ نظر شما چیست؟ اگر تجربه استفاده از پرینتر سه بعدی را دارید یا سوالی در این زمینه برایتان مطرح شده، می‌توانید آن را در قسمت نظرات با ما در میان گذاشته یا به نظرات دیگران پاسخ دهید.