پرینتر سه بعدی

پرینتر سه بعدی

چاپ سه‌بعدی (به انگلیسی: three-dimensional printing: 3D printing) شامل مجموعه‌ای از فرآیندها است که مواد به‌صورت کنترل‌شده‌ای به یکدیگر پیوند داده می‌شود تا یک شی سه‌بعدی ساخته شود. معمولاً این کار به‌صورت لایه‌لایه انجام می‌شود. در تعریفی دیگر، چاپ سه‌بعدی هر فرایندی را گویند که در آن با قرارگیریِ پی‌درپیِ لایه‌هایی به روی یکدیگر، در یک سطح‌مقطع دوبعدی، اشیائی سه‌بعدی ساخته می‌شود. این فرایند نظیر همان رویدادی است که با پاششِ مرکب یا جوهر بر روی کاغذ در انواع دیگر چاپ سراغ داریم؛ با این تفاوت که در چاپ سه‌بعدی این اتفاق با تبلور، سفت‌شدن یا انقیاد یک مادهٔ مایع یا پودرمانند در هر نقطه از مقاطعِ عرضیِ آن جسمی که می‌خواهیم چاپش کنیم می‌افتد. وجود رایانه در چنین فرایندی یک ضرورت است، چراکه پایه و اساس آن طراحی به کمک رایانه کد استوار است.

رایانه کد: طراحی به کمک رایانه یا کَد به استفاده از فناوری رایانه در فرایند طراحی و مستندسازی طراحی گفته می‌شود. امروزه بسیاری از مراحل طراحی قطعات و اجزاء مختلف توسط رایانه انجام می‌شود. بسیاری از قطعات تحت شرایط مختلف باید آزمایش شوند و اگر بخواهیم تحت آزمایش واقعی قرار دهیم مستلزم هزینه‌های بسیار زیاد می‌شود. با نرم‌افزارهای بسیار متنوع می‌توان این شبیه‌سازی را انجام داد.

اولین فناوری چاپ سه‌بعدی در سال ۱۹۸۰ میلادی مشاهده شد. دکتر کودامای ژاپنی اولین بار این فناوری را به نام خود ثبت کرد. در آن زمان این فناوری نمونه سازی فوری خوانده می‌شد، این نام‌گذاری به این دلیل بود که این فناوری در واقع برای ساخت سریع و کم‌هزینهٔ نمونهٔ اولیه برای یک تولید ابوه طراحی شده بود.

سپس چالرز هل در سال ۱۹۸۶ میلادی دستگاه استریولیتوگرافی را به نام خود ثبت کرد. البته هل دستگاه خود را در سال ۱۹۸۳ اختراع کرده بود و در این مدت در حال تأسیس شرکت 3D Systems[۲] بود که در آن زمان به نام RP Systems شناخته می‌شد و هم‌اکنون نیز یکی از بزرگترین فعالان حوزهٔ چاپ سه‌بعدی است. در آنجا بود که اولین نمونهٔ این دستگاه را با نام SLA-1 ساخت و در سال ۱۹۸۷ میلادی آن را معرفی کرد و در سال ۱۹۸۸ به اولین تست موفق دست پیدا کرد.

در همان زمان‌ها کارل دکارد که در دانشگاه تگزاس مشغول بود در سال ۱۹۸۷ فرایند نمونه‌سازی فوری با پخت لیزری قابل انتخاب را با نام خود پر کرد. این ثبت اختراع در سال ۱۹۸۹ میلادی صادر شد و بعد از آن مجوزش به DTMinc داده شد و بعدها توسط 3D SYSTEMS خریداری شد.

در همان سال ۱۹۸۹ میلادی اسکات کرامپ، یکی از مؤسسان Stratasys Inc،ثبت اختراع دستگاه مدل‌سازی لایه‌های مذاب را اعلام کرد و آن را به کمپانی اختصاص داد. البته این فناوری هم‌اکنون به‌صورت مدل متن‌باز رِپ‌رَپ بسیار فعال است.

اصطلاح «چاپ سه‌بعدی» (اختصاراً 3DP) نخست به فرایند ویژه‌ای تخصیص یافت که توسط دانشمندان دانشگاه ام ای تی در سال ۱۹۹۳ (۱۳۷۲ش) ثبت اختراع شد و سپس طی قرارداد هایی اجازه لیسانس آن به کارخانه‌داران زیادی واگذار شد. امروزه این اصطلاح به‌مثابهٔ یک عنوان عام برای شماری از فرایندهای مرتبط نیز استفاده می‌شود.

مواردی که در بالا به آن‌ها اشاره شد بخشی از مهم‌ترین فعالیت‌ها در تاریخ حوزهٔ چاپ سه‌بعدی بود که هم‌اکنون این فناوری را به مکانی که هست رسانیده. به‌غیر از موارد بالا اتفاقات دیگری نیز در این حوزه رخ داده‌است، مانند ساخت اولین چاپگر رومیزی، اولین چاپگر ارزان‌قیمت و

مراحل چاپ سه‌بعدی

با اینکه روش‌های مختلفی برای چاپ سه‌بعدی وجود دارد، اما مراحل اصلی همهٔ آن‌ها مشترک است:

۱. ساخت فایل سه‌بعدی: اولین مرحله در چاپ سه‌بعدی ساخت مدل سه‌بعدی آن در رایانه است. این کار به کمک نرم‌افزارهای مدل سازی سه‌بعدی یا CAD انجام می‌شود. از مهندسی معکوس و اسکن سه‌بعدی قطعه‌ای که موجود است نیز در بعضی موارد می‌توان استفاده کرد.

۲. ساخت فایل STL مدل: برای اینکه چاپگر مدل طراحی‌شده را شناسایی کند، باید مدل تبدیل به فرمتی شود که برای چاپگر قابل خواندن باشد. برای این منظور، فایل باید تبدیل به فرمت اس‌تی‌ال (STL: STereoLithography) شود. فرمت‌های 3DP و OBJ نیز با محبوبیت کمتری کاربرد دارند. فرمت اس‌تی‌ال برای معرفی مدل به چاپگر از چند وجهی ها یا مثلث ها  استفاده می‌کند. پس از ساخت فایل اس‌تی‌ال، آن را داخل یک برنامه ـ که عمل لایه‌گذاری فایل را انجام می‌دهد و «Slicer» نامیده می‌شود ـ در اصطلاح، Import یا واردسازی می‌کنیم. برنامهٔ «اسلایسر» مدل را می‌گیرد و آن را تبدیل بهG-code می‌کند.جی کد زبان برنامه‌نویسی دستگاه‌های سی ان سی و چاپگرهای سه‌بعدی است.

۳. چاپ مدل: دستگاه‌های مختلف وجود دارند که هر کدام با سازکار های مختلفی قطعهٔ مدل را چاپ می‌کنند.

۴. جدا کردن قطعهٔ چاپ شده: در بعضی دستگاه‌ها جدا کردن قطعهٔ کاملاً ساده و بدون مشکل انجام می‌شود. در بعضی مدل‌های صنعتی‌تر، این کار یک فرایند کاملاً فنی و دقیق است.

۵. پس‌پردازش (Post-Processing): پس‌پردازش یا مرحله پس تولید در فناوری‌های مختلف متفاوت است. در بعضی موارد قطعه باید زیر اشعه فرا بنفش به‌عمل آید.

 

کاربرد ها

معمولاً چاپ سه‌بعدی برای ساخت پیش نمونه های پلاستیکی یا فلزی در فرایند طراحی اجزائی جدید از یک محصول بزرگ‌تر کاربرد دارد. بااین‌حال، می‌تواند در ساخت یک محصول کامل برای ارائه به مشتریان نیز به‌کار آید. آنچه با چاپگرهای سه‌بعدی ساخته می‌شوند دامنهٔ وسیعی دارد: از پیکره‌های کوچک پلاستیکی گرفته، تا بافت قالب‌ها، قطعات استیل ماشین‌آلات، و ایمپلنت‌های تیتانیوم که در جراحی استفاده می‌شوند.

امروزه مدل‌سازی سه‌بعدی در رشته‌های گوناگونی همچون قطعه سازی، معماری،طراحی صنعتی ، روباتیک، صنایع هوافضا و… رایج است. این مدل‌سازی‌ها تا پیش از این به شکل تصاویر دوبعدی روی صفحه‌های نمایشگر یا روی کاغذ ارائه می‌شدند تا افراد با دیدن آن‌ها درکی از آنچه طراحان در ذهنشان دارند بدست آورند.

چاپگرهای سه‌بعدی توانایی تولید هر نوع قطعه‌ای با هر شکل و زاویه‌ای که باشد، تو پر باشد، یا تو خالی، صاف باشد یا منحنی، … هر قطعه‌ای با هر طراحی را دارد. این نیاز در همه جا قابل لمس است. صنعت، پزشکی، آموزشی، خودرو سازی، نظامی و هر کاری که نیاز به شبیه‌سازی، تولید ماکت و ساخت طرح اولیه دارد، با استفاده از چاپگر سه‌بعدی، هم می‌تواند، فرایند زمان‌بر شبیه‌سازی و ساخت ماکت قطعات را تسریع بخشد و تنها با چاپ گرفتن طرح سه‌بعدی در زمانی بسیار کم، به بررسی قطعه بپردازد.

امکان‌سنجی و ایده پردازی چاپ‌های سه‌بعدی برای بار اول در سال ۱۹۵۰ به ذهن دانشمندان راه یافت. طرح اولیهٔ چاپگرهای سه‌بعدی در دههٔ هشتاد با نام پیش نمونه سازی فوری  ارائه و اولین نمونه از آن توسط چارز هال ساخته و به نام این دانشمند ثبت شد. اما چاپگرهای سه‌بعدی امروزی برای اولین‌بار با روش استریولیتوگرافی (SLA) در سال ۱۹۸۶ ساخته و دو سال بعد وارد بازار شدند. در سال‌های اخیر فناوری چاپ سه‌بعدی از پیش‌نمونه‌سازی فوری و فرایند تولید صنعتی فراتر رفته‌است به کمپانی‌های کوچک و حتی فعالیت‌های شخصی راه پیدا کرده‌است.

چاپگرهای سه‌بعدی تجاری هرروز فرایند تولیدشان را بهبود می‌بخشند و با پیشرفت‌های ریزودرشت می‌روند تا راه خود را در بازارِ وسایلِ تولیدکنندهٔ یک محصول نهایی باز کنند. همچنین، پژوهشگران دائماً در پی آزمایش مواد و راهکارهای متفاوت برای یافتن راه‌هایی هستند که بتوان با چاپگرهای سه‌بعدی محصولات ناهمگونی را از بدنهٔ خودرو گرفته، تا بلوک‌های سیمانی و محصولات خوراکی از مواد غذایی تولید کرد.

 

هوافضا

چاپ سه‌بعدی در هوافضا، نوآوری سریع و پروازی با اعتماد به نفس را رقم می‌زند. این فناوری به محققان کمک می‌کند ایده‌های خود را به‌راحتی تصویرسازی کنند و بهتر بتوانند تحقیقات خود دربارهٔ فضای ماورا جو زمین را کامل کنند. در گذشته، طراحان در هوافضا باید زمان زیادی را صرف تصور و مدل‌سازی می‌کردند. امروزه فناوری چاپ سه‌بعدی این اجازه را به مهندسان هوافضا می‌دهد که در ساخت تجهیزات، دستگاه‌ها و قطعات یدکی هواپیما بتوانند اختراعات خود را به‌سادگی نمونه‌سازی کنند و قالب‌های مختلفی را چاپ کنند و حتی در تعمیر قطعات هواپیمای خود سرعت عمل بیستری داشته باشند. عدم وابستگی به ساخت در قالب‌ها و درنتیجه افزایش توانایی برای تولید قطعات پیچیده بدون محدودیت در هندسه باعث شده که این روش نسبت به روش‌های قدیمی‌تر همچون ریخته‌گری و ماشین کاری پیشرفت چشمگیری داشته باشد. از مزایای استفاده از این فناوری ساخت قطعات یکپارچه و مستحکم است، به گونه‌ای که دیگر نیاز به مونتاژ چندین قطعه روی هم نیست. در سال‌های اخیر، شاهد تولید نهایی قطعات موتور فضاپیماها و موشک‌ها توسط چاپگرهای سه‌بعدی هستیم. با توجه به محدودیت‌های موجود در به‌کارگیری روش‌های دیگر ساخت قطعات در فضا شیوهٔ استفاده از چاپ سه بعدی روشی منحصربه‌فرد در ساخت قطعات موردنیاز در فضا است.
 

قطعات صنعتی

تولیدات صنعتی بر پایهٔ طراحی دقیق و حرفه‌ای قطعات استوار است. این امر نیاز به بررسی دقیق نمونه قبل از تولید دارد، که چاپگرهای سه‌بعدی کمک شایانی در این زمینه به تولیدکنندگان می‌کند. با استفاده از چاپ سه‌بعدی، می‌توان سفارش‌های سریع قطعات با ساختار پیچیده را با تمام جزئیات بررسی و نواقص را رفع کرد.

 

انواع فناوری‌های به‌کارگرفته‌شده در چاپگر سه‌بعدی[ویرایش]

در اغلب فرایندهای چاپ سه‌بعدی، مادهٔ اولیه عبارت است از پلاستیک نرم یا پودر فلز. معمولاً پودر در کارتریج‌ها ‌‌یا بسترهایی جای گرفته است که در مقادیر بسیار اندکی توزیع می‌شود و توسط نورد یا تیغه‌ای بر روی بستری که آن بخش از مدل در حال ساخته‌شدن است تغذیه می‌شود. ضخامت این لایه‌ها، که بر هم می‌نشینند، به همان اندازهٔ ذرات پودر مادهٔ اولیه است و می‌تواند تا حد ۲۰ میکرو متر نازک باشد. در چاپگر سه‌بعدی ساخت دانشگاه ام ای تی (MIT’s 3DP) فرایند لایه‌گذاری توسط دستگاهی شبیه به هدِ یک چاپگر جوهر افشان انجام می‌شود. بدین صورت که صفی از افشانک های پیونده ای را طبق الگویی که برنامهٔ رایانه‌ای تعیین کرده است توزیع می‌کنند، سپس لایهٔ تازه‌ای از پودر مادهٔ اولیه بر روی تمام نقاطی که در حال ساخته‌شدن است پخش می‌شود و به همین ترتیب فرایند مزبور تکرار می‌شود. در هر تکرار، بسترِ سازه درست به‌اندازهٔ ضخامت لایهٔ جدید پایین آورده می‌شود. زمانی‌که فرایند چاپ به پایان رسید، حجم ساخته‌شده بالا می‌آید، از پودرهای اضافه پاک می‌شود و بعضاً سطح آن در مرحلهٔ پس تولید یک پرداخت نهایی می‌طلبد.

چاپگرهای سه‌بعدی اولیه بیشتر به ساختن پیکر نما ها نسبتاً زمخت از جنس پلاستیک ، سرامیک و بعضاً گچ قادر بودند؛ اما با گذشت زمان، چاپگرهای پیشرفته‌تری ساخته شد که به تولید حجم‌هایی از جنس فلز با دقت و دوام بیشتر هم توانا شدند.

استاندارد ISO/ASTM 52900، برای اولین‌بار، در سال ۲۰۱۵ منتشر شد و در آن هفت گونهٔ کلی برای فناوری‌های چاپ سه‌بعدی مشخص شده‌است:

۱. الکستروژن ماده (Material Extrusion)

۲. پلیمرازیسیون در ظرف (Vat Polymerization)

۳. جوش بستر پودری (Powder Bed fusion)

۴. ماده‌پرانی (Material Jetting)

۵. پیونده‌پرانی (Binder Jetting)

۶. نشست‌دهی با انرژی مستقیم (Direct Energy Deposition)

۷. ورق‌چینی لایه‌ای (Sheet Lamination)

 

استریولیتوگرافی (Setereo Lithography Aparatus ):SLA

این روش نخستین روش در حوزهٔ چاپ سه‌بعدی است، که در سال ۱۹۸۸ میلادی توسط شرکت  تری دی سیستمز آمریکا، بر اساس اختراع آقای چارلز هال (Charles Hull) معرفی شد. در این روش، از رزین فوتوپلیمر برای تولید قطعات استفاده می‌شود، که آن را به‌صورت گزینشی توسط لیزری با طول‌موج خاص سفت می‌کنند. دستگاه استریولیتوگرافی از یک سکوی ساخت تشکیل شده‌است، که قطعهٔ موردنظر بر روی آن ساخته می‌شود و در داخل یک مخزن حاوی رزین در راستای عمودی حرکت می‌کند. همچنین یک سیستم لیزر در بالای دستگاه قرار دارد که به‌همراه یک سیستم اسکن لیزر دوبعدی لکهٔ لیزر را بر روی سطح رزین در قسمت مشخص می‌تاباند و باعث سفت‌شدن آن و تشکیل قطعه می‌شود. قطعه به‌صورت لایه‌لایه بر روی هم ساخته می‌شود و به بالا می‌آید و ضخامت هر لایه در این روش حدوداً ۷۰

برچسب ها :

0 دیدگاه

افزودن دیدگاه


مقالات اخیر گروه