چاپ سه بعدی چیست؟

فناوری های چاپ سه بعدی 3D از دهه ۱۹۸۰ وجود داشته اند، اما پیشرفت هایی که منجر به تولید دستگاه ها، مواد و نرم افزار شده اند، چاپ سه بعدی را برای طیف وسیع تری از افراد قابل دسترسی کرده است. از چاپگرهای رومیزی مقرون به صرفه گرفته تا نرم افزارهای کاربرپسند، چاپ سه بعدی دیگر محدود به صنایع یا متخصصان نیست. امروزه، دستگاه های چاپ 3 بعدی حرفه ای و ارزان قیمت رومیزی، نوآوری را تسریع کرده و از مشاغل در صنایع مختلف از جمله مهندسی، مراقبت های بهداشتی، آموزش، سرگرمی، جواهرات و بسیاری دیگر پشتیبانی می کنند.

چاپ سه بعدی روش تولید افزایشی برای ساخت یک جسم فیزیکی از یک طرح دیجیتال سه بعدی است که با قرار دادن لایه های نازک زیادی از یک ماده به صورت متوالی انجام می شود. چاپ سه بعدی با اتصال موادی به شکل پلاستیک مایع یا پودری، فلز یا سیمان و چاپ به صورت لایه به لایه و ترکیب آنها، اشیاء را ایجاد می کند. در درازمدت این فناوری پتانسیل ایجاد تحول عظیم در صنایع تولید، لجستیک و مدیریت موجودی را دارد، به خصوص اگر بتوان آن را با موفقیت در فرآیندهای تولید انبوه گنجاند.

با استفاده از چاپ سه بعدی می توان طرح های خود را به اشیاء ملموس تبدیل کرد و مشاغل از این فناوری برای توسعه نمونه های اولیه و محصولات نهایی استفاده کنند و به سرعت ایده ها را به واقعیت تبدیل کنند. چاپ سه بعدی میتواند زنجیره های تأمین را عمیقاً متحول کند و عصر جدیدی را در فرآیند تولید معرفی کند، این روش امکان تحویل سریع تر محصول به کاربران نهایی و کاهش قابل توجه هزینه های حمل و نقل را فراهم میکند.

ابتدا، یک طراحی مجازی از جسم مورد نظر با استفاده از نرم افزار طراحی مانند CAD (نوعی نرم افزار که میتواند نقشه های دقیق و تصاویر فنی ایجاد کند.) ساخته می شود، این طرح به عنوان یک طرح اولیه برای دستگاه چاپ سه بعدی عمل میکند تا آن را بخواند. یک جایگزین برای استفاده از برنامه های طراحی و مدل سازی، استفاده از یک اسکنر سه بعدی برای اسکن یک جسم و سپس چاپ آن از روی فایل حاصل است. فایل های طراحی 3D توسط نرم افزارهای تخصصی پردازش می شوند که داده ها را به مقاطع عرضی برش می دهند تا یک فایل gcode ایجاد کنند. چاپگر از این نوع فایل برای ساخت جسم مورد نظر از پایین به بالا، یک لایه در یک زمان استفاده میکند. چاپگر سه بعدی، ماده انتخاب شده را لایه به لایه رسوب میدهد، هد چاپ را مطابق با مختصات فایل G-code حرکت داده و ماده را در جایی که مورد نیاز است اضافه میکند.

روش های مختلفی برای چاپ سه بعدی وجود دارد، رایج ترین روش، FDM است که در آن یک رشته پلاستیکی ذوب شده و از طریق یک نازل گرم شده به بیرون ریخته میشود. از دیگر فناوری های چاپ سه بعدی میتوان به مدل اولیه استریولیتوگرافی چارلز دبلیو هال اشاره کرد که از لیزر برای جامد کردن رزین مایع استفاده میکند و همچنین روش SLS که از لیزر برای سنتز پودر مواد استفاده میکند. پس از اتمام چاپ با هر روش، ممکن است جسم نیاز به پردازش پس از چاپ داشته باشد که شامل حذف سازه های نگهدارنده، خشک کردن با نور یووی، سنباده زنی، پرداخت یا فرآیند رنگ آمیزی می شود.

چاپ سه بعدی طراحان را قادر می سازد تا ایده های خود را به مدل هایی که فرم، تناسب و عملکرد آنها قابل مشاهده هستند، تبدیل کنند که از ارائه طرح یا توضیح کارآمدتر است. در مراحل اولیه توسعه، چاپ سه بعدی عمدتا برای طراحی و توسعه نمونه اولیه استفاده میشد، اما امروزه از این روش چاپ برای ایجاد محصولات نهایی در زمینه های مختلف، از صنعت هوانوردی گرفته تا پزشکی و همچنین در آموزش یا هنر نیز استفاده می‌شود. چندین شرکت در صنایع مختلف از فناوری چاپ 3D استفاده میکنند، رایج ترین کاربردهای چاپ سه بعدی عبارتند از:

✓ تولیدکنندگان خودرو و هواپیما در استفاده از چاپ سه بعدی پیشگام شده اند و از این فناوری برای تغییر طراحی و تولید بدنه یکپارچه، قطعات یدکی و طراحی و تولید سیستم انتقال قدرت استفاده می کنند. به عنوان مثال بوئینگ در ساخت هواپیمای مسافربری ۷۸۷ دریم لاینر خود از قطعات تیتانیومی چاپ سه بعدی استفاده میکند.

✓ چاپ سه بعدی برای ساخت قطعات یدکی در صنعت هوافضا نیز استفاده میشود؛ برای تولید قطعات منحصر به فرد یا کم حجم که ساخت آنها با روش‌های سنتی مقرون به صرفه نیست.

✓ در علوم پزشکی، از چاپ سه بعدی برای سفارشی سازی ایمپلنت های سازگار با هر بیمار استفاده می شود، همچنین این روش در ساخت سمعک نیز مرسوم است. در آینده، ممکن است اندام ها و اعضای بدن با استفاده از تکنیک های چاپ سه بعدی ساخته شوند.

✓ در صنعت ساخت و ساز، شرکت هایی در سراسر جهان در حال دستیابی به پیشرفت هایی در چاپ سه بعدی مواد مورد نیاز برای ساخت خانه ها هستند. با استفاده از لایه های بتن، میتوان خانه هایی را در عرض ۲۴ ساعت ساخت که از بلوک های سیمانی معمولی قوی تر هستند و هزینه ای بسیار کمتر از آنها دارند.

✓ در زمینه هنر و مد، این فناوری میتواند برای خلق آثار هنری و مجسمه سازی و طراحی و تولید لباس، جواهرات و لوازم جانبی مورد استفاده قرار گیرد. همانطور که نایک، آدیداس و نیوبالانس از چاپ سه بعدی برای ساخت کفش های خود استفاده می کنند.

✓ چاپگرهای سه بعدی همچنین می توانند برای ساخت قطعات جایگزین برای وسایل خانگی که خراب می شوند، استفاده شوند، تنها چیزی که نیاز دارید یک مدل سه بعدی از قطعه است.

تولید کامل یک شیء معمولاً شامل فرآیند پرهزینه ایجاد قالب ها و ابزارها یا استفاده از فرآیندهای تولیدی مانند فرزکاری، آهنگری و یا ریخته گری است. با چاپ سه بعدی، این فرایند و هزینه ها به میزان زیادی کاهش مییابد زیرا مواد چاپ سه بعدی در مقایسه ارزانتر است و به طراح اجازه میدهد قبل از رفتن به مرحله تولید، شیء خود را کامل بررسی کند. اگر پس از ساخت قالب‌ها، ابزارها یا سایر ابزارهای تولیدی، تغییراتی در طرح ایجاد شود، باید آنها را کنار گذاشت و موارد جدیدی ایجاد کرد که به زمان و هزینه توسعه محصول می افزاید. به طور کلی مزایای چاپ 3D شامل موارد زیر می شود:

1- ارتقا نمونه سازی سریع و طراحی

برخلاف روش های تولید سنتی، چاپگرهای سه بعدی می توانند به محض نهایی شدن طرح، قطعه را تولید کنند، این امر زمان انتظار طولانی سایر فرآیندهای تولید را از بین می برد و توسعه محصول را سرعت میبخشد. پس از چاپ و پردازش ، قطعه برای آزمایش آماده است و در صورت نیاز می توان در آن هرگونه تغییر دلخواه ایجاد کرد و دوباره به سرعت آن را چاپ کرد؛ این امر امکان تکرار سریع بر اساس بازخورد واقعی را فراهم می کند.

2- چاپ سه بعدی روشی مقرون به صرفه

در حالی که سرمایه‌گذاری اولیه در تجهیزات چاپ سه بعدی ممکن است کمی گران به نظر برسد، مزایای بلندمدت و بازگشت سرمایه در آن حتمی است. فرآیند چاپ سه بعدی فقط در صورت نیاز مواد را اضافه میکند، به این ترتیب با این روش چاپ میتوان در هزینه های مواد صرفه جویی داشت. برای اجرای چاپ سه بعدی، یک اپراتور واحد اغلب میتواند بر چندین چاپگر نظارت داشته باشد که به کاهش هزینه های نیروی کار منجر میشود؛ همچنین با چاپ سه بعدی، کسب و کارها می توانند بر اساس تقاضا چاپ کنند و از آنجا که نیازی به انبارهای وسیع ندارند هزینه های حمل و نقل و انبارداری نیز کاهش می یابد.

3- آزادی طراحی بیشتر با چاپ سه بعدی

تولید اشیا با طرح های پیچیده که با روش های تولید مرسوم تقریباً غیرممکن یا بسیار گران بودند، با چاپ سه بعدی امکان پذیر هستند. این روش چاپ می تواند اجسامی با حفره های داخلی ایجاد کند که برای کاربردهای خاص، به ویژه در مراقبت‌های پزشکی، مانند ایمپلنت‌ها یا پروتزها ضروری هستند. امکان سفارشی سازی در هر چاپ نیز وجود دارد و همچنین چاپ سه بعدی میتواند قطعات را به صورت یک قطعه واحد تولید کند و زمان مونتاژ و خطاهای احتمالی را کاهش دهد.

4- سازگار با محیط زیست و پایدار

فرآیند چاپ سه بعدی با مصرف تنها آنچه برای چاپ و ساختارهای پشتیبانی از جنس مواد پایدار لازم است، ضایعات مواد را به میزان قابل توجهی کاهش میدهد. پلی‌لاکتیک اسید (PLA) یک ماده محبوب در روش چاپ سه بعدی می باشد که از منابع تجدیدپذیر مانند نشاسته ذرت یا نیشکر مشتق شده است. زیست تخریب پذیری آن به چاپ سه بعدی نسبت به سایر تکنیکهای تولیدی مزیت سازگاری با محیط زیست میدهد.

5- پشتیبانی از تولید بر اساس تقاضا و در محل

با بهره گیری از چاپگرهای سه بعدی، شرکت ها می توانند تولیدات سفارشی انبوه انجام دهند و امکان تولید سریع قطعات بر اساس تقاضای خاص را فراهم کنند. این تکامل در فرآیند تولید، نیازهای ذخیره‌سازی و هزینه های موجود را کاهش می دهد و علاوه بر آن از نظر رضایت مشتری نیز مفید است. تغییرات طراحی را می توان به سرعت و بدون تغییرات گسترده در تنظیمات تولید انجام داد و به متقاضیان اجازه می دهد تا به سرعت خود را با شرایط بازار وفق دهند.

6- چاپ سه بعدی روش برای تضمین محصولات با کیفیت بهتر

دقت و صحت چاپ سه بعدی، آن را به انتخابی مطلوب برای صنایعی تبدیل می کند که به جزئیات دقیق نیاز دارند. با امکان اعتبارسنجی طراحی دیجیتال، خطاهای احتمالی در فرآیند طراحی حتی قبل از شروع چاپ شناسایی و اصلاح می شوند که خطر نقص را به حداقل میرساند و خروجی های با کیفیت بالاتر را تضمین میکند. تکنیک لایه به لایه چاپگرهای سه بعدی نیز ثبات را در همه زمینه ها تضمین کرده و محیط کنترل شده تری را ارائه می دهد.