چاپ سه بعدی چیست و عملکرد آن چگونه است؟

اگر با چاپ سه بعدی آشنایی داشته باشید، می دانید که مدتی است این تکنولوژی به صورت روزافزون در حال پیشرفت است و زمینه تشکیل بسیاری از فرآیندهای صنعتی کارآمد است که استفاده روزمره دارند. این فناوری به مهندسان اجازه می دهد مسائل طراحی ساده را که قبلاً هفته ها زمان نیاز داشت را در چند ساعت حل و فصل کنند. چاپ سه بعدی راه خود را به بیمارستان ها، آزمایشگاه های تحقیقاتی و بسیاری جاهای دیگر باز می کند. اما این تکنولوژی واقعاً چگونه کار می کند؟

امروزه همه قطعات یک شات گان واقعی را می‌توان با استفاده از چاپگرهای سه بعدی تولید کرد

مقدمه

ابتدا به کلیات می پردازیم. تمامی چاپگرهای سه بعدی که در بازار موجودند، حداقل در درجه اول، عملکرد افزایشی دارند. به این معنی که به تدریج با ساختن اجزا، یک چیز را می سازند و شی اولیه ای ندارند. این در مقابل هنر مجسمه سازی است که در آن فرد با اصلاح یک شی موجود، شی جدیدی می سازد. چاپگرهایی وجود دارند که می توانند بر روی اجسام کنده کاری کنند، اما مجسمه سازی هیچ وقت مزایای تولید افزایشی را ندارد. با استفاده از ساختار لایه ای، چاپگرهای سه بعدی قادر به ساخت اشیاء تو خالی، یا اجسامی با پیچیدگی های درونی ویا اجسامی به سادگی مکعب های همگن، هستند.

یک تکه شکلات که با استفاده از چاپگر های سه بعدی ساخته شده است

هم اکنون تنها چند فناوری تولید افزایشی وجود دارد، اگرچه تنوع گوناگونی در همین چند فناوری دیده می شود و هر کدام نقاط ضعف و قوت خود را دارند. اما حتی تکنولوژی های قدیمی مانند رسوب اکستروژن، به دلیل سادگی زیاد و کم بودن هزینه، مدت طولانی است که سهم بزرگی در بازار دارند.

چاپ استریولیتوگرافی

چاپ استریولیتوگرافی یا SLA، به عنوان پدریزرگ  روش‌های چاپ سه بعدی به حساب می‌آید. این روش یک سیستم لایه ای است که از لیزر برای تحکیم بخش هایی از یک محیط مایع به نام فوتوپلیمر استفاده می کند. یک پلتفرم فلزی در فوتوپلیکر غوطه ور می شود و ضخامت یک لایه را به میزان یک دهم میلی متر یا کمتر، از سطح دور نگه می دارد. یک لیرز ماوراء بنفش شکل لایه اول را ردیابی می کند و هر کجا را که لمس می کند، یک جامد سخت می سازد. سپس پلتفرم به لایه بعدی می رود. لایه نازکی از فوتوپلیمر به عنوان پوششی برای شی در حال ساخت می آید و لیزر لایه بعدی را بر روی آن محکم می کند. این بهینه ترین راه برای چاپ نیست، اما می تواند از مصالح جالبی مانند سرامیک برای ساختن استفاده کند که هزینه کمی دارد.

با این حال، احتمالاً ساده ترین فرم چاپ سه بعدی بعداً پدید آمد که توجه بازار را به سمت خود جلب کرد و این چیزی نبود جز رسوب اکستروژن. ولی این سوال پیش می آید که اکستروژن دقیقاً چیست؟

به طور کلی اکستروژن یکی از روش‌های شکل دهی شمش‌ها یا فلزات نیم ساخته است که برای کاهش ضخامت یا سطح مقطح این مواد به کار می‌رود. در این دستگاه از پیستونی قوی جهت اعمال بار یکنواخت بر قطعه مورد نظر و پرس کردن و فشار دادن آن در بدنه دستگاه استفاده می‌شود. از آنجایی که اصطکاک میان بدنه دستگاه و قطعه زیاد است، درجه حرارت نیز زیاد می‌شود؛ بنابراین لازم می‌شود که بدنه دستگاه هر چند بار خنک کاری شود. جهت خنک کاری از آب صابون یا روغن استفاده می‌شود. جنس بدنه این دستگاه باید مقاوم باشد تا بتواند تنشهای وارد بر آن را تحمل کند. جنس بدنه معمولاً از تنگستن کربوناید است.

ساده ترین چاپگر سه بعدی یک ربات نازل متحرک است که یک ماده پلاستیکی را با دقت بسیار زیاد فشرده سازی می کند.

 این ساده ترین فرم چاپ سه بعدی است که می توان تجسم کرد: یک ربات نازل متحرک، یک ماده پلاستیکی را با دقت بسیار زیاد فشرده سازی می کند. بعضی پلاستیک ها با گذشت زمان و سرد شدن، سفت می شوند و برخی با استفاده از یک عامل سفت کننده ترکیب می شوند. در هر صورت، هدف ساخت یک لایه سفت شده بر روی لایه ای دیگر است. اگر لایه ها به اندازه کافی نازک باشند و با دقت ساخته شده باشند، این می تواند مایه ایجاد سطوحی صاف و نرم از اشیاء پلاستیکی شود.

اگر بخواهیم چاپ را با مطالعه بیشتر و مواد گوناگونی انجام دهیم، به روشی بسیار پیشرفته تر نیازمندیم.

روش چاپ SLA

روشی به نام SLA ) Selective laser sintering )، همان روشی است که می خواهیم. در این حالت، یک مقدار از ماده ی اصلی تشکیل دهنده ی ساختار را به صورت خام وارد دستگاه می کنند و سپس با استفاده از میله ای که دارای یک سوراخ است و به عنوان پخش کننده ی ماده برای ساخت ساختار استفاده می شود، ماده در بستر ساخت پخش می شود. یک لیزر با زمان بندی بسیار دقیق شروع به کار می کند و بعد از آن با ذوب کردن تک تک مولکول های ماده آن قسمت از ساختار، که معمولا از جنس فلز هستند، آن ها را به اشکال قابل رشد تبدیل می کند.

نوع پیشرفته تر این روش که به نام SLM ) Selective Laser Melting ) شناخته می شود، عملکردی مشابه روش قبلی دارد. با این تفاوت که تعداد مولکول های بیشتری را ذوب می کند. دستگاه‌هاي SLM ذرات ماده اوليه سازنده جسم را که از جنس گلوله‌هاي فلزي کاملا گداخته هستند، کاملا ذوب کرده و ماده نهايي فوق‌العاده محکم تر و سخت‌تري را تولید می کند.

البته روش های پیشرفته تری نیز وجود دارند که از آن جمله می توان به فیبر کربن اشاره کرد. حاصل آن مي‌تواند قطعاتي فوق‌العاده مقاوم و با تراکم پايين باشد. این نوع از ساختارها می توانند هزینه بسیار زیادی در بر داشته باشند، اما در واقع می توان با تنها 5000 دلار، با روش فیبر کربن به چاپ سه بعدی پرداخت که محصولی بسیار مقاوم تر و بهینه تر نسبت به بقیه راهبردها دارد.

تمامی این روش ها در نهایت پا به دنیای واقعی می گذارند. شرکت های هواپیمایی مانند ایرباس، در حال حاضر قطعاتی ارزان قیمت و سبک برای جت های خود با چاپ سه بعدی تولید می کنند. این در حالی است که متخصصان علم پزشکی نیز می توانند لوازم مصنوعی مانند سمعک را با چاپ سه بعدی تولید کنند. اکثر شرکت های طراحی، حداقل یه پرینتر سه بعدی ارزان قیمت در اختیار دارند و به این ترتیب می توانند به راحتی ایده های خود را به صورت فیزیکی تولید و بررسی کنند.

کاربردهای چاپ سه بعدی

این فناوری به قدری عملگرا است که هر علاقمندی می تواند از آن در هر زمینه  ای استفاده کند. کارآمدي فناوري چاپ سه بعدی تا حدی است که امروزه دانشمندان از آن براي کمک به علوم فوق پيشرفته نيز استفاده می کنند. در علوم پزشکي و زيستي روشی به نام بیوپرینت یا چاپ زیستی وجود دارد. اين روش انقلابي بزرگ در ساخت اعضاي مختلف زنده بدن جهت پيوند از طريق رشد دادن سلول‌هاي بنيادي بدن در علوم زيستي- پزشکي شناخته می شود. این چاپگرها قادرند تا يک محفظه مصنوعي رحم مانند از جنس پليمر سخت که با مواد مغذي و سلول‌هاي بنيادي پوشش داده شده بسازند تا بتوانند اعضاي بدن را همانند زمانی که در رحم مادر و بدن جنين رشد مي‌يابند، رشد دهند.

سازمان فضايي آمريکا (NASA) جهت ساخت قطعاتي که در عمليات‌هاي اکتشافي فضايي به‌کار برده مي‌شوند، از فناوری های SLA و مخصوصاً SLM استفاده می کند. هدف نهايي اين است که با انتقال چاپگرهاي سه بعدي به فضا، کلیه لوازم و قطعات مورد نياز ماموريت‌هاي فضايي و حتي فضاپيماها و پايگا‌ه‌هاي فضايي را در خود فضا چاپ و تولید کنند و جهت اجراي ماموريت خود مورد استفاده قرار دهند تا هزینه نقل و انتقالات کاهش چشمگیری یابد. حتي گفته می شود ناسا خواهان آميختن غبار‌ سطح ماه يا مريخ با ماده‌اي چسب مانند است تا بتواند با کمک چاپگرهای سه بعدی ساختمان هایی مناسب اسکان انسان ها در این سیارات بسازد. آنها تا جايي پيش رفته‌اند که قصد دارند اين ساز‌ه‌هاي عظيم را با فناوري به نام (SpiderFab)، مستقيماً در فضا به صورت سه بعدی چاپ کنند.

واقعیت این است که تعداد کارهای ممکن با چاپ سه بعدی بسیار بسیار زیاد است. همانند شبکه های عصبی، این فناوری نیز قادر است بدون آنکه متوجه شویم، دنیا را تغییر دهد. اگر اکثریت پرینترهای سه بعدی همچنان در پشت پرده استفاده شوند و تنها در کارخانه ها و آزمایشگاه ها به کار برده شوند، تأثیرات آن ها به صورت تدریجی در کیفیت زندگی مشاهده خواهد شد و هزینه های زندگی به صورت پیوسته کاهش خواهد یافت.

منبع: ExtremeTech, Wikipedia