با سلام و احترام به همراهان وبسايت ويژه ی نابينايان شرکت دانش بنیان پکتوس. در سی و سومین شماره ی هفته نامه ی دنیای موبایل و کامپیوتر و در صفحه ی آموزش، شما را با چاپ سه بعدی و کاربردهای آن آشنا خواهیم کرد.
چاپ سه بعدی چیست و چه کاربردهایی دارد؟
چاپ سه بعدی از فرایندهای تولیدی مدرن محسوب می شود که در سال های اخیر به انواع صنایع نفوذ کرده و کارایی های متعددی را ارائه کرده است.
به نقل از زومیت، چاپ سه بعدی (3D Printing) در تعریف ساده به فرایند تولید اجسام سه بعدی از فایل های دیجیتال گفته می شود. تولید اجسام سه بعدی در این روش به کمک فرایندهای افزودنی انجام می شود. در فرایندهای افزودنی، اجسام با روی هم قرار گرفتن لایه های متعدد ساخته می شوند. هریک از لایه ها را می توان به عنوان برشی افقی با ضخامت کم از محصول نهایی در نظر گرفت.
فرایند تولید افزودنی یا همان چاپ سه بعدی در مقابل فرایندهای تولید برداشتی قرار می گیرد. در فرایندهای برداشتی، برای رسیدن به محصول نهایی باید قطعه هایی از یک ماده ی خام برش داده شده یا اصطلاحا تراشیده شوند. برداشتن مواد نیز توسط ماشین آلات تولیدی همچون فرز یا ماشین تراش انجام می شود. درنهایت چاپ سه بعدی امکان تولید قطعات با موادی بسیار کمتر را نسبت به فرایندهای سنتی تولیدی فراهم می کند. به علاوه قطعات با پیچیدگی بیشتر در طراحی هم با چاپ سه بعدی آسان تر تولید می شوند.
امروزه صنایع بسیاری از مهندسی مکانیک، ساخت و تولید، مهندسی پزشکی، هوا فضا و حتی صنایع غذایی از فناوری چاپ سه بعدی بهره می برند. مدل سازی یکی از مهم ترین کاربردهای این فرایند تولیدی محسوب می شود که در میان کاربران عادی هم طرفداران زیادی دارد. در این مطلب قصد داریم تا بررسی جامعی درباره ی چگونگی انجام فرایندهای چاپ سه بعدی و همچنین کاربردهای آن داشته باشیم.
چاپ سه بعدی چگونه انجام می شود؟
فرایند چاپ سه بعدی از طراحی یک مدل سه بعدی شروع می شود. کاربر می تواند مدل سه بعدی را خودش طراحی کرده یا مانند فایل های دیگر، آن را از مخازن آنلاین دانلود کند. برای طراحی مدل سه بعدی، انواع ابزارها از نرم افزارهای طراحی تا اسکنرهای سه بعدی، دستگاه های اسکن لمسی، کدنویسی و حتی اپلیکیشن های موبایل در اختیار کاربران قرار دارند.
درحال حاضر ابزارهای نرم افزاری متعددی برای مدل سازی سه بعدی وجود دارند. انواع صنعتی و حرفه ای آن ها عموما قیمت بالایی دارند. درمقابل انواع رایگان نرم افزارهای سه بعدی هم در اینترنت دیده می شوند که قابلیت های مناسبی را در اختیار کاربران تازه کار قرار می دهند. از میان آن ها می توان به Tinkercad اشاره کرد که تحت مرورگر اجرا می شود. این ابزار آموزش هایی را هم برای راهنمایی کاربران عرضه می کند و درنهایت روش های انتقال مدل به دستگاه چاپ سه بعدی را هم شرح می دهد.
پس از مدل سازی سه بعدی جسم مورد نظر، باید فرایندهایی در جهت آماده سازی آن برای چاپ انجام شود. فرایند اولیه برش زدن یا Slicing نام دارد. در فرایند برش زدن، قطعه به صدها یا هزارها لایه ی افقی تقسیم می شود. شایان ذکر است برش دهی نیز نرم افزار اختصاصی دارد. البته برخی نرم افزارهای مدل سازی حرفه ای، فرایند برش دهی را نیز برای کاربر انجام می دهند. به علاوه برخی چاپ گرهای سه بعدی هم ابزار برش دهی دارند و کاربر تنها باید فایل مدل سه بعدی را در فرمت های .stl یا .obj یا فایل CAD به آن ها وارد کند.
برش دهی را می توان مرحله ی آخر مدل سازی جسم برای چاپ سه بعدی دانست. دستگاه این فایل را از طریق USB، کارت های حافظه یا حتی اتصال شبکه و اینترنت دریافت می کند. سپس فرایند چاپ به صورت پیاده سازی لایه به لایه ی جسم انجام می شود.
کاربردهای چاپ سه بعدی
استفاده از چاپ سه بعدی در تولید اجسام و محصولات امروزه به اوج خود رسیده است. درواقع تعداد شرکت هایی که از این فناوری در زنجیره ی تأمین خود استفاده نمی کنند، روز به روز کمتر می شود. چاپ سه بعدی در ابتدای کار تنها فرایندی مناسب مدل سازی یا تولید تکی بود، اما امروز به طور جدی یک فناوری تولیدی محسوب می شود.
امروزه اکثر فعالیت های انجام شده به کمک چاپ سه بعدی در دسته ی صنعتی قرار می گیرند. Wohlers از فعالان جدی بازار چاپ سه بعدی محسوب می شود که گزارش هایی دوره ای از آن منتشر می کند. آن ها اعتقاد دارند صنعت جهانی چاپ سه بعدی تا سال ۲۰۲۰ به درآمد بیش از ۱۵ میلیارد دلار می رسد. طبق همین روند، درآمد صنعت تا سال های ۲۰۲۲ و ۲۰۲۴، به ترتیب ۲۳/۹ و ۳۵/۶ میلیارد دلار پیش بینی می شود.
چاپ سه بعدی با پیشرفت و تکامل، به مرور همه ی صنایع موجود در جهان را متحول می کند. درواقع آینده ی کاری، زندگی و حتی بازی و تفریح کردن انسان ها هم با فناوری چاپ سه بعدی متحول خواهد شد. چاپ سه بعدی امروز بسیاری ازفناوری ها و مواد را پوشش می دهد چون تقریبا در همه ی صنایع نفوذ کرده است. درواقع باید آن را مجموعه ای از صنایع گوناگون بدانیم که کاربردهای بی شمار دارد. به عنوان مثالی از کاربردهای چاپ سه بعدی می توان به موارد زیر اشاره کرد:
- تجهیزات دندانپزشکی
- عینک
- مدل های معماری و ماکت
- اعضای مصنوعی بدن
- مدل ها و ماکت های سینمایی
- طراحی داخلی
- بازسازی فسیل ها در دیرینه شناسی
- کپی کردن اجسام قدیمی در باستان شناسی
- بازسازی مدارک جرم تخریب شده از صحنه های جرم
مدل سازی و ساخت سریع
شرکت های متعدد از سال های پایانی دهه ی ۱۹۷۰ از چاپ سه بعدی برای ساخت نمونه های اولیه ی محصولات در فرایند طراحی استفاده می کردند. این فناوری سرعت مدل سازی را افزایش داد و مفهومی به نام مدل سازی سریع (Rapid Prototyping) متولد شد. استفاده از چاپ گرهای سه بعدی برای مدل سازی سریع، علاوه بر افزایش سرعت، باعث کاهش هزینه هم می شود.
ساخت نمونه های اولیه با چاپ سه بعدی با سرعت بالایی انجام می شود
فرایند ساخت سریع (Rapid Manufacturing) هم مانند مدل سازی سریع از نتایج به کارگیری چاپ سه بعدی محسوب می شود. شرکت ها با استفاده از این روش محصولات با تیراژ محدود یا عمر عملکردی پایین را با سرعت بالا تولید می کنند. همین فرایندهای تولید و مدل سازی سریع باعث می شوند تا تجهیزاتی پیشرفته مانند ربات ها هم قابلیت تولید با چاپ سه بعدی را داشته باشند. امروزه بسیاری از ربات ها به صورت کامل با چاپ گر سه بعدی ساخته شده و درنهایت تنها حسگرها و موتور الکتریکی روی آن ها نصب می شود. چنین رویکردی موجب ساخت محصولاتی ارزان تر با فرایند سریع تر خواهد شد.
خودرو
خودروسازان از سال ها پیش چاپ سه بعدی را به فرایندهای طراحی و تولید خود اضافه کرده اند. آن ها قطعات مصرفی، ابزارها، قید و بندها و حتی محصولات مخصوص مصرف کننده را با این فرایند تولید می کنند. چاپ سه بعدی امکان تولید بسیار سریع را فراهم می کند که موجب کاهش انبارداری خودروسازها و کوتاه شدن چرخه های تولید شده است.
عاشقان صنعت خودرو در سرتاسر جهان از چاپ سه بعدی برای بازسازی و نوسازی خودروهای قدیمی و کلاسیک استفاده می کنند. در نمونه های متعدد شاهد زنده شدن مجدد خودروهایی هستیم که بسیاری از قطعات آن ها دیگر تولید نمی شوند.
هوانوردی
صنعت هوانوردی از چاپ سه بعدی در روش های گوناگون استفاده می کند. شرکت GE Aviation با استفاده از چاپ سه بعدی، ۳۰ هزار عدد نازل سوختی کبالت-کروم برای موتور هواپیمای LEAP تولید کرد. آن ها در سال ۲۰۱۸ موفق به چنین دستاوردی شدند. شرکت مذکور هر هفته ۶۰۰ عدد از آن نازل ها را با ۴۰ عدد چاپ گر سه بعدی تولید می کند. درنتیجه امروز تعداد بسیار زیادی نازل تولیدشده با چاپ سه بعدی در انبارهای جنرال الکتریک وجود دارد.
نازل تولیدی در شرکت جنرال الکتریک متشکل از ۲۰ قطعه ی گوناگون بود که قبلا با فرایندهای جوشکاری به هم متصل می شدند. در فرایند تولیدی جدید، همه ی آن ها در یک مدل سه بعدی قرار گرفتند که موجب کاهش وزن ۲۵ درصدی و افزایش پنج برابری مقاومت در نازل شد. موتور LEAP به خاطر بازدهی بالا پرفروش ترین موتور صنعت هوا فضا محسوب می شود. به علاوه جنرال الکتریک با تولید به روش چاپ سه بعدی، در هر هواپیما سه میلیون دلار صرفه جویی هزینه ای دارد. درنتیجه، همین یک قطعه ی تولیدشده با چاپ سه بعدی، صدها میلیون دلار مزیت اقتصادی برای شرکت به همراه خواهد داشت.
نازل تولیدشده توسط جنرال الکتریک در بوئینگ ۷۸۷ دایملر هم استفاده می شود. این هواپیما از قطعات تولید شده ی متعدد به روش چاپ سه بعدی استفاده می کند که یکی از آن ها تولید شرکت Norsk Titanium است. شرکت مذکور چاپ سه بعدی را به عنوان روشی کاربردی برای کاهش هزینه به کار گرفت و برخلاف روش های موجود، از قوس پلاسما در آن استفاده می کند. فرایند تولید با قوس پلاسما به نام Rapid Plasma Deposition شناخته می شود و توانایی تولید تا ۱۰ کیلوگرم تیتانیوم را در یک ساعت دارد.
بوئینگ از سال ها پیش از قطعات تولیدشده با چاپ سه بعدی در هواپیماهای خود استفاده می کند. در سال ۲۰۱۵ تخمین زده می شد که آن ها بیش از ۲۰ هزار قطعه ی تولیدشده با چاپ سه بعدی در هواپیماهای خود دارند.
ساخت وساز
آیا می توان یک ساختمان را با چاپ سه بعدی تولید کرد؟ قطعا بله. بسیاری از کارشناسان، چاپ سه بعدی را آینده ی صنعت ساخت وساز می دانند. درحال حاضر با دستگاه های موجود امکان چاپ سه بعدی دیوار، در، سقف و حتی یک خانه ی کامل وجود دارد.
بهرخ خوشنویس از دانشمندان پیش گام علم ساخت وساز با چاپ سه بعدی محسوب می شود. او فرایندی به نام چاپ بتن یا Contour Drafting توسعه داده است که از فرایند تولید افزودنی برای ساختمان سازی استفاده می کند. به بیان ساده در این روش از یک بازوی رباتیک برای ساخت سریع سازه های بزرگ همچون خانه استفاده می شود. دستگاه مذکور دیوارها را به صورت لایه به لایه و با تزریق بتن چاپ می کند. سپس بازویی دیگر دیواره های صیقل می زند.
محصولات مصرفی
در سال های ابتدایی معرفی فناوری چاپ سه بعدی، تولید انبوه محصولات با آن ممکن نبود. امروزه پیشرفت فناوری به حدی رسیده است که نمونه های متعدد از محصولات مصرفی در تیراژ بالا با چاپ سه بعدی تولید می شوند. حتی اگر کل محصول با چاپ سه بعدی تولید نشود، قطعات و بخش هایی در آن هستند که از این فناوری برای تولید بهره می برند.
آدیداس در کفش های سری 4D خود قطعاتی (لایه ی میانی کفش) دارد که به صورت کامل با چاپ سه بعدی تولید می شوند. قطعا چنین قطعاتی نیاز به تولید انبوه دارند و شرکت تنها در سال ۲۰۱۸، ۱۰۰ هزار عدد از آن ها تولید کرد. تولید لایه ها در سال ۲۰۱۹ بیشتر هم خواهد بود. کارشناسان پیش بینی می کنند که ظرفیت بازار کفش های تولیدشده با چاپ سه بعدی تا سال ۲۰۲۹ به ۵/۹ میلیارد دلار خواهد رسید.
از محصولات مصرفی دیگر که با چاپ سه بعدی تولید می شوند، می توان به عینک اشاره کرد. بازار این محصولات تا سال ۲۰۲۸ به ۳/۴ میلیارد دلار می رسد. فریم های مخصوص مصرف کننده امروز بیش از همیشه با فناوری ساخت افزودنی تولید می شوند. چاپ سه بعدی در تولید عینک کارایی های زیادی دارد. تولیدکننده به راحتی می تواند محصولی مناسب چشم مشتری را طراحی کرده و با سرعت بالا تولید کند.
چاپ سه بعدی سرعت بالا و مصرف پایین مواد اولیه را به همراه دارد
چاپ سه بعدی علاوه بر عینک، توانایی تولید لنزهای چشمی را نیز دارد. لنزهای سنتی شیشه ای از بلوک هایی به نام Blank تولید می شوند و تقریبا ۸۰ درصد از ماده ی اولیه برای رسیدن به محصول نهایی برش داده می شود. اگر محاسبه ای کلی پیرامون نیاز کاربران به لنز چشمی و تعداد مصرف کننده ها داشته باشید، قطعا متوجه بالا بودن بسیار زیاد آمار ۸۰ درصدی خواهید شد. به علاوه مواد اولیه باید به مقدار زیاد در آزمایشگاه ها آماده باشد تا در صورت نیاز مشتری، تولیدکننده فرایند ساخت لنز مناسب را شروع کند.
با استفاده از چاپ سه بعدی روش های تولیدی مدرن تری وارد صنعت چشم پزشکی شد. امروزه لنزها با روشی سریع تر و با کیفیت بالاتر تولید می شوند که نیاز به مواد اولیه و همچنین انبارداری را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد. Luxexcel VisionEngine 3D یکی از جدیدترین چاپ گرهای سه بعدی در حوزه ی تولید لنز محسوب می شود که توانایی تولید یک جفت لنز در ساعت دارد. فرایند تولید افزودنی همچنین به آزمایشگاه امکان می دهد تا لنزها را به صورت شخصی سازی شده و با قابلیت های متنوع تولید کند.
امروزه جواهرآلات هم به کمک چاپ سه بعدی تولید می شوند. جواهر سازان با دو روش از چاپ سه بعدی برای ساخت جواهر استفاده می کنند. روش اول محصول نهایی را به صورت مستقیم با چاپ سه بعدی Metal Powder Bed Fusion تولید می کند. در روش دوم، ابزارهای مورد نیاز مانند قالب ریخته گری با استفاده از چاپ سه بعدی تولید می شوند و محصول نهایی به کمک آن ها ساخته می شود.
چاپ سه بعدی در حوزه ی محصولات مصرفی موسیقی هم وارد شده است. شرکت Reify یکی از فعالان این حوزه محسوب می شود که با الهام گرفتن از موسیقی، اجسام زیبای سه بعدی تولید می کند. به علاوه آلات متعدد موسیقی هم امروزه با چاپ سه بعدی ساخته می شوند.
بهداشت و سلامت
امروزه اخبار پیرامون ایمپلنت های پزشکی چاپ سه بعدی بسیار شنیده می شود. البته بسیاری از آن محصولات، در فاز آزمایشی هستند. به همین دلیل اکثر کاربران تصور می کنند چاپ سه بعدی در حوزه ی پزشکی هنوز در فاز آزمایشی قرار دارد، درحالی که شرایط این گونه نیست. تنها در یک دهه ی گذشته شرکت Arcam بیش از ۱۰۰ هزار ایمپلنت جایگزین استخوان لگن را با فناوری چاپ سه بعدی تولید کرده است (این شرکت اکنون به عنوان زیرمجموعه ی GE Additive) فعالیت می کند.
دکتر گویدو گراپیولو با همکاری شرکت LimaCorporate محصولی به نام Delta-TT Cup دارد که با استفاده از تیتانیوم تورتیغه ای (Trabecular) ساخته می شود. ماده ی مذکور ساختار سلولی شش ضلعی سه بعدی دارد که به ساختار تورتیغه ای استخوان نزدیک است. استفاده از این ساختار امکان هماهنگی تیتانیوم را با سیستم استخوانی بدن فراهم می کند. درنتیجه رشد استخوان به داخل ایمپلنت هم ممکن خواهد بود. برخی از اولین محصولات Delta-TT پس از گذشت یک دهه هنوز به خوبی در بدن بیماران فعال هستند.
سمعک از دیگر محصولات حوزه ی بهداشت و سلامت محسوب می شود که با استفاده از فناوری چاپ سه بعدی تولید بهینه تری دارد. به علاوه محصولات جدید در این حوزه به خوبی قابلیت مخفی ماندن دارند. حجم زیادی از سمعک های تولیدشده در ۱۷ سال گذشته با فناوری چاپ سه بعدی تولید شده اند که شرکت Phonak نقش مهمی در رایج کردن آن ها داشت. فناوری تولید سمعک به کمک چاپ سه بعدی به نام Rapid Shell Modeling شناخته می شود که در سال ۲۰۰۱ توسط همین شرکت معرفی شد. پیش از آن، فرایند تولید سمعک به ۹ مرحله ی تولیدی در آزمایشگاه نیاز داشت و محصول نهایی هم آن چنان مناسب نبود.
برای ساخت سمعک به کمک چاپ سه بعدی ابتدا قالبی سیلیکونی درون گوش بیمار قرار می گیرد تا شکل کانال گوش شناسایی شود. سپس قالب مذکور با فرایند اسکن سه بعدی و کمی اصلاح مدل سازی به مدل سه بعدی و درنهایت به قالب اصلی سمعک تبدیل خواهد شد. فرایند چاپ سه بعدی در تولید سمعک عموما با روش SLA (Stereolithography) vat photopolymerization انجام می شود. پس از اضافه کردن قطعات الکترونیکی، سمعک برای استفاده ی آسان کاربر آماده است. با استفاده از فرایند مذکور، سالانه صدها هزار سمعک به صورت اختصاصی برای بیماران طراحی و ساخته می شوند.
کاربردهای حیاتی چاپ سه بعدی در علم پزشکی روز به روز بیشتر می شوند
فرایندی شبیه به RSM که در تولید سمعک استفاده می شود، به مرور علم دندانپزشکی را هم متحول می کند. قالب های مخصوص اورتودنسی امروزه جزو پرتیراژترین محصولات صنعت چاپ سه بعدی محسوب می شوند. ماشین هایی که این قالب ها را تولید می کنند از انواع SLA و MJF هستند. در این میان روش های جدید چاپ سه بعدی امکان تولید سریع تر و بدون نیاز به قالب را برای محصولات اورتودنسی فراهم می کنند. از برندهای مشهور چاپ سه بعدی در دندان پزشکی می توان به EnvisionTec اشاره کرد.
فناوری های زیستی و تولید ارگان های بدن با استفاده از چاپ سه بعدی، روز به روز اهمیت بیشتری پیدا می کنند. مهندسی بافت در این صنعت از لایه های سلول های زنده برای تولید اعضای بدن استفاده می کنند. فناوری مذکور به نام چاپ زیستی (Bio Printing) شناخته می شود.
علاوه بر موارد بالا، تجهیزات ترمیم شکستگی هم امروزه با فناوری چاپ سه بعدی ساخته می شوند.
هوا فضا
شاید هوا فضا را بتوان عجیب ترین حوزه ی کاربرد چاپ سه بعدی دانست. امروزه نمونه های متعددی از محصولات ساخته شده با فرایند چاپ سه بعدی در این صنعت به چشم می خورند و همچنین طرح های اولیه ی متعدد برای تولید در آینده آماده هستند. به عنوان مثال می توان به استارتاپ بریتانیایی Orbex اشاره کرد که بزرگ ترین موشک ساخته شده با چاپ سه بعدی را در جهان تولید می کند. این موشک بسیار منحصر به فرد است و به صورت یک تکه و بدون هیچ اتصالی تولید می شود.
امروزه موشک های فضایی هم به کمک چاپ سه بعدی تولید می شوند
محققان دانشگاه اوتاوا پروژه ای در حال اجرا دارند تا چاپ گرهای سه بعدی را به مأموریت های کره ی ماه ارسال کنند. چاپ گرهای مذکور اکنون به عنوان طرح اولیه مطرح شده اند. در صورت ساخت نهایی می توان با استفاده از همین ماشین آلات و خاک خود ماه، تجهیزات و زیرساخت های مورد نیاز برای مأموریت های اکتشاف را تولید کرد.
صنایع غذایی
فرایند تولید افزودنی از سال ها پیش وارد صنایع غذایی شده است. امروزه رستوران های متعددی همچون Food Ink و Melisse از همین فرایند تولید به عنوان روشی برای بازاریابی و جذب مشتری هم استفاده می کنند. مشتریان عاشق فناوری برای مشاهده ی غذاهای تولیدشده با چاپ سه بعدی، از سرتاسر جهان به این رستوران ها جذب می شوند. شرکت Chefjet از فعالان دیگر تولید سه بعدی در صنعت غذایی است که انواع دانه های قند را با چاپ سه بعدی با طراحی زیبا تولید می کند.
آموزش
امروزه مدارس متعددی در سرتاسر جهان فناوری چاپ سه بعدی را به برنامه ی تحصیلی خود اضافه کرده اند تا کودکان و نوجوانان را برای دنیای آینده آماده کنند. درواقع در مدارس مدرن امروزی فضاهایی برای ساخت وساز مبتنی بر بازی، مجهز به دستگاه های متعدد همچون چاپ گر سه بعدی وجود دارند. به علاوه چاپ گرها در کتابخانه های متعدد عمومی هم دیده می شوند و قطعا در دانشگاه ها هم شاهد انواع ماشین آلات با هدف پیشبرد اهداف تحقیقی دانشجویان هستیم.
انواع فناوری و فرایندهای چاپ سه بعدی
روش های متعددی برای تولید محصول با چاپ سه بعدی وجود دارد. همه ی فناوری های تولیدی به صورت افزودنی انجام می شوند، اما در روش تولید لایه ها با هم تفاوت دارند. برخی از روش ها از ذوب کردن یا نرم کردن ماده ی اولیه برای تزریق لایه ها استفاده می کنند. برخی دیگر از رزین های فتو ری اکتیو همراه با لیزر UV بهره می برند. انجمن علم مواد آمریکا (ASTM) از سال ۲۰۱۰ استاندارد ASTM F42 – Additive Manufacturing را توسعه داد که در آن به دسته بندی فناوری های چاپ سه بعدی هم اشاره شده است. طبق استاندارد مذکور، فرایند چاپ سه بعدی به هفت گروه اصلی تقسیم می شود که در ادامه به آن ها می پردازیم.
Vat Photopolymerization
ماشین هایی که از این فرایند برای تولید استفاده می کنند، شامل یک مخزن از مواد فتوپلیمر هستند که در مراحل تولید توسط یک منبع نور UV سخت می شوند. از زیرمجموعه های این روش می توان به Stereolithography یا SLA اشاره کرد که از مخزن حاوی فتوپلیمر سخت شدنی (Curable) فرابنفش و لیزر فرابنفش برای ساخت لایه های جسم نهایی استفاده می کند. اشعه ی لیزر برای تولید هر لایه مسیری با طراحی الگوی قطعه را در سطح رزین مایع طی می کند. قرارگیری در برابر لیزر، الگوی طی شده را روی رزین به صورت جامد و سخت در می آورد که به لایه ی زیرین متصل خواهد شد.
پس از سخت شدن لایه ی اول، پلتفرم SLA که حالت آسانسوری دارد به اندازه ی ضخامت مورد نظر برای هر لایه پایین می رود. ضخامت ها عموما بین ۰/۰۵ تا ۰/۱۵ میلی متر هستند. سپس یک تیغه ی حاوی رزین روی لایه ی ساخته شده کشیده می شود تا ماده ی اولیه ی لازم برای تولید، به لایه ی بالایی اضافه شود. فرایند تایش لیزر مجددا در لایه ی جدید هم تکرار می شود و همین روند تا پایان تولید ادامه می یابد. از مهم ترین قطعات مورد نیاز در تولید با فرایند استریولیتوگرافی باید به قید و بندهای نگه داری قطعه و پلتفرم آسانسوری اشاره کرد که باید قطعه را در حوضچه ی مملو از رزین نگه دارند. فرایند مذکور در سال ۱۹۸۶ توسط چارلز هولو اختراع شد. او بنیان گذار شرکت 3D Systems بود.
Digital Light Processing یا DLP از روش های تولیدی دیگر این دسته است که از نور و پلیمرهای حساس به نور استفاده می کند. این فرایند شباهت زیادی به SLA دارد اما به جای لیزر از منابع نوری سنتی مانند لامپ های قوسی استفاده می کند. استفاده فرایند DLP سرعت بالایی نسبت به فرایندهای دیگر دارد و مانند SLA، از پلتفرمی برای بالا یا پایین بردن قطعه در آن استفاده می شود. از مشهورترین چاپ گر های سه بعدی DLP می توان به EnvisionTec Ultra، MiiCraft High Resolution و Lunavast XG2 اشاره کرد.
شرکتی به نام Carbon فرایند تولیدی فتوپلیمریزاسیون به نام Continuous Liquid Interface Production توسعه داده است که به اختصار CLIP نامیده می شود. فرایند مذکور را می توان جدیدترین روش و سریع ترین روش فتوپلیمریزاسیون دانست. قلب فرایند CLIP فناوری Digital Light Synthesis است که از یک منبع نور LED برای تاباندن مجموعه ای از تصاویر روی ماده ی اولیه ی مورد نظر استفاده می کند. تصاویر به ترتیب نمایان گر لایه های گوناگون از جسم نهایی هستند. درنتیجه نازل در روش CLIP نیاز به حرکت زیادی ندارد و تصویر سطح مقطع به صورت یک جا و با کنترل بالا در ماده ی اولیه ساخته می شود.
یک پنجره ی ورود اکسیژن در دستگاه های CLIP وجود دارد که لایه ای نازک از رزین سخت نشده را بین پنجره و ناحیه ی سخت شده (Dead Zone) وارد می کند. منطقه ی سخت شده ضخامتی حدود ۱۰ میکرون دارد. در این منطقه اکسیژن مانع از سخت شدن بالای ناحیه می شود تا ورود ادامه دار و متوالی ماده ی اولیه و جوش خوردن آن به لایه های قبلی جریان داشته باشد.
پس از پایان تولید محصول با نور، یک مرحله ی دیگر برای آماده سازی نهایی آن وجود دارد. محصول را در مخازن مخصوص گرمادهی قرار می دهند تا با فرایندی مانند پختن، به خواص مکانیکی مورد نظر برسد. قطعاتی که با این روش تولید می شوند شباهت زیادی به قطعات تولیدشده با ذوب تزریقی دارند. درنتیجه خواص مکانیکی ثابت و قابل اندازه گیری خواهند داشت.
Material Jetting
متریال جتینگ، مواد را به صورت قطراتی از نازل های با قطر بسیار پایین به پلتفرم تولید تزریق می کند. چنین روشی شباهت زیادی به چاپ با چاپ گرهای رنگی جوهر افشان دارد. منتهی روش مذکور برای ساخت لایه به لایه ی یک جسم سه بعدی استفاده می شود که سپس با نور UV سخت خواهد شد.
Binder Jetting
در روش بایندر جتینگ از دو ماده استفاده می شود. ماده ی اصلی به صورت پودر در دستگاه قرار دارد و ماده ی مایع دیگر پیونده (Binder) نام دارد. ابتدا پودر در محفظه ی تولید وارد شده و سپس پیونده با استفاده از نازل ها به آن وارد می شود و به نوعی نقش چسب را برای تولید محصول نهایی بازی می کند. پس از پایان فرایند ساخت، جسم نهایی باید از محفظه ی پر از پودر خارج شود. پودر باقی مانده برای تولید محصولات بعدی استفاده می شود. فناوری بایندر در سال ۱۹۹۳ در دانشگاه MIT اختراع شد و Z Corporation در سال ۱۹۹۵ مجوز تولید ماشین آلات آن را دریافت کرد.
Material Extrusion
فرایند اکستروژن را می توان پرکاربردترین روش تولید با چاپ سه بعدی دانست. از پرکاربردترین روش های این فرایند نیز می توان به Fused Deposition Modeling یا FDM اشاره کرد (به نام Filament Deposition Modeling هم شناخته می شود). در این روش از یک رشته ی پلاستیکی یا فلزی استفاده می شود که ابتدا دور یک قطعه ی گرد پیچیده شده است. رشته ی مورد نظر به مرور باز شده و به نازل وارد می شود. نازل به کمک یک سیستم کنترل عددی کامپیوتری توانایی حرکت های افقی و عمودی را دارد و به مرور ماده ی اولیه را ذوب می کند. ماده به محض خارج شدن از نازل و قرارگیری روی لایه ی قبلی سخت می شود. همین روند برای تولید لایه های متعدد جسم نهایی تکرار خواهد شد.
از مواد اولیه ی پرکاربرد در فرایند تولید FDM می توان به ABS یا Acrylonitrile Butadiene Styrene و PLA یا Polylactic acid اشاره کرد. البته بسیاری مواد دیگر هم در این روش استفاده می شوند و حتی مواد پرکننده ی چوبی و رسانا هم در برخی ماشین آلات استفاده شده است.
FDM در سال های پایانی دهه ی ۱۹۸۰ توسط اسکات کرامپ اختراع شد. او پس از ثبت اختراع، شرکت خود را به نام Stratasys در سال ۱۹۸۸ ثبت کرد. درواقع امروز نام FDM نیز به عنوان نشانی تجاری در اختیار شرکت Stratasys قرار دارد.
Powder Bed Fusion
چاپ گرهای پودری که با ذوب و جوش پودر فرایند تولید را انجام می دهند بخش مهمی از بازار چاپ گرهای سه بعدی هستند. Multi Het Fusion یا MJF یکی از روش های تولیدی با این فرایند است که Hewlett Packard آن را به صنعت معرفی کرد. در فرایند MJF ابتدا یک بازوی مکانیکی لایه ای از ماده ی پودری را در محفظه ی تولید وارد کرده و سپس بازوی دیگر بسته به طراحی سطح مقطع هر لایه، ماده ی پیونده را به آن اضافه می کند. نازل دوم همچنین اندازه گیری ابعاد و دقیق و نرم بودن سطح را هم بررسی می کند. درنهایت انرژی گرمایی به کار گرفته می شود تا مواد موجود وارد واکنش شوند.
چاپ گرهای روش MJF توانایی تزریق ۳۰ میلیون قطره در ثانیه را دارند و تولید بسیار سریع و دقیقی انجام می دهند. به علاوه می توان از مواد گوناگون برای تولید یک جسم استفاده کرد و محصولی با رنگ و خواص مکانیکی متنوع به دست آورد.
Selective Laser Sintering یا SLS روش تولیدی دیگر پودری است که پرکاربردترین روش در این دسته محسوب می شود. در فرایند SLS از لیز با قدرت بالا برای تبدیل ذره های کوچک پودر پلاستیک، سرامیک و شیشه به جسم با ابعاد هندسی مورد نیاز استفاده می شود. لیزر به صورت انتخابی ماده ی پودری را به گونه ای ذوب می کند و جوش می دهد تا لایه ها طبق مدل سه بعدی ساخته شوند. پس از اسکن هر سطح مقطع، صفحه ی حاوی پودر به اندازه ی ضخامت یک لایه پایین می رود تا لایه ی جدید روی آن جوش بخورد.
در برخی از روش های تولیدی SLS از فلز به جای پلاستیک، سرامیک و شیشه از فلز استفاده می شود که به نام DMLS شناخته می شوند. در فرایند فلزی همه ی پودر موجود به عنوان بستر پشتیبان برای جسم نهایی استفاده می شود و درنهایت برای ساخت اجسام بعدی کاربرد خواهد داشت. همین مورد، مزیت مهم DMLS نسبت به SLS و SLA است. SLS اولین بار در میانه ی دهه ی ۱۹۸۰ توسط دکتر کارل دکارد از دانشگاه تگزاس و با سرمایه گذاری دارپا ثبت شد.
Sheet Lamination
فرایند چاپ سه بعدی به کمک مواد اولیه ی ورقه ای، انواع مواد اولیه از فلز تا کاغذ و پلیمر را پشتیبانی می کند. ورق های فلزی با جوش التراسونیک به هم متصل می شوند و پس از جوش هر لایه، یک فرز CNC فرایند شکل دهی را انجام می دهد. ورق های کاغذی با چسب مخصوص لایه های جسم نهایی را شکل می دهند و از تیغه های دقیق برای برش آن ها استفاده می شود.
Directed Energy Deposition
این فرایند اکثرا در تولید صنعتی فلزی و در فناوری های پیشرفته کاربرد دارد. در روش تابش مستقیم انرژی، بازوی رباتیک با توانایی حرکت در محورها و زاویه های متنوع استفاده می شود که پودر فلز یا سیم فلزی را روی سطح وارد می کند. سپس یک منبع انرژی مانند لیزر، اشعه ی الکترونی یا پلاسما برای ذوب کردن و جوش دادن ماده استفاده می شود.
مواد اولیه
۶ نوع ماده بیش از همه در فرایندهای تولید افزودنی استفاده می شوند. پلیمر، فلز، بتن، سرامیک، کاغذ و مواد خوراکی دسته های اصلی پرکاربرد در صنعت چاپ سه بعدی هستند. مواد اولیه عموما به شکل های سیم تغذیه ای، رشته ی مخصوص چاپ گر سه بعدی، پودر یا رزین مایع استفاده می شوند. روش های بالا از همه ی این مواد استفاده می کنند، اما پلیمرها بیش از همه کاربرد دارند. به علاوه برخی از روش ها نیز به استفاده از مواد خاص محدود هستند.
مطلب بالا بررسی کلی از کاربردها و فرایندهای تولید به روش چاپ سه بعدی بود. روشی که در سال های نه چندان دور تنها در مراحل آزمایشی و مدل سازی تولید انجام می شد، امروز به بخشی جدانشدنی از صنایع متعدد تبدیل شده است. قطعا آشنایی با این فرایند و حتی تخصص کار کردن با تجهیزات و ابزارهای گوناگون آن، آینده ی روشنی را برای افراد علاقه مند به همراه خواهد داشت.