از پرینت سه بعدی چه می دانیم؟
ساخت افزایشی

پرینت سه بعدی چیست؟

پیش از این در نوشته‌های دیگر به اهمیت و جایگاه پرینت سه بعدی در دنیای امروز پرداختیم. کاربردهای آن را برشمردیم و گفتیم که پرینترهای سه بعدی یکی از ارکان اصلی انقلاب صنعتی چهارم هستند. به همین دلیل در این نوشته قصد نداریم که به مباحث تکراری بپردازیم. تنها سعی می‌کنیم در هر جا که نیاز بود به مباحث قبل اشاره کنیم و به صفحه‌ی همان مبحث لینک دهیم تا شما بتوانید به طور کامل با مباحث آشنا شوید.

پرینت سه بعدی یک سازوکار ساخت افزایشی است که از یک طرح دیجیتالی، یک شی فیزیکی را می‌سازد. زیرتکنولوژی‌ها و مواد مختلفی وجود دارد که می‌توان با استفاده از آن‌ها یک قطعه یا شی را پرینت سه بعدی کرد، ولی همه‌ی آن‌ها بر اساس یک اصل مشترک عمل می‌کنند: یک مدل دیجیتال با فرآیند افزودن لایه به لایه مواد بر روی همدیگر تبدیل به یک جسم سه بعدی فیزیکی می‌شود.

در این مقاله شما هر آنچه که در جواب سوال “پرینت سه بعدی چیست؟” نیاز دارید به دست خواهید آورد. ابتدا با مبانی اولیه این حوزه شروع می‌کنیم و سپس به مباحث تخصصی‌تر و کاربردی‌تر خواهیم پرداخت.

نکته‌ای که در ابتدای بحث باید به آن اشاره کنیم، این موضوع است که در ادامه‌ی بحث عبارات “ساخت افزایشی”، “پرینت سه بعدی” و “چاپ سه بعدی” یک معنی را خواهند داشت. تنها به تناسب متن و برای حفظ شیوایی فنی آن از هرکدام از این کلمات استفاده خواهد شد.
عبارات “پرینتر سه بعدی” و “چاپگر سه بعدی” هم همین شرایط را دارند.
ناگفته نماند که کارکرد این کلمات می‌تواند در برخی شرایط اندکی متفاوت باشد که در آینده و در نوشته‌ای مجزا به آن خواهیم پرداخت.

ساخت قطعه توسط ساخت افزایشی

چاپ سه بعدی چگونه کار می‌کند؟

هر فرآیند پرینت سه بعدی با یک طرح سه بعدی دیجیتال شروع می‌شود. اینکه بخواهیم یک مدل سه بعدی فیزیکی را بدون در اختیار داشتن یک مدل سه بعدی دیجیتال پرینت سه بعدی کنیم همانند این است که بخواهیم بدون در اختیار داشتن یک متن تایپ شده بر روی یک برگ کاغذ چاپ کنیم. طرح سه بعدی دیجیتال باید به لایه‌های نازک تقسیم شود تا بتوان آن را برای ساخت به پرینترهای سه بعدی سپرد.

زیرتکنولوژی‌های چاپ سه بعدی از اینجا به بعد می‌توانند تفاوت‌های زیادی با هم داشته باشند؛ از پرینترهای سه بعدی رومیزی که با روی هم قرار دادن لایه‌های پلاستیک بر روی یکدیگر مواد مورد نظر را می‌سازند تا پرینترهای سه بعدی صنعتی بزرگ که از روش‌هایی مثل جوش دادن دانه‌های مواد برای پرینت سه بعدی آن‌ها استفاده می‌کنند. زمان لازم برای پرینت سه بعدی یک قطعه با اندازه‌ی آن تناسب دارد. همچنین اغلب قطعات پرینت شده نیاز به عملیات پساپرداخت دارند تا به خصوصیات فنی و حتی ظاهری  مطلوب برسند.

مواد مورد استفاده در پرینترهای سه بعدی هم می‌تواند بسیار متفاوت باشد. از پلاستیک و رزین تا فلز و بتن می‌تواند در پرینترهای سه بعدی مورد استفاده قرار گیرد.

پرینتر سه بعدی چیست؟

به زبان ساده پرینتر سه بعدی دستگاهی است که توان انجام عملیات پرینت سه بعدی را دارد. به‌طورکلی روال فرآیند پرینت سه بعدی و نقش پرینتر سه بعدی در شکل زیر آمده است. همان‌طور که در شکل نشان داده‌شده است، فرآیند پرینت سه بعدی از طراحی مدل کامپیوتری قطعه‌ی موردنظر در نرم‌افزارهای سه بعدی شروع می‌شود. سپس قطعه به نرم‌افزارهای اسلایسر داده می‌شود تا مدل کامپیوتری را به کد قابل فهم برای پرینتر سه بعدی تعریف کنند. سپس خروجی اسلایسر به‌عنوان ورودی به پرینتر سه بعدی داده می‌شود و دستگاه، قطعه‌ی موردنظر را می‌سازد. در نهایت هم بر روی قطعه‌ی ساخته‌شده عملیات پرداخت نهایی انجام می‌شود تا برخی از ویژگی‌های قطعه به حد مطلوب برسد.

پرینترهای سه بعدی از زیرتکنولوژی‌های متفاوتی برای انجام عمل پرینت سه بعدی استفاده می‌کنند ولی همه آن‌ها یک ماهیت مشترک دارند. ماهیت مشترک همه پرینترهای سه بعدی با زیرتکنولوژی‌های مختلف این است که قطعه مطلوب را با قرار دادن لایه‌ها بر روی یکدیگر می‌سازند.

تاریخچه‌ی پرینترهای سه بعدی

هرچند که در بین عموم پرینت سه بعدی به عنوان یک تکنولوژی جدید آینده‌نگرانه شناخته می‌شود، ولی در حقیقت بیش از ۳۰ از پیدایش آن می‌گذرد. پس اجازه دهید به طور کوتاه به این سوال پاسخ دهیم که پرینتر سه بعدی از چه زمانی شکل گرفت.

تاریخچه پرینت سه بعدیSLA-1، اولین پرینتر سه بعدی اختراع شده در سال ۱۹۸۶ و توسط چارلز هال

چارلز هال اولین سازوکار چاپ سه بعدی را در سال ۱۹۸۶ به نام خودش ثبت کرد. چارلز هال در پرونده ثبت اختراع خود استریولیتوگرافی را به عنوان یک روش و یک دستگاه برای ساخت قطعات جامد با استفاده از قرار دادن لایه‌های نازک رزین‌های جامد شونده توسط اشعه‌ی فرابنفش تعریف کرد. این اختراع آقای چارلز هال تنها به مواد مایعی اشاره دارد که با تاباندن اشعه‌ی نور مخصوص، به جامد تبدیل می‌شوند. وی به زودی دریافت که روش وی تنها به مایعات خاص محدود نخواهد شد. او این روش را به هر ماده‌ای که توانایی تغییر حالت دادن فیزیکی و جامد شدن داشت گسترش داد. با این کار هارلز هال از بنیان‌ گذاران مفهومی شد که امروزه به نام ساخت افزایشی و یا پرینت سه بعدی می‌شناسیم.

تخمین فروش پرینترهای سه بعدیفروش تخمینی پرینتر سه بعدی از سال ۲۰۰۷ تا ۲۰۱۵ – منبع: گزارش وهلر؛ گارتنر

تا سال ۲۰۰۹ پرینترهای سه بعدی به خاطر قیمت بالای آن‌ها اغلب در صنایع استفاده می‌شدند. بعد از این که حق ثبت امتیاز زیرتکنولوژی FDM در این سال منقضی شد، پرینتر سه بعدی به شرکت‌های کوچک، دفاتر فنی و حتی مدرسه‌ها و خانه‌ها راه یافت.

به واسطه‌ی پروژه‌ی رپ‌رپ برای ساخت دستگاه خود تکثیرکننده، اولین پرینتر سه بعدی دسکتاپ متولد شد. از آن به بعد کمپانی‌های مختلفی به تولید پرینترهای سه بعدی پرداختند و قیمت این دستگاه از ۲۰۰۰۰۰ هزار دلار به چیزی در حدود ۲۰۰۰ دلار رسید.

امروزه فروش پرینتر سه بعدی رشد فزاینده‌ای را تجربه می‌کند. هر سال حق ثبت تعداد بیشتری از زیرتکنولوژی‌های پرینت سه بعدی منقضی می‌شود و انتظار می‌رود که روزبه‌روز پرینترهای سه بعدی کاراتر و ارزان‌تر راه خود را در همه‌ی بازارها باز کنند.

در حال حاضر در حدود ۳۰۰۰۰۰ نفر در جهان مشتری پرینترهای سه بعدی هستند و انتظار می‌رود که این عدد در هر سال دو برابر شود.

مزایا و معایب پرینت سه بعدی چیست؟

تکنولوژی‌های چاپ سه بعدی به واسطه‌ی ماهیت متفاوتی که با تکنولوژی‌های سنتی ساخت دارند، در ذات خود دارای مزایای نسبی هستند. همچنین ساخت افزایشی نسبت به دیگر روش‌های ساخت، ضعف‌هایی هم دارد. هر کسی که با فرآیندهای ساخت به نوعی سر و کار دارد باید به این ضعف‌ها و قوت‌ها واقف باشد. ما برخی از مهمترین مزایا و معایب ساخت افزایشی را در ادامه آوردیم تا بتوانید به نگاهی دقیق‌تر از روند تکنولوژی‌های چاپ سه بعدی دست یابید.

توانایی ساخت هندسه‌های پیچیده(مزیت)

اولین مزیتی که در پرینترهای سه بعدی می‌توانیم به آن اشاره‌ کنیم، توانایی ساخت هندسه‌های پیچیده است.

همه تکنولوژی‌های پرینتر سه بعدی توانایی چاپ طرح‌های پیچیده را دارند، ولی بعضی از آن‌ها توانایی‌های متفاوت و بیشتری دارند. مانند تکنولوژی‌های گداخت بستر پودری که توانایی پرینت سه بعدی قطعات بسیار پیچیده را بدون استفاده از ساپورت دارند. ساپورت ساختاری است داربست‌ مانند که به لایه‌های بالای قطعات اجازه می‌دهد که به‌طور غیرمستقیم بر روی لایه‌های زیرین قرار گیرند تا از ریزش لایه‌های بالایی جلوگیری شود.

پرینتر سه بعدی به طراح‌ها اجازه می‌دهد تا بتوانند طرح‌های پیچیده‌ای را که ساخت آن‌ها با روش‌های سنتی غیرممکن بود بسازند. به خاطر ماهیت قوانین فیزیک، ساخت پیچیدگی‌ها در تکنولوژی‌های پرینت سه بعدی هیچ هزینه‌ی اضافی را متحمل نمی‌کند. به عنوان مثال در تکنولوژی‌های سنتی، فرآیند ساخت یک قطعه‌ی ساده و یک قطعه‌ی پیچیده هزینه‌ی بسیار متفاوتی را بر سازنده متحمل می‌کرد ولی در تکنولوژی پرینت سه بعدی ساخت پیچیده‌ترین و ساده‌ترین قطعات(در اندازه‌ی برابر) دارای هزینه‌ی یکسانی هستند.

قابلیت سفارشی‌ سازی(مزیت)

مزیت دیگر پرینترهای سه بعدی، قابلیت سفارشی‌ سازی قطعات در آن است به‌ طوری‌ که در هر نوبت چاپ سه بعدی می‌توان یک قطعه را با ویژگی‌های کاملاً متفاوت نسبت به قطعه قبلی و بعد از آن ساخت.

تا حالا شده است که از خودتان بپرسید که چرا مجبوریم که لباس‌هایمان را تنها در اندازه‌های استاندارد خریداری کنیم؟ در روش‌های ساخت سنتی هرچه از یک محصول خاص تعداد بیشتری قطعه تولید شود، هزینه‌ی ساخت آن کاهش می‌یابد. یا به بیان دیگر هزینه‌ی ساخت هر محصول تنها در حالتی مقرون به صرفه است که از آن تعداد زیادی تولید شود. ولی در فرآیند پرینت سه بعدی می‌توان هزاران محصول کاملاً متفاوت را بدون متحمل شدن هزینه‌ی اضافی و در یک پرینتر سه بعدی به طور پی در پی تولید کرد.

عدم نیاز به ابزارهای جانبی؛ کاهش هزینه‌های اولیه(مزیت)

مزیت دیگر پرینترهای سه بعدی در این است که برای ساخت با  آن‌ها تنها به یک دستگاه پرینتر سه بعدی نیاز است.

این ویژگی برخلاف روش‌های سنتی است که در آن‌ها باید جمعی از دستگاه‌ها و ابزارها دست‌ به‌ دست هم می‌دادند تا بتوانند قطعه نهایی را بسازند.

برای فرآیندهای ریخته‌گری فلز و یا قالب تزریق، هر قطعه از یک محصول نیاز به یک قالب مجزا دارد. همین چالش می‌تواند هزینه‌های اولیه را به طور چشمگیری افزایش دهد. کمپانی‌ها برای اینکه بتوانند این هزینه‌های اولیه متحمل شده را جبران کنند ناچار به تولید تعداد زیادی از محصولات خود هستند.

فرآیندهای پرینت سه بعدی به خاطر تک-ابزار بودن و استفاده از ماهیت متفاوت ساخت، هزینه‌ و زمان اضافه‌ای را برای ساخت قطعات پیچیده در مقایسه با قطعات ساده به تولیدکنندگان تحمیل نمی‌کنند. همین ویژگی به تولید کنندگان کمک می‌کند که زمان، هزینه و نیاز به تیم‌های متخصص را برای تولید محصولات جدید به حداقل برسانند و تمرکزشان را بر روی بازاریابی و فروش بگذارند.

سرعت و راحتی ساخت نمونه‌های اولیه، در نتیجه سرعت بالا و ریسک کم در رسیدن محصول به بازار(مزیت)

این مزیت می‌تواند برای کارآفرینان، نوآوران، کارگاه‌های کوچک و حتی مدارس و آموزشگاه‌ها بسیار ارزشمند باشد.

ویژگی دیگر استفاده از پرینت سه بعدی در صنایع این است که سرعت انجام و اجرای پروژه‌های ساخت بسیار افزایش می‌یابد. برای ساخت با استفاده از چاپگر سه بعدی تنها نیاز است که فایل طراحی‌شده را به پرینتر سه بعدی بدهیم و به هر تعداد که نیاز داریم از آن بسازیم. این ویژگی همچنان ریسک موجود در فرآیند تولید را بسیار می‌کاهد.

استارتاپ‌ها و مجموعه‌های کوچک می‌توانند در ابتدای کار تنها به تعداد کمی از قطعه‌ی موردنظر را بسازند؛ بدون این‌که هزینه تمام‌شده برای هر قطعه افزایش می‌یابد. سپس بعد از انجام فرایند بازاریابی و بازارسازی و در صورت تمایل، به ادامه ساخت روی بیاورند.

به دلیل این که در انجام پرینت سه بعدی از ابزارهای متفاوتی برای ساخت محصولات استفاده نمی‌شود و تنها ابزار اصلی همان پرینتر سه بعدی است، هزینه‌ی تمام شده برای تولیدکنندگان بسیار کاهش می‌یابد. تصور کنید که یک طراح و یا کارآفرین قصد دارد محصولی را به طور محدود به بازار عرضه کند تا واکنش بازار را به آن محصول بسنجد. برای این کار هرچه هزینه‌ی تمام شده برای تولید یک محصول در تعداد محدود کمتر باشد، ریسک و انعطاف‌پذیری آن طراح یا کارآفرین برای تولید محصول بهبود می‌یابد.

همچنین نیاز به صرف انرژی برای طی مراحل پرزحمت ساخت به روش سنتی برای ساخت نمونه‌ی اولیه و یا ساخت در تعداد محدود نیست. همچنین یک کارآفرین می‌تواند نمونه‌ی اولیه محصول خود را برای نشان دادن و جذب سرمایه در بسترهایی همچون کیک‌ استارتر بسازد.

اتلاف کمتر مواد اولیه(مزیت)

تکنولوژی‌های سنتی ساخت اغلب از نوع کاهشی هستند. به این معنا که با روش‌های مختلفی چون فرزکاری و تراشکاری، از بلوک ماده خام براده برداری یا تکه‌برداری می‌کردند تا به فرم موردنظر برسند. استفاده از این روش‌ها موجب می‌شد تا اتلاف زیادی در مواد اولیه به وجود آید. به عنوان نمونه برای تولید بسیاری از قطعات همچون براکت هواپیما معمول است که تا ۹۰ درصد ماده‌ی اولیه در فرآیند ماشین‌کاری اتلاف می‌شود.

در مقابل روش‌های سنتی، پرینت سه بعدی یک روش ساخت افزایشی است. یعنی این فرآیند با قرار دادن لایه به لایه مواد خام بر روی یکدیگر قطعه نهایی را می‌سازد. همین ماهیت متفاوت این روش ساخت کمک می‌کند که پرینترهای سه بعدی تنها همین میزان مواد اولیه که برای ساخت قطعات نیاز دارند را در فرآیند تولید به کار گیرند.

در اغلب زیرتکنولوژی‌های پرینت سه بعدی، هیچ ماده‌ی زائدی به‌ عنوان پسماند ساخت، باقی نمی‌ماند. حتی در روش‌هایی همچون SLS که از پودر ماده خام برای پرینت سه بعدی استفاده می‌شود. پودر باقیمانده در فرآیند ساخت قابل‌استفاده مجدد است و در مرتبه‌های بعدی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

همچنین اغلب مواد مصرفی در پرینترهای سه بعدی قابل بازیافت و استفاده‌ی مجدد در این دستگاه‌ها هستند.

به برخی از مهم‌ترین مزایای استفاده از پرینتر سه بعدی برای ساخت قطعات اشاره شد. باید گفت که پرینترهای سه بعدی هم دارای معایبی نسبت به دستگاه‌های سنتی هستند. به‌ عبارت‌ دیگر ساخت افزایشی در کنار مزایای بسیار زیادی که نسبت به روش‌های سنتی دارد، دارای معایبی نیز هست. هرچند که بسیاری از نقطه‌ ضعف‌های کنونی ساخت افزایشی نسبت به تکنولوژی‌های سنتی در حال کمرنگ شدن است و امید می‌رود که در آینده‌ای نه‌ چندان دور، آن ضعف‌ها هم جبران شود.

اجازه دهید در این قسمت از بحث به‌طور بسیار خلاصه به چند مورد از مهم‌ترین ضعف‌های استفاده از پرینتر سه بعدی برای فرایند ساخت اشاره‌ کنیم.

هزینه تمام‌شده بالا برای تولید انبوه(ضعف)

در بسیاری از روش‌های سنتی تولید، هزینه تمام‌شده برای هر قطعه‌ یا محصول نهایی زمانی توجیه اقتصادی پیدا می‌کند که تعداد ساخت قرار باشد بیش‌ از حد معینی برسد. به‌ عنوان نمونه در تزریق پلاستیک اگر قرار باشد تعداد ساخت کمتر از چند هزار تا باشد، قیمت تمام‌شده برای هر قطعه زیاد خواهد شد و توجیه اقتصادی نخواهد داشت. به این دلیل که یک هزینه اولیه بالایی باید برای ساخت قالب پرداخت شود. از طرف دیگر وقتی در این روش‌ها تعداد ساخت از حد معینی بالاتر می‌رود، توجیه اقتصادی پیدا می‌کند.

در برابر آن اگر قرار باشد برای ساخت همان قطعه از یک پرینتر یا چندین پرینتر سه بعدی برای تولید آن محصول استفاده کنیم، هرچه تعداد ساخت قطعه موردنظر افزایش پیدا کند، در عین‌ حال که قیمت تمام‌شده پرینت سه بعدی همان قطعه هیچ تغییری با تعداد کم نمی‌کند، قیمت تمام‌شده تولید همان قطعه با روش‌های سنتی بسیار کاهش می‌یابد و عملاً ساخت افزایشی بازی را به رقیب خود خواهد باخت. پس باید در نظر گرفت که برای تولید انبوه در بسیاری از موارد اگر بتوان همان قطعه را با روش‌های سنتی ساخت، پرینتر سه بعدی نمی‌تواند جوابگوی بازار و قیمت تمام‌شده مناسب برای آن باشد.

گفتنی است که با ادامه‌ی روند کاهش قیمت پرینترهای سه بعدی و همچنین کاهش قیمت مواد مصرفی، انتظار می‌رود که صنعت پرینت سه بعدی توان رقابت با صنایع سنتی را در تولید انبوه محصولات پیدا کند.

تنوع کمتر در مواد، رنگ‌ها و پرداخت سطح(ضعف)

ضعف دیگر استفاده از پرینتر سه بعدی، تنوع کمتر مواد قابل‌استفاده است. همچنین در انتخاب رنگ‌ها و پرداخت سطح هم تنوع کمتری وجود دارد و تولیدکننده‌ها دستشان همچون روش‌های سنتی باز نیست. با وجود این که هم اکنون بیش از شش هزار نوع ماده برای استفاده در پرینترهای سه بعدی وجود دارد، اغلب آن‌ها انواع پلاستیک و فلز هستند. به همین تنوع مواد، رنگ و پرداخت سطح در چاپ سه بعدی کمتر از روش‌های سنتی ساخت است.

هرچند که این ضعف پرینت سه بعدی به سرعت در حال جبران است و موادی بسیاری همچون سرامیک‌ها، کامپوزیت‌ها، مواد غذایی و مواد زیستی در صف پیسوتن به مواد مصرفی در صنعت پرینت سه بعدی هستند.

مقاومت و دوام محدود(ضعف)

تا به‌ حال پرینترهای سه بعدی نتوانستند که در معیارهایی چون مقاومت و دوام به پای روش‌های سنتی برسند. هرچند که امروزه زیرتکنولوژی‌هایی از پرینت سه بعدی هستند که می‌توانند قطعاتی با مقاومت‌های بسیار بالا و دوام ماندگار بسازند، ولی به‌طور عمده همچنان بازار پرینتر سه بعدی توانایی رقابت با روش‌های سنتی را در معیارهای چون مقاومت و دوام قطعات ندارد. آن دسته از پرینترهای سه بعدی که در مراحل تحقیقاتی و حتی عرضه به بازار هستند و توانایی ساخت قطعاتی بادوام و مقاومت بالا را دارند همچنان دارای قیمتی بالا و غیررقابتی هستند و همین چالش موجب می‌شود تا بسیاری از تولیدکنندگانی که قصد ساخت قطعات خاص و با مقاومت‌های خاص را دارند، از به‌کارگیری پرینتر سه بعدی در فرایند تولید منصرف شوند.

حسین مهرآبادی

"آسان و سریع بیاموزید"

حضوری وآنلاین در سراسر کشور

با مدرک معتبر دوزبانه

دیدگاه کاربران ۰دیدگاه

دیدگاه خود را بنویسید