متفرقه هنر چاپ سه‌بعدی

[mah.s.a]

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 بر «طراحی به کمک رایانه (کَد)» استوار است.

نه چاپگر سه‌بعدی

 

[mah.s.a]

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 نمونه‌سازی فوری خوانده می‌شد، این نام‌گذاری به این دلیل بود که این فناوری در واقع برای ساخت سریع و کم‌هزینهٔ نمونهٔ اولیه برای یک تولید انبوه 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 DTM Inc. داده شد و بعدها توسط 3D Systems خریداری شد.

در همان سال ۱۹۸۹ میلادی اسکات کرامپ، یکی از مؤسسان Stratasys Inc،[۳] ثبت اختراع دستگاه مدل‌سازی لایه‌های مذاب را اعلام کرد و آن را به کمپانی اختصاص داد. البته این فناوری هم‌اکنون به‌صورت مدل متن‌باز رِپ‌رَپ (RepRap)[۴] بسیار فعال است.

اصطلاح «چاپ سه‌بعدی» (اختصاراً 3DP) نخست به فرایند ویژه‌ای تخصیص یافت که توسط دانشمندان دانشگاه ام‌آی‌تی در سال ۱۹۹۳ (۱۳۷۲ش) ثبت اختراع شد و سپس طی قراردادهایی اجازهٔ (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 …

 

[mah.s.a]

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 مدل‌سازی 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 چندوجهی‌ها یا مثلث‌ها 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 به G-code می‌کند. جی‌کد زبان برنامه‌نویسی دستگاه‌های سی‌ان‌سی و چاپگرهای سه‌بعدی است.

۳. چاپ مدل: دستگاه‌های مختلف وجود دارند که هر کدام با سازکارهای 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 مرحلهٔ پس‌تولید در فناوری‌های مختلف متفاوت است. در بعضی موارد قطعه باید زیر اشعهٔ فرابنفش به‌عمل آید.

 

[mah.s.a]

تمامی روش‌های چاپ سه‌بعدی ـ که به‌اصطلاح «تولید افزایشی» یا «ساخت افزایشی» نامیده می‌شوند ـ وجه مشترکشان این است که پردازش در آن‌ها به‌صورت پی‌رفتی یا مرحله‌مرحله انجام می‌شود ـ برخلاف آنچه در ریخته‌گری یا قالب‌گیری به‌صورت تک‌مرحله‌ای رخ می‌دهد، که فرایندی تحکیمی دارند؛ یا آنچه در برش‌کاری یا براده‌برداری از یک تودهٔ مکعبی حاصل می‌شود، که فرایندی کاهشی را طی می‌کنند. ساخت به روش‌های چاپ سه‌بعدی نسبت به شیوه‌های رایجِ پیشین امتیازات مهمی دارد، ازجمله:

• عدم نیاز به تجهیزات گران‌قیمتی که در کارخانجات ذوب فلزات و برای فرایند فرزکاری به‌کار گرفته می‌شود؛
• قابلیت ساخت قطعاتی با ساختار پیچیده و نامتعارف سفارشی، در مدتی کوتاه؛
• تولید ضایعات کمتر.

از طرف دیگر، اشکالاتی هم در قیاس با شیوه‌های سنتی ساخت و تولید بر آن وارد است:

• امکان تولید در تعداد و سرعت کم؛
• استحکام، دقت و جلای کمتر سطوح؛
• مواد به‌نسبت محدودی که می‌توانند پردازش کنند و جنس محصولات خروجی را تشکیل دهند؛
• محدودیت بسیار در خصوص ابعاد سازه‌ای که می‌توان با قیمتی متعادل و بدون اعوجاج از این طریق ساخت.

 

[mah.s.a]

ساختار لایه‌لایه و کاربست یک طراحی سه‌بعدی کَد در این چاپ اساساً همان دو چیزی است که چاپ سه‌بعدی را نه‌تنها از چاپ‌های دیگر که دوبعدی هستند، بلکه از تمامی شیوه‌های سنتیِ تولید اجسام متمایز می‌کند. برای ساخت یک جسم توسط چاپگر سه‌بعدی صدها و بلکه هزاران لایه بر روی یکدیگر سوار می‌شوند تا فرم نهایی شکل بگیرد و در مرتفع‌ترین نقطهٔ راستای عمودی‌اش تکمیل شود. به این فرایند تولید افزایشی گفته می‌شود. توسط نرم‌افزارهای کَد، مهندسان مدل رایانه‌ای سه‌بعدی حجم موردنظر را آماده می‌کنند، تا با چاپگر سه‌بعدی ساخته شود. این مدل برای ماشین به برش‌های متعدد دوبعدی ترجمه می‌شود و ـ مبتنی بر یک دستورالعمل ـ به چاپگر گفته می‌شود که مادهٔ اولیه را دقیقاً در کدام مناطق هر یک از لایه‌های متوالی پر کند.

در واقع این واژهٔ تولید افزایشی (additive manufacturing)[۸] است که این روش تولید را از تمامی متدهای تولید سنتی جدا کرده‌است. متد چاپ سه‌بعدی به‌نحوی است که لایه‌هایی با دقت کسری از میلی‌متر را به‌صورت بخش بخش می‌سازد در حالی که متدهای سنتی تماماً بر اساس براده‌برداری یا قالب‌ریزی و ریخته‌گری بوده‌اند و خود کلمهٔ «manufacturing» ریشهٔ لغوی در زبان فرانسوی دارد که به معنای «با دست ساخته شده» است. در روش‌های سنتی که ذکر شد محدودیت‌ها و معایب بسیاری دیده می‌شود. مثلاً در روش براده‌برداری که از یک قطعهٔ بزرگ‌تر به جسم نهایی می‌رسند؛ معمولاً ۹۰٪ از ماده هدر می‌رود، که هزینهٔ زیادی برای تولیدکننده و درنتیجه مصرف‌کننده خواهد داشت. در مقابل ایدهٔ چاپ سه‌بعدی لایه‌ها را بر روی هم می‌سازد و هدررفت کمتری مادهٔ اولیه خواهیم داشت، به‌صورت خودکار انجام می‌شود و دقت بالایی نیز دارد.

چاپ سه‌بعدی یک فناوری توانمند است که طراحان را تحـریـ*ک و تشویق می‌کند و به آن‌ها آزادی طراحی بی‌سابقه‌ای می‌دهد و این در حالی است که این فرایند ابزار کمتری نیاز دارد و نتیجتاً باعث کاهش هزینه‌های سنگین می‌شود. همچنین به‌وسیلهٔ این فناوری قطعات را می‌توان به‌طور خاص طراحی کرد و نیازی به مونتاژ با هندسه و ویژگی‌های پیچیده برای دستگاه نیست.

این فناوری همچنین به‌عنوان یک فناوری با مصرف بهینه انرژی ظهور کرده‌است و همچنین هیچ‌گونه آلودگی‌ای برای محیط زیست ندارد. با استفاده از مواد استاندارد طول عمر قطعات بیشتر می‌شود، وزن آن‌ها کاهش می‌یابد و در عین حال استحکام بالا می‌رود.

 

[mah.s.a]

چاپگر سه‌بعدی و کمک در طراحی جواهر آلات

ساخته چاپگر سه‌بعدی و چاپ از سمعک
معمولاً چاپ سه‌بعدی برای ساخت پیش‌نمونه‌های 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 پیش‌نمونه‌سازی 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

 

[mah.s.a]

هوافضا​

چاپ سه‌بعدی در هوافضا، نوآوری سریع و پروازی با اعتمادبه‌نفس را رقم می‌زند. این فناوری به محققان کمک می‌کند ایده‌های خود را به‌راحتی تصویرسازی کنند و بهتر بتوانند تحقیقات خود دربارهٔ فضای ماوراء 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 ماشین‌کاری 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 سه‌بعدی روشی منحصربه‌فرد در ساخت قطعات موردنیاز در فضا است.

​

 

[mah.s.a]

معماری​

ساخت سریع جزئیات ساختمان، مدل‌ها و ماکت‌های بادوام از طراحی‌های مختلف معماری بهتر از هر روش دیگری با چاپ سه‌بعدی امکان‌پذیر شده است. فناوری چاپ سه‌بعدی به معماران و شرکت‌های معماری کمک می‌کند که به طرز حیرت‌انگیزی ماکتی بادوام و دقیق از مدل‌های طراحی‌شده و آرایه‌های مختلف طرح خود داشته باشند.

خودروسازی​

چاپ سه‌بعدی نمونه طراحی شده قطعات در خودروسازی و بررسی دقیق نمونه، قبل از تولید، از کوچک‌ترین خطایی در تولید جلوگیری می‌کند و به طراحی دقیق‌تر تجهیزات کمک می‌کند. مهندسان می‌توانند، با چاپ سه‌بعدی نمونهٔ قطعات با حجم کم، بررسی‌های لازم را دقیق‌تر انجام دهند و از تولید و اشتباهات مکرر جلوگیری کنند. چاپ سه‌بعدی موانع نوآوری در تولید را می‌شکند و حرکت در راستای تولید مطئن را سرعت می‌بخشد.

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.

تجهیزات نظامی​

تجهیزات نظامی دارای ساختاری پیچیده و قطعاتی ظریف و حساس است، که این امر مدل‌سازی و ماکت‌سازی طرح اولیه را مشکل می‌کند. با استفاده از چاپگرهای سه‌بعدی، می‌توان هر نوع قطعه‌ای با هر ساختاری را چاپ کرد. در طراحی‌های صنعتی به‌عنوان پیش‌ساز قطعات نیز از چاپگرهای سه‌بعدی استفاده می‌شود.

 

[mah.s.a]

تجهیزات پزشکی​

برای تولید تجهیزات پزشکی و طراحی‌های دقیق در این زمینه، و همچنین تولید اندام‌های مصنوعی، نیاز به تولید طراحی قالب‌هایی با ابعاد و متریال بادوام است که چاپگرهای سه‌بعدی پاسخگوی این نیاز در علم پزشکی‌اند.

زیست‌چاپ سه‌بعدی اصطلاحی است که در تعریف کاربرد راهکارهای چاپ سه‌بعدی برای تولید ساختارهای زیستی، نظیر بافت‌ها و اعضای بدن، استفاده می‌شود. زیست‌چاپ عمدتاً بر مبنای فنّاوری‌های موجودِ چاپ، نظیر چاپ جوهرافشان و لیزری، توسعه یافته است؛ با این تفاوت که در آن از جوهر زیستی (تعلیق‌هایی از سلول‌های زنده و محیط کشت سلولی) استفاده می‌شود، و ممکن است در مایکروپیپت‌ها یا ابزاری نظیر آن آماده شده باشد که نقش کارتریج را در چاپگر ایفا می‌کند. اعضا و نسوجِ حاصل از فناوری زیست‌چاپ سه‌بعدی به کمک سلول‌های بنیادی مشخصاً در خدمت پزشکی ترمیمی قرار می‌گیرند. این فناوری قادر است به بیماری که نیاز به پیوند اعضا دارند کمک شایانی کند. فناوری چاپ زیستی سه‌بعدی با چاپ اندام‌های زنده به کمک سلول‌های بنیادی و مواد زیستی می‌تواند این مشکل را حل کند.

هنر​

در سال ۲۰۰۵، مجله‌های دانشگاهی، از احتمال استفاده چاپگرهای سه‌بعدی در رشته‌های هنری خبر دادند، که توسط Martin John Callanan در دانشگاه معماری Bartlett پیگیری می‌شد. به مرور، چاپگرهای سه‌بعدی، با توانایی ارائهٔ کالاهای اختصاصی مانند قاب‌های موبایل دلخواه، عروسک، مجسمه و شکلات‌های سه‌بعدی محبوب‌تر شدند.

 

[mah.s.a]

انواع فناوری‌های به‌کارگرفته‌شده در چاپگر سه‌بعدی​

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 میکرومتر نازک باشد. در چاپگر سه‌بعدی ساخت دانشگاه ام‌آی‌تی (MIT’s 3DP) فرایند لایه‌گذاری توسط دستگاهی شبیه به هدِ یک چاپگر جوهرافشان انجام می‌شود. بدین صورت که صفی از افشانک‌ها پیونده‌ای 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 فزایند چاپ به پایان رسید، حجم ساخته‌شده بالا می‌آید، از پودرهای اضافه پاک می‌شود و بعضاً سطح آن در مرحلهٔ پس‌تولید یک پرداخت نهایی می‌طلبد.

چاپگرهای سه‌بعدی اولیه بیشتر به ساختن پیکرنماهایی 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)