نکات بسیار مهم جهت داشتن ماکت با کیفیت به کمک پرینترهای سه بعدی

غرش موشک اطلس 5 به سوی فضا با قطعات پلاستیکی ای که پرینت سه بعدی شده اند

سیستم های تولید افزونه ای Additive Manufaturing (AM) در حال دگرگونی بسیاری از صنایع در حال فعالیت است.یکی از صنایعی که با استفاده از این سیستم (پرینت سه بعدی) خواهد توانست صرفه جویی بسیار زیادی در هزینه ها داشته باشد صنایع هوافضا می باشد.پرتاب اطلس 5 در 22 مارچ مثال خوبی از قدرت و پتانسیل روش های افزونه ای (پرینت سه بعدی) در تکنولوژی های فضایی است.این موضوع نه فقط به دلیل پرتاب اولین پرینتر سه بعدی تجاری که با این موشک و به همراه محموله فضایی سیگناس Cygnus ارسال شد،بلکه به دلیل تعداد زیادی از قطعات صنعتی داخل موشک که به وسیله تکنولوژی پرینت سه بعدی و در تعداد بالا از ترمو پلاستیک ها ساخته شده است.در ادامه این اتفاق باعث می شود که نگاهی نو به روش های تولید ایجاد شود و بسیاری از روش های تولید کلاسیک و پر هزینه که شامل تولید قطعات فلزی بوده اند با قطعات ترموپلاستیک پرینت سه بعدی جایگزین شوند.

با تکیه بر دانش و مهارت های شرکت استراتاسیسStratasys

که معروف به تکنولوژی های پیشرفته اش در صنایع پرینتر های ترموپلاستیک است پروژه اطلس 5 موفق به تولید قطعات مختلف سیستم های انتقال حرارتی داکت داخل موشک در تعداد بالا گردید.در این پروژه نازل ها ، براکت ها و برخی پنل های پوششی که به کمک دستگاه Fortus 900mc شرکت استراتاسیس ساخته شده اند باعث کاهش وزن پرتاب این موشک گردید.در یکی از موارد قطعه کنترل شرایط دمایی موشک که وظیفه اش کنترل خنک شدن قطعات به وسیله ارسال نیتروژن به قطعات حساس موشک است 57 درصد کاهش هزینه ساخت قطعه در مقایسه با روش تولید قدیمی داشته است.همچنین 16 مجموعه پرینت شده که به صورت کاور دور محموله بار موشک را می پوشاندند باعث جایگزینی 140 قطعه قدیمی شده اند که به صورت سنتی در این موشک مورد استفاده قرار می گرفت.

جهت ایجاد امکان جایگزینی قطعات فلزی با قطعات پرینت سه بعدی پلاستیکی و گذراندن استاندارد های لازم ، متریالی تهیه شده است که مقاومت حرارتی بالایی در بازه دمایی -75 درجه  تا +225 فارنهایت داشته باشد.این متریال به صورت ویژه برای استفاده در صنایع هوافضا ، نظامی و خودرو طراحی شده است و ضمن تحمل رنج حرارتی بالا ،مقاومت شیمیایی بسیار مناسبی هم در برابر عوامل خورنده و آسیب رسان دارد.این متریال مقاومت بالایی از نظر تنش مکانیکی دارد و این خواص عالی و پاس کردن تست های لازم در صنعت هوافضا باعث می شود که با سهولت بیشتری به سایر صنایع نیز راه یابد .

قطعات پلاستیکی ساخته شده به روش پرینت سه بعدی در این صنایع به نسبت قطعات پرینت سه بعدی فلزی نیاز کمتری به عملیات پس از تولید دارند و طی زمان کوتاه تری آماده نصب و استفاده می شوند.همچنین  هزینه متریال پلاستیک نیز بسیار پایین تر می باشد.با این تفاسیر طبق بررسی های انجام شده استفاده از قطعات ترموپلاستیکی در پروژه اطلس باعث کاهش هزینه های شرکت تولید کننده به میزان یک میلیون دلار در سال شده است.

با اینکه موشک اطلس پروژه ای صد ها میلیون دلاری بوده است ، استفاده از قطعات پرینت سه بعدی پلاستیکی در این پروژه باعث آغاز راهی جهت سهولت در امر سفرهای فضایی و عمومی تر کردن سفر به فضا و تغییر آینده خواهد بود.

تهیه و ترجمه در گروه صنعتی آرشین .

منبع

3D Printing

امروزه در دستگاه های پرینتر سه بعدی خانگی، برای تولید قطعات از روش ذوب پلاستیک یا FDM بهره می برند. چاپگرهای سه بعدی صنعتی با امکان پرینت با استفاده از فلزات، رزین های مایع، خمیر سرامیک و حتی مواد خوراکی ساخته شده اند.

کمتر از یک دهه از تولید پرینترهای لیزری و از دور خارج شدن پرینترها سوزنی می گذرد و می توان گفت طی این مدت کیفیت خیره کننده پرینترهای لیزری همه کاربران را راضی نگه داشته است ولی هیچ کس حدس نمی زد که در کمتر از ۱۰ سال پرینترهای به بازار خواهند آمد که قابل مقایسه با پرینترهای لیزری نیستند. از این به بعد هر چیزی که تصورش را می کنید و در رایانه خود طرح سه بعدی آن را ایجاد می کنید، می توانید در عرض چند دقیقه در محیط خارج آن را داشته باشید.

پرینترهای سه‌بعدی به عنوان تولیدکنندگان ذره‌ای یا لایه‌ای نیز شناخته می‌شوند، زیرا اساس کار آن‌ها بدین گونه است که محصول موردنظر ما را به‌صورت لایه به لایه بر روی یکدیگر می‌سازد تا درنهایت به محصول درخواستی برسد، البته بزرگ‌ترین ویژگی این محصول نسبت به روش‌های سنتی دقت بالا و سرعت بیشتر و هدر رفت ماده اولیه خیلی کمتر است.

البته در مورد کاربردهای این‌گونه پرینترها باید عرض شود که آن‌ها هم‌اکنون در بسیاری از صنایع در حال خدمت‌رسانی هستند ولی مقیاس کار آن صنایع بسیار کوچک است، از پرینترهای سه‌بعدی به دلیل کنترل و طرز کار سخت آن‌ها معمولاً برای ساختن نمونه‌های اولیه محصولات مورداستفاده قرار می‌دهند و در خط تولید کارخانه‌ها کمتر مورداستفاده قرار می‌گیرند.

امروزه با فعال شدن شرکت‌های تکنولوژی در این زمینه ما شاهد ساخته‌شدن مدل‌های خانگی این نوع پرینترها هستیم که البته هنوز جای خود را به آن صورتی که باید بین مصرف‌کنندگان خانگی باز نکرده است.

حال شما لحظه‌ای پیش خود فکر کنید که در صورت داشتن چنین محصولاتی قادر به انجام چه‌کارهایی می‌شدید! دیگر شما بجای خریدهای اینترنتی برخی از کالاها می‌توانید محصول موردنظر خود را با تغییرات و اصلاحات دلخواه خود در اتاق شخصیتان تولید کنید و از آن لذت ببرید.

معرفی چاپگرهای سه بعدی:

چاپگرها که چندی است در میان زندگی و تکنولوژی روز های افراد آمده است و کاربرد بسیار زیادی در زندگی افراد دارد یک وسیله برای چاپ اطلاعات و تصویر بر روی کاغذ می باشد که گاهی به صورت رنگی و لیزری و گاهی به صورت سوزنی و قدیمی تر می باشد.

اما پرینتر های ۳D پرینتری بسیار جالب می باشد که با استفاده از نوهی کامپوزیت می توانند تمامی تصویر های مورد نظر شما را به صورت سه بعدی ساخته و تحویل شما دهد.

این پرینتر ها که این روز ها نیز بسیار بازار داغی دارند و قیمت بسیار بالایی نیز دارند همگان را متعجب کرده است. در نمایشگاه CES 2014 امسال نیز چندین نوع از این پرینتر ها به مردم معرفی شد که از مواد مختلف برای کار کردن استفاده کرده و همچنین امکان ساخت و پرینت با سرعت بالاتر و تعداد بیشتر می باشد.

این پرینتر ها در حالات اولیه بیشتر برای ساخت ماکت ها و وسایل مورد نظر افراد استفاده می شود که می توانند با وضوح بالا به کمک کاربران بیایند و طرح های پیشرفته تر از این نوع پرینتر ها می توانند با استفاده از مواد مختلف استفاده شده وسایل را به صورت واقعی تر ساخته و دقیقا مشابه نمونه مورد نظر شوند که این دستگاه ها نیز همچنان در گام های اول طراحی بوده و تنها چند نمونه از آن ها تولید شده است.

دستگاه های پرینت سه بعدی چند سالی است که به صورت تجاری در کشورهای مختلف صنعتی مورد استفاده قرار گرفته اند.در ساخت ماکت ها امروزه برای تهیه قطعات دقیق و پیچیده از روش پرینت سه بعدی استفاده می شود که باعث افزایش سرعت و دقت ساخت قطعات شده است.

برای ساخت قطعات ماکت به روش پرینت سه بعدی نیاز به تهیه فایل سه بعدی از قطعه مورد نظر می باشد.دستگاه این فایل را دریافت و اقدام به ایجاد آن به صورت لایه گذاری مرحله ای میکند.

پرینتر سه بعدی در واقع پرینتری است که علاوه بر ایجاد طرح در طول و عرض میتواند به صورت عمودی نیز پرینت کند.در نظر بگیرید که برای مثال جوهر پرینتر یک صدم ملیمتر قطر دارد و شما میخواهید یک قطعه مکعبی همچون حبه قند را به صورت سه بعدی تهیه کنید.پرینتر شروع به پرینت یک مربع حدودا یک در یک سانتیمتر به ضخامت یک صدم میلیمتر مینماید.

پس از اتمام این مرحله نازل های دستگاه که جوهر را پخش میکنند کمی بالاتر رفته و مجددا یک لایه دیگر روی لایه قبلی ایجاد میکنند.این عمل آنقدر تکرار میشود که شما یک مکعب سه بعدی بدست بیاورید.تنها تفاوت دستگاه های پرینت سه بعدی این است که میتوانند از موادی همچون انواع پلاستیک و رزین ها برای ساخت قطعات استفاده کنند و البته ضخامت لایه های ایجاد شده نیز بیشتر از یک صدم میلیمتر و در واقع چیزی در حدود یک دهم میلیمتر است که ضخامت ایده الی به حساب می آید.

سرعت لایه گذاری ، ضخامت لایه ها و همچنین متریال مورد استفاده در پرینت سه بعدی از عوال مهم در کیفیت و دقت قطعه نهایی بدست آمده است.قطعات تهیه شده در این روش معمولا دارای ظاهر سطحی مناسبی نیستند و جهت ارائه باید کمی پرداخت شوند.

در مورد چگونگی کارکرد این دستگاه‌ها و تفاوت اساسی آن‌ها با دستگاه‌های CNC (دستگاه‌های کنترل عددی) نیز بایستی گفت که پرینترهای سه‌بعدی عمدتاً از روش استفاده از مواد مذاب برای ساختن محصول نهایی استفاده می‌کنند ولی دستگاه‌های CNC عمدتاً از طریق برش یا جدا کردن بخشی از یک محصول کلی برای رسیدن به محصول نهایی استفاده می‌کنند.

البته در مورد کنترل هر دو دستگاه بایستی آموزش‌های لازم را دیده باشید وگرنه این دستگاه‌ها به‌راحتی قابل‌استفاده نیستند. حال‌آنکه پرینترهای سه‌بعدی با توجه به مواد ورودی‌شان نحوه کارکردشان فرق دارد به‌گونه‌ای که این پرینترها با پلاستیک و یا نایلون و یا فلز و یا دیگر مواد قابل سیلان کار می‌کنند که البته همه این‌ها بستگی به نوع درخواست ما از محصول نهایی دارد.

پرینترهای سه‌بعدی بعد از ذوب کردن مواد اولیه به‌صورت لایه به لایه شروع به تزریق مواد اولیه به پلتفرم می‌کنند که این لایه‌ها به یکدیگر محکم می‌شوند و بعد از زمان کوتاهی محصول نهایی ما آماده استفاده می‌شود.

ارزش چاپگرهای سه بعدی:

ارزش واقعی این پرینترها در دو زمینه اقتصاد و نوآوری بررسی می‌شوند، ازنقطه‌نظر اقتصادی این نوع پرینترها باعث باز کردن پنجره‌های جدید اقتصادی بر روی جامعه است و با کمک این نوع پرینترها سرعت و تنوع تولید محصولات و صدالبته کیفیت آن‌ها بیشتر می‌شوند به‌گونه‌ای که باعث ایجاد شدن هزاران فرصت شغلی برای جامعه می‌شود.

حال شما فرض کنید که در منزل خود یک دستگاه دارید که می‌تواند رؤیاها و تفکرات شما رو از دنیای خیال و تصور و مجازی به دنیای واقعی بیاورد و نمود تفکرات خود را به چشم ببینید! که در آن صورت بدون شک نوعی انقلاب در نوآوری و تولید محصول به وجود می‌آید زیرا ازآن‌پس هزینه تبدیل کردن ایده به واقعیت بسیار پایین می‌آید. مثلاً بدون آنکه برای خرید کفش به بازار بروید می‌توانید نقشه سه‌بعدی مناسب با اندازه خود را در اینترنت یافته و آن را با قیمتی پایین‌تر خریداری کنید؛ سپس اقدام به پرینت و استفاده کنید!

کاربرد چاپگرهای سه بعدی:

امروزه مدلسازی سه بعدی در رشته های گوناگونی همچون قطعه سازی، معماری، طراحی صنعتی، روباتیک، صنایع هوافضا و…رایج است. این مدلسازیها تا پیش از این به شکل تصاویر دو بعدی روی صفحه های نمایشگر یا روی کاغذ ارائه می شدند تا افراد با دیدن آنها درکی از آنچه طراحان در ذهنشان دارند بدست آورند.

کاربردهای پرینتر سه بعدی در صنایع مختلف
متاسفانه؛ اکثر تکنولوژی های جدید از صنایع نظامی متولد میشوند. فناوری پرینتر سه بعدی هم از این قائده مستثنی نیست و در ساخت قطعات نظامی ظهور کرده است.

اما پس از مدتی ، کاربردهای این تکنولوژی در صنایع دیگر مطرح شده است. این کاربردها که معمولا در مواردی ست که پیچیدگی قطعه زیاد است و یا به نمونه اولیه جهت مدلسازی نیاز است.

۱- صنایع نظامی :

صنایع نظامی دقیق و دارای قطعات پیچیده اند. معمولا هزینه هم خیلی مهم نیست. این ویژگی ها پرینتر سه بعدی را به یکی از دستگاه های اصلی مجموعه های تحقیقات و تولیدات نظامی تبدیل کرده است.

۲- صنایع فضایی :

ساخت قطعات دقیق در ابعاد کوچک یکی از ملزومات صنایع فضایی ست.
اما کاربرد منحصربه فرد پرینتر سه بعدی در فضاست. جایی که امکان ساخت قطعات با تکنیک های دیگر ساخت و تولید میسر نیست.
افراد مستقر در پایگاه های فضایی برای امور تعمیراتی و آزمایشات خود نیاز به قطعات جدید دارند. امری که با استفاده از پرینتر سه بعدی به راحتی قابل دستیابی ست.
موضوع جالب دیگری در تحقیقات واحد R&D ماشین سازی IRAN3D به دست آمده است. شرکت های بزرگ فضایی دنیا قصد دارند مقر خود در ماه را با استفاده از پرینتر سه بعدی بسازند. این پروژه عظیم توسط تیم تحقیقاتی ناسا در حال انجام ست و یکی از مدیران اصلی پروژه ایرانی هستند.
دانشمندی که باعث افتخار همه ما هستند و همکاری خوبی با تیم “ایران تری دی” داشته اند که جای قدردانی دارد.

۳- طلا و جواهر :

پرینتر سه بعدی در صنعت طلا و جواهر کاربردهای ویژه ای دارد. مدلسازی دقیق و ظریف با قابلیت ریخته گری طلا، از مهمترین بخش های این صنعت است.
دقت و کیفیت سطح ، اهمیت به سزایی در صنعت طلا و جواهر دارد.
در سالهای اخیر، شاهد ورود مدلهای پیچیده و زیبای طلا و جواهر به کشور بوده ایم. هنرمندان و صنعتگران طلا و جواهر کشور، در بسیاری از موارد در رقابت ضعیف شده بودند. اما هم اکنون با استفاده از دستگاه پرینتر سه بعدی ایرانی ، صنعت طلای کشور پیشرفت سریع خود را از سر گرفته است.
مقاله تخصصی درباره کاربردهای پرینتر سه بعدی در صنعت طلا و جواهر در همین سایت موجود است.

۴- معماری :

طراحان سازه ها علاقمندند، ماکت ساختمان موردنظر خود را به صورت واقعی ببینند. این منظور با استفاده از پرینتر سه بعدی امکان پذیر است.
طراحان غرفه های نمایشگاهی، طراحان داخلی و سازندگان مجتمع های مسکونی و تجاری، مزیت ویژه ای با استفاده از پرینتر سه بعدی خواهند داشت.
البته دقت دستگاه های پرینتر سه بعدی iran3d برای این منظور ۰٫۱ میلیمتر است و هزینه و قیمت کمی دارند.

۵- انیمیشن :

طراحان شخصیت های کارتونی علاقمندند، شخصیت های موردنظر خود را مدلسازی کنند. اینکار بارها و بارها انجام میشود تا شخصیت موردنظرشان ساخته شود.
برای طراحان شخصیت های کارتونی دستگاه پرینتر سه بعدی iran3d-fdm/250 توصیه میگردد.

۶- خودرو :

صنایع خودروسازی نیاز به مدل سازی پیچیده دارد. قطعات سه بعدی طراحی شده و باید بارها و بارها نمونه سازی گردد.

۷- پزشکی :

قطعات بدن از جمله استخوان ها برای هر انسان متفاوت است. توسط دستگاه پرینتر سه بعدی ، اسکلت بدن متناسب با هر عضو طراحی شده و مدلسازی میگردد. این کاربرد پرینتر سه بعدی نیاز به دقت بالایی دارد.

۸- کفش :

در صنعت کفش، طراحی اهمیت ویژه ای دارد. طراحان کفش بارها و بارها یک نمونه را تست میکنند تا نهایتا مدل مطلوب را انتخاب و تولید انبوه نمایند.

۹- آموزشی :

دانشگاه ها و مراکز تحقیقاتی نیاز مبرمی به دستگاه های پرینتر سه بعدی دارند.
ماشین سازی iran3d آمادگی کامل جهت همکاری با این سازمان ها دارد.

۱۰- خانگی :

پیش بینی میشود پرینتر سه بعدی مانند پرینترهای دوبعدی جای خود را در همه مشاغل باز کنند.
همه مشاغلی که نیاز به قطعه دارند لازم است ابتدا یک نمونه تستی تولید نمایند و سپس تولید انبوه را آغاز کنند.
آینده نزدیک با کاهش قیمت پرینتر سه بعدی، مصارف خانگی این تکنولوژی آغاز میگردد.
ماشین سازی iran3d بستر لازم برای پیشگامی در این حوزه را داراست و در خط مقدم تکنولوژی پرینتر سه بعدی گام برمیدارد.

طرز کار چاپگرهای سه بعدی:

فرآیند پرینت سه‌بعدی خودکار است و بنابراین هر فرد مبتدی می‌تواند با آن کار کند. با این حال بسیاری از اتفاقات هنگام پرینت رخ می‌دهند که کاربر از آن بی‌اطلاع است. در این قسمت با یک نمای کلی، اجزای مختلف یک پرینتر سه‌بعدی معمول را معرفی می‌کنیم.

۱- نرم‌افزار طراحی CAD فایل خروجی را با فرمت قابل پرینت سه‌بعدی به کاربر می‌دهد. فایل خروجی به صورت یک شبکه خطوط است که یک حجم سه‌بعدی را محصور می‌کند.

۲- نرم‌افزار پرینتر سه‌بعدی فایل سه‌بعدی خروجی را به صدها لایه دیجیتالی تبدیل می‌کند که هر یک از این لایه‌ها بعدا توسط پرینتر به عنوان خروجی پرینت می‌شوند.

۳- هرلایه روی لایه دیگر پرینت می‌شود تا مدل نهایی به دنیای واقعی وارد شود.

پرینتر های سه بعدی

پرینتر های سه بعدی با ملقی شدن چند حق ثبت یا پتنت شرکت های بزرگ همچون 3D Systems در سال های اخیر بسیار ارزان تر شده و بدلیل اینکه سایر تولید کنندگان دستگاه نیازی به پرداخت حق ثبت به تولید کنندگان اولیه ندارند می توانند دستگاه های تولیدی را با هزینه ای بسیار معقول تر در اختیار مصرف کنندگان و واحد های صنعتی قرار دهند.پرینترهای سه‌بعدی به عنوان دستگاه های افزاینده یا لایه ای دسته بندی می شوند ، زیرا اساس کار آن‌ها بدین گونه است که محصول موردنظر را به‌ صورت لایه به لایه بر روی یکدیگر می‌سازد تا درنهایت به محصول مورد نظر ساخته شود.بزرگ‌ترین ویژگی این روش  نسبت به روش‌های دیگر دقت بالا و هدر رفت ماده اولیه خیلی کمتر است. مورد کاربردهای این‌گونه پرینترها باید گفته شود که آن‌ها هم‌اکنون در بسیاری از صنایع در حال خدمت‌رسانی هستند ولی مقیاس کار آن صنایع بسیار کوچک است، از پرینترهای سه‌بعدی به دلیل کنترل و طرز کار سخت آن‌ها معمولاً برای ساختن نمونه‌های اولیه محصولات مورداستفاده قرار می‌دهند و در خط تولید کارخانه‌ها کمتر مورداستفاده قرار می‌گیرند.امروزه با فعال شدن شرکت‌های تکنولوژی در این زمینه ما شاهد ساخته‌شدن مدل‌های خانگی این نوع پرینترها هستیم که البته هنوز جای خود را به آن صورتی که باید بین مصرف‌کنندگان خانگی باز نکرده است.در مورد چگونگی کارکرد این دستگاه‌ها و تفاوت اساسی آن‌ها با دستگاه‌های CNC (دستگاه‌های کنترل عددی) نیز بایستی گفت که پرینترهای سه‌بعدی عمدتاً از روش استفاده از مواد مذاب برای ساختن محصول نهایی استفاده می‌کنند ولی دستگاه‌های CNC عمدتاً از طریق برش یا جدا کردن بخشی از یک محصول کلی برای رسیدن به محصول نهایی استفاده می‌کنند.

البته در مورد کنترل هر دو دستگاه بایستی آموزش‌های لازم را دیده باشید وگرنه این دستگاه‌ها به‌راحتی قابل‌استفاده نیستند. حال‌آنکه پرینترهای سه‌بعدی با توجه به مواد ورودی‌شان نحوه کارکردشان فرق دارد به‌گونه‌ای که این پرینترها با پلاستیک و یا نایلون و یا فلز و یا دیگر مواد قابل سیلان کار می‌کنند که البته همه این‌ها بستگی به نوع درخواست ما از محصول نهایی دارد.

فناوری پرینت سه بعدی

ساخت قطعات به روش افزایشی یا تولید افزاینده (Additive manufacturing) یا به طور خلاصه AM به مجموعه‌ای از قطعات و اشیا گفته می‌شود که توسط تکنولوژی پرینتر های سه بعدی تولید شده باشند. معنی واژه AM در واقع ساخت یک حجم به وسیله افزودن ماده به آن به صورت لایه به لایه می‌باشد. این واژه به وسیله موسسه بین‌المللی ASTM برای استفاده در این تکنولوژی به وجود آمد اما در طول تاریخ، این تکنولوژی با نام‌های بسیاری مانند چاپ چندبعدی، لایه‌بندی سه بعدی و چاپ (پرینت) سه‌بعدی نام برده شد. در میان این نام‌ها چاپ یا پرینت سه‌بعدی به خاطر شباهت بسیار زیادش به نوع فرآیند این فناوری بیشتر مورد استقبال قرار گرفته است.

شما می توانید برخی از اصول اولیه فناوری AM را در غارهای ماقبل تاریخ، جایی که قطرات آب حاوی مواد معدنی بعد از هزاران سال بر روی هم چکیده و طاقدیس ها را به وجود آورده مشاهده کنید با این تفاوت که پرینتر های سه بعدی بر خلاف طاقدیس های هزاران ساله در عرض مدت کوتاهی و با طرح و برنامه قبلی از رایانه، اشیاء مورد نظر ما را به وجود می آورند. در واقع رایانه، به وسیله نرم افزار ویژه به طور دقیق جای هر لایه را مشخص کرده تا نهایتا به طرح مورد نظر ختم شود.

ساخت افزایشی و چاپ سه‌بعدی به طور چشمگیری در حال رشد است. فناوری جدیدی که به عنوان آغازی برای ساخت سریع نمونه‌های اولیه از محصولات پزشکی، دندان‌پزشکی، هوافضا و یا صنایع خودرو به کار می‌رود. چاپگرهای سه‌بعدی همچنین گذری هم بر دنیای اسباب‌بازی، مبلمان، هنر و مد داشته‌اند.

این مقاله قصد دارد به طور گسترده به چاپگرهای سه‌بعدی بپردازد، از تاریخچه و فناوری آن تا گستره وسیع موارد قابل استفاده، از جمله چاپ مدل های سه بعدی در خانه.

تاریخچه چاپگرهای سه‌بعدی

نخستین بار در اواخر دهه ۱۹۸۰ و اوایل دهه ۱۹۹۰ از فناوری تولید افزایشی در ساخت نمونه‌سازی سریع استفاده شد. نمونه‌های اولیه به سازندگان اجازه می‌دهند پیش از تولید عمده و عرضه محصول خود با دقت بیشتری طراحی آن را بررسی و حتی کارایی آن را آزمایش کنند. به لطف این فناوری، ساخت نمونه های اولیه که تا پیش از آن گاهی تا چند ماه هم به طول می کشید به چند روز یا چند ساعت کاهش یافت.
طراحان در نمونه‌سازی سریع با استفاده از نرم‌افزارهای CAD، اصول اولیه را به کامپیوتر تفهیم کرده و سپس دستگاه با دریافت دستورات، آن را اجرا می کند. این فرآیند که بر پایه‌ی ایجاد اشیاء با پرینت و بر پایه طرح لایه به لایه به وجود آمد به عنوان چاپ سه‌بعدی شناخته می‌شود.

برای نخستین بار توسعه رسمی فناوری پرینترهای سه بعدی در موسسه فناوری ماساچوست (MIT) و شرکتی به نام 3D Systems آغاز شد. در دهه ۱۹۹۰, MIT طرحی را با استفاده از نام تجاری پرینت سه‌بعدی توسعه داد که بعدها به طور اختصار به 3DP نیز شناخته شد. در سال ۲۰۱۱ موسسه MIT به شش شرکت پیشگام در این زمینه مجوز استفاده از فرآیند 3DP را در محصولاتشان صادر کرد.

شرکت  3D Systems که در شهر راک هیل واقع شده از ابتدای حضورش در سال ۱۹۸۶ تا به امروز به عنوان یکی از پیشگامان توسعه و استفاده از این فناوری نوپا به شمار می‌رود. این شرکت همچنین محصولاتی هم مانند SLA و SLS با نام تجاری خود به ثبت رسانده است. هرچند که دانشگاه MIT و شرکت 3D Systems همچنان به عنوان پیشگامان این زمینه باقی مانده اند اما شرکت های دیگری نیز مانند Objet Geometries و Stratasys و Z در این زمینه به پیشرفت های چشمگیری دست یافته اند.

با بهبود هرچه سریعتر این فناوری از افزایش جزییات قابل چاپ توسط دستگاه تا افزایش سرعت پاک‌سازی قطعات پرینت شده و خروجی نهایی، امروز برخی از شرکت ها در کشور های پیشرفته از فناوری چاپ سه بعدی برای تولید محصولات نهایی خود استفاده می کنند. با سریعتر شدن فرآیندها، کاهش هزینه مواد و تجهیزات و افزایش گستره مواد قابل بکارگیری مانند فلزات و سرامیک، پرینترهای سه‌بعدی از اندازه یک ماشین سواری در حال تقلیل به یک ماکروویو کوچک هستند.

با این حال چاپگرهای سه‌بعدی و کلیه سیستم‌هایی که بر پاییه فناوری AM کار می کنند هنوز بازیگری نوپا در عرصه تولید محسوب می شود. به همین خاطر هنوز هم گاهی با فناوری های مشابه مانند سی‌ان‌سی (CNC) اشتباه گرفته شده یا مقایسه می شود. در صورتی که سی‌ان‌سی فرایند حذف لایه به لایه از شی مورد نظر برای رسیدن به محصول نهایی است درست مانند کنده کاری بر روی سنگ.

چاپ سه‌بعدی مستقیم و چسبی

یکی از مدل‌های پرینت سه بعدی مدل موسوم به مستقیم است. در این روش پرینتر از فناوری چاپگرهای جوهرافشان که در دهه ۱۹۶۰ برای چاپ دو بعدی بر روی کاغذ به وجود آمد استفاده کرده و درست مانند یک چاپگر دو بعدی، نازل برای توزیع مایع به حرکت عقب و جلو در خواهد آمد اما بر خلاف پرینترهای دو بعدی حرکات بالا و پایین نیز برای قراردادن چند لایه از ماده بر روی هم استفاده می شود. افزون بر این پرینترهای سه‌بعدی جوهر نیز نیاز نداشته و از موم و پلیمر برای تولید جسم سه بعدی بهره می برد.

نمونه‌های سریع که پیشتر نیز در مورد آن گفته شده بود، در واقع به عنوان عامل اصلی رشد چاپگرهای سه بعدی به روش مستقیم شناخته می شود. در سال ۱۹۹۴ شرکت ModelMaker با همکاری شرکت به نام Solidscape برای نخستین بار موفق به تجاری‌سازی پرینترهای جوهرافشان در زمینه نمونه‌سازی سریع شد. طولی نکشید که بسیاری از شرکت های مشابه در زمینه نمونه‌سازی دنباله روی آن‌ها شدند و رو به نمونه‌های مومی آوردند. برای نمونه امروزه نمونه‌های سریع و پیشرفته به وسیله فناوری‌هایی مانند  multi-jet modeling به اختصار MJM ساخته شده که ده ها تن از نمونه های مومی را به سرعت به وسیله نازل های چند گانه روی هم پیاده سازی می کند.

چاپگرهای سه‌بعدی چسبی درست مانند پرینترهای مستقیم با استفاده از نازل‌های جوهرافشان کار کرده و ماده را برای فرم‌گیری نهایی لایه به لایه روی هم سوار می‌کنند. اما چیزی که شبیه پرینترهای مدل مستقیم نیست به‌کارگیری مدل چسبی از دولایه متفاوت با هم برای ساخت هر لایه است چیزی مانند یک چسب خشک کننده قوی. پرینترهای سه بعدی چسبی در واقع دو مرحله را برای ساخت هر لایه طی می‌کنند مرحله نخست، جای‌گذاری لایه نازکی از پودر حاوی ماده مورد نظر و مرحله دوم استفاده از نازل برای اعمال چسب بر روی آن است. این مراحل دوگانه آنقدر ادامه پیدا می کند تا ساخت مدل به پایان برسد.

پروژه چاپگر سه‌بعدی MIT از این دسته پرینتر بود که MIT مجوز استفاده از این فناوری را برای شرکت‌ها منوط به استفاده نوعی خاصی از مواد و چسب، عمومی کرد. استفاده کمتر از نازل برای پیاده‌سازی مواد و تنوع بیشتر در استفاده از مواد خروجی مانند فلزات، سرامیک یا حتی رنگ به عنوان برتری‌های مدل چسبی نسبت به مدل مستقیم شناخته می‌شوند.

مدل شکل‌دهی گرمایی

این مدل نیز از کلیات کاری مدل‌های دیگر بهره می‌برد و از نازل های بسیار نازک و نزدیک به هم آن پلاستیک مذاب خارج می‌شود. این مدل می‌تواند اشیاء بسیار زیر و دقیق در اندازه های چند میلیمتری تولید کند.

پلیمرسازی نوری و تثبیتی

در این روش چاپگر سه‌بعدی قطراتی از پلاستیک مایع را در معرض پرتو فرابنفش قرار می‌دهد. در طی این فرآیند مایع به واسطه نور به جامد تبدیل می‌شود. در طول این مدت در واقع واکنشی شیمایی به‌وسیله نور در پلیمر باعث ایجاد پلاستیک سرد می‌شود. در سال ۲۰۰۰ موسسه Piedmont Triad برای تحقیقات پیشرفته با مشارکت مدارس و مشاغل، آموزش مهارت‌های فلزکاری دستی را در کالیفرنای شمالی آغاز کرد. در برخی از این گروه‌های آموزشی یک دستگاه پلیمر ساز SLA از شرکت 3D Systems قرار داده شده بود. این دستگاه پرتو مستقیم از لیزر را به سمت نوع خاصی از پلاستیک مایع موسوم به فوتو پلیمر می‌فرستد. درست مانند پرینتر‌های سه‌بعدی دیگر SLA نیز با تکرار فرآیند کاری خود تا پایان پرینت ادامه خواهد داد.

مدل پخت یکی دیگر از روش‌های فناوری محصولات افزودنی است که با ترکیب و داغ کردن تکه‌ها با یکدیگر تا پرینت کامل سطح جسم ادامه می یابد و  Selective laser sintering یا SLS نام دارد. این فناوری با استفاده از پرتو لیزر برای ذوب پودر پلاستیکی استفاده می‌کند. این درست شبیه سازوکاری است که در چاپگرهای دوبعدی برای داغ کردن تونر پودر و نفوذ دادن آن در کاغذ از آن استفاده می‌شود.

مدل پخت به خاطر اینکه غالبا فلزات نیاز به ذوب و تغییر شکل دارند بیشتر برای ایجاد اشیاء فلزی استفاده می‌شود.