چاپ سه بعدی چیست و چگونه کار می کند؟

یکی از مهمترین ایده های انقلابی که در تولید قرن بیست و یکم تاثیر گذاشته است مفهوم چاپ سه بعدی است. فناوری چاپ سه بعدی که به عنوان تولید افزودنی نیز شناخته می شود، امکان تولید قطعات، سازه ها و محصولات را با استفاده از تکنیک ایجاد لایه به لایه فراهم می کند که مستقیماً از مجموعه دستورالعمل های طراحی با فناوری رایانه کنترل می شود. این رویکرد مزایای متعددی را نسبت به فن‌آوری‌های تولید سنتی‌تر فراهم می‌کند که بر استفاده از ابزارهای برش برای حذف مواد به منظور ساخت طرحی با ابعاد و ویژگی‌های دلخواه همانطور که توسط یک مدل CAD مشخص شده است، متکی هستند.

بازار خدمات پرینت سه بعدی از زمان پیدایش آن در اوایل دهه 1980 رشد قابل توجهی داشته است. بر اساس داده های منتشر شده، اندازه بازار جهانی محصولات و خدمات پرینت سه بعدی 12.6 میلیارد دلار در سال 2020 بود و پیش بینی می شود تا سال 2026 به 37.2 میلیارد دلار برسد.

در این پست، ما یک نمای کلی از پرینت سه بعدی ارائه می دهیم و به چیستی، نحوه کارکرد آن، انواع مختلف فناوری های چاپ سه بعدی که استفاده می شود، خواهیم پرداخت.

چاپ سه بعدی چیست؟

پرینت سه بعدی اصطلاحی است که برای اشاره به طیف وسیعی از فناوری‌های خاص استفاده می‌شود که می‌توانند با افزودن مواد یک لایه در یک زمان، طرحی را ایجاد کنند تا محصول نهایی تولید شود. اصطلاح پرینت سه بعدی احتمالاً از یکی از اولین فناوری‌هایی که در این زمینه معرفی شد، به نام Fused Deposition Modeling، که به اختصار FDM نامیده می‌شود، تکامل یافته است. این نام از آنجایی که تکنیک FDM بسیار شبیه به یک چاپگر جوهرافشان دوبعدی است که جوهر را روی کاغذ در لایه‌های یک ردیف در یک زمان اسپری می‌کند، استفاده می‌شود. همچنین مهم است به رسمیت شناختن این که اولین فن آوری های چاپ سه بعدی بیشتر به سمت استفاده در بازار مصرف به عنوان داشتن ارزش تجاری به عنوان فن آوری تولید صنعتی فکر مخالف بشود شد.

اصطلاح تولید افزودنی اصطلاح گسترده‌تری است که عموماً فراگیرتر است و بیشتر با کاربردهای صنعتی فناوری مانند نمونه‌سازی اولیه یا تولید انبوه محصولات در مقیاس بزرگ در ارتباط است، در مقابل استفاده بیشتر مصرف‌کننده یا سرگرم‌گرا. در حالی که فناوری های اساسی ممکن است یکسان باشند، اندازه، توان عملیاتی، سرعت، وضوح چاپ و هزینه ماشین آلات زمانی که یک برنامه صنعتی یا تجاری در نظر گرفته می شود، به وضوح متفاوت خواهد بود.

ساخت افزودنی در مقابل ساخت سنتی (تفریقی).

تفاوت اصلی که چاپ سه بعدی را از فناوری تولید سنتی متمایز می کند، استفاده از فرآیند "افزودنی" در مقابل فرآیند "کاهشی" است.

تکنیک‌های سنتی تولید که برای ساخت قطعات استفاده می‌شود، عموماً بر این ایده استوار است که مواد اولیه با استفاده از ابزارهای برش به شکل دلخواه با ویژگی‌های مورد نیاز ماشین‌کاری می‌شوند. بنابراین، ماده خام از نظر ابعادی بزرگتر از ابعاد انتهایی مورد نظر قطعه است و با فرآیند برش تا رسیدن به ابعاد نهایی "کاهش" می یابد. از این رو اصطلاح "کاهشی" برای این فرآیندها به کار می رود، خواه این فرآیندها شامل آسیاب، تراشکاری، مسیریابی، حفاری یا سایر تکنیک های ماشینکاری باشد. مواد با این فرآیند حذف می شوند تا اندازه و ویژگی های مناسب برای قطعه ایجاد شود.

در مقابل، پرینت سه بعدی ماهیت «افزودنی» دارد. هیچ ماده خامی استفاده نمی شود که از آن مواد بریده شود - در عوض، مواد خام توسط چاپگر تغذیه می شود تا در هر زمان برای ساخت قطعه یک لایه اضافه شود. یک نمایش سه بعدی از قطعه یا محصول مورد نظر که از مدل CAD گرفته شده است به یک سری از لایه های عمودی نازک "برش داده می شود" که به طور متوالی یکی روی لایه بعدی چاپ می شود و هر لایه به لایه های بالا یا پایین می پیوندد. آن را با هم ترکیب کرده و محصول نهایی را تشکیل دهند. بسته به فناوری چاپ استفاده شده و ماده ای که قطعه از آن ساخته می شود، تفاوت هایی در مشخصات وجود دارد، اما به طور کلی، این توصیف درک اصلی را از تمایز اصلی بین فرآیند افزایشی چاپ سه بعدی در مقابل فرآیند تفریقی ارائه می دهد.

مزایای پرینت سه بعدی

با تضاد فرآیند افزودنی با فرآیند کاهشی سنتی، فوراً چندین مزیت چاپ سه بعدی نسبت به روش‌های تولید سنتی آشکار می‌شود.

استفاده کارآمد از مواد

از آنجایی که در فرآیند چاپ سه بعدی از ابزارهای برش برای حذف مواد اضافی به روشی که فرآیندهای کسر می کنند استفاده نمی شود، استفاده بهینه از مواد و تولید زباله کمتری وجود دارد. تخمین ها حاکی از آن است که حدود 98 درصد از مواد مورد استفاده در پرینت سه بعدی در قسمت های ساخته شده به پایان می رسد. در مقابل، یافته‌ای از آزمایشگاه ملی اوک ریج نشان داد که به ازای هر 1 پوند ماده مفید در برخی قسمت‌ها، 30 پوند ماده به عنوان ضایعات باقی می‌ماند.

نیاز به روغنکاری و مایعات خنک کننده را از بین می برد

فرآیندهای کاهشی مانند فرز، مسیریابی و چرخش شامل استفاده از قطعات برش برای حذف مواد اضافی، شکل دادن به قطعات به ابعاد مناسب و اضافه کردن ویژگی‌هایی مانند کلیدها، شکاف‌ها و سوراخ‌ها است. این ابزارهای برش مورد استفاده اغلب با سرعت بالا کار می کنند، در معرض نیروهای اصطکاک هستند، بنابراین نیاز به روانکاری و مایع خنک کننده برای کاهش سایش ابزار بر روی قطعه کار و ابزارها دارند. تکنیک های مورد استفاده در تولید افزودنی این نیاز را تا حد زیادی برطرف می کند.

قابلیت حمل و انعطاف پذیری بیشتر

ماشین آلات سنتی مورد استفاده در عملیات تولید کاهشی ردپای زیادی دارند و برای قابل حمل بودن طراحی نشده اند. از این رو عملیات تولید باید متمرکز باشد و قطعات باید به جایی که نیاز است ارسال شوند و تأخیرها و هزینه ها اضافه شود. بسیاری از پرینترهای سه بعدی کوچکتر هستند و می‌توان آنها را به راحتی در مکان‌های دور نصب کرد و امکان ساخت قطعات را در مکان‌های مورد نیاز - مانند ساخت قطعات جایگزین در هر جایی که محصول نهایی یا سیستم مستقر می‌شود، می‌سازد.

کاهش هزینه ها

بسیاری از فرآیندهای تولید سنتی مانند ریخته‌گری، مهر زنی یا قالب‌گیری نیاز به سرمایه‌گذاری اولیه در ابزارهایی مانند قالب یا ایجاد قالب دارند، هر زمان که قطعه جدیدی برای تولید تولید می‌شود. علاوه بر این، این هزینه‌های اولیه می‌توانند در صورت نیاز به تغییر طراحی پس از تولید قالب یا قالب اولیه تکرار شوند. در مورد هزینه های اولیه نیز، هزینه خرید ماشین آلات CNC با کارایی بالا که در تولید سنتی استفاده می شود می تواند قابل توجه باشد.

تولید افزودنی، که یک فرآیند ساخت مستقیم است، می تواند محصولاتی را بدون نیاز به طراحی و تولید قالب یا قالب مهر زنی، تولید کند، بنابراین در هزینه های مربوط به مراحل اولیه ابزارسازی که در ساخت سنتی یافت می شود، صرفه جویی می کند. و هزینه تهیه یک چاپگر سه بعدی بسیار کمتر از هزینه های معادلی است که برای خرید ماشین آلات سنتی مانند آسیاب، ماشین تراش و روتر متحمل می شود.

پرینت سه بعدی چگونه کار می کند؟

فرآیند پرینت سه بعدی یک قطعه یا محصول با نمایش طرح گرافیکی شیئی که قرار است چاپ شود، معمولاً به شکل یک مدل سه بعدی CAD آغاز می شود. قبل از اینکه چاپگر سه بعدی بتواند چاپ قطعه را آغاز کند، مدل گرافیکی باید از طریق نرم افزار تخصصی معروف به نرم افزار اسلایسر پردازش شود. همانطور که از نام آن پیداست، این نرم افزار از مدل سه بعدی استفاده می کند و با ایجاد لایه های عمودی نازک یا برش هایی از طرح، مجموعه ای از دستورالعمل ها را برای چاپگر ایجاد می کند. بسته به پیچیدگی شی مورد چاپ و وضوح چاپگر، تعداد زیادی از این لایه ها توسط نرم افزار اسلایسر تولید می شود. سپس مجموعه دستورالعمل ایجاد هر لایه طرح به صورت متوالی به چاپگر ارسال می شود و چاپگر از دستورالعمل ها برای چاپ هر لایه طرح قبل از رفتن به لایه بعدی استفاده می کند. به تدریج، قطعه یا محصول در بالای یک بستر ساخته می شود، زیرا سر چاپ یا جت ها برای قرار دادن مواد در صورت نیاز جهت مطابقت با ویژگی ها و ابعاد طراحی هدایت می شوند. بستری که جسم را نگه می دارد، پس از افزودن هر لایه، موقعیت عمودی آن به مقدار کمی تغییر می کند و چاپگر را برای افزودن لایه بعدی آماده می کند. این روند تا زمانی که تمام لایه ها چاپ شوند ادامه می یابد.

یکی دیگر از عملکردهای کلیدی نرم افزار اسلایسر، افزودن دستورالعمل ها برای ایجاد هر گونه عناصر ساختار پشتیبانی مورد نیاز به مجموعه دستورالعمل است.  این عناصر بخشی از طرح اصلی نیستند، اما هنگام چاپ شی ضروری هستند تا اطمینان حاصل شود که ویژگی های طراحی نهایی در صورت نیاز ظاهر می شوند. از آنجایی که چاپ سه بعدی نیاز به افزودن موادی دارد که اغلب دارای قوام مایع غلیظ یا موم ذوب شده است، تا زمانی که ماده خنک نشده و تبدیل به جامد نشود، این قطعه پایداری ساختاری کامل پیدا نمی‌کند. به عنوان مثال، چاپ بخشی که حاوی دهانه است ممکن است مستلزم اضافه شدن یک ستون پشتیبانی موقت باشد، زیرا نمی‌توانید مواد سیال را بدون افتادگی یا افتادگی در یک شکاف هوا پخش کنید. پس از خنک شدن، ساختارهای نگهدارنده را می توان از قسمت چاپ شده به عنوان بخشی از عملیات تکمیل ثانویه جدا کرد.

از آنجایی که تعدادی فناوری چاپ سه بعدی مختلف وجود دارد، مشخصات فرآیند چاپ بسته به فناوری استفاده شده توسط چاپگر خاص متفاوت خواهد بود. اما به طور کلی، توضیحات ارائه شده در بالا یک ایده کلی از نحوه کار پرینت سه بعدی و چگونگی ایجاد قطعاتی از یک طرح گرافیکی اولیه توسط چاپگر سه بعدی ارائه می دهد.

انواع مختلف فن آوری های چاپ سه بعدی

از زمان پیدایش آن در دهه 1980، زمینه چاپ سه بعدی گسترش یافته و به طور قابل توجهی رشد کرده است. در حالی که مدل سازی رسوب ذوب شده یا FDM یکی از اولین روش های توسعه یافته بود، به زودی سایر فناوری های جدیدتر توسعه یافته و به بازار معرفی شدند. در سال 2012، ASTM International، که مقر آن در West Conshohocken، PA است، اصطلاحات استانداردی را ایجاد کرد که با آن می توان فناوری های مختلف چاپ سه بعدی را مشخص کرد. آنها هفت دسته کلی مرتبط با رشته تولید افزودنی ایجاد کردند که عبارتند از:

• اکستروژن مواد
• فتوپلیمریزاسیون VAT
• بایندر جتینگ
• فیوژن بستر پودری
• رسوب مستقیم انرژی
• جت کردن مواد
• لمینیت ورق

در پست دیگری درباره انواع فناوری های چاپ سه بعدی بیش تر توضیح خواهیم داد.