پرینتر سه‌بعدی

پرینترهای سه بعدی، فناوری جدیدی هستند که فایل‌های دیجیتالی را به اشیاء فیزیکی تبدیل می‌کنند. پرینت سه‌بعدی فرایندی بسیار متنوع و سریع است که استفاده از آن، موجب کاهش مصرف انرژی و مواد مصرفی می‌گردد. این فناوری پتانسیل ایجاد تغییرات اساسی در حوزه صنعت و تولید را دارد و در زمینه‌های مختلفی همچون چاپ قطعات صنعتی، دکوراتیو، مبلمان و پزشکی کاربرد دارد. کاهش هزینه‌های سخت‌افزاری، پرینترهای سه بعدی را به فناوری ارزان‌قیمتی تبدیل کرده است که در دنیای در حال توسعه امروز، جایگزین مناسبی برای روش‌های سنتی تولید می‌باشند.

این مقاله شامل سرفصل‌های زیر می‌باشد.

فرایندهای مربوط به تولید یک شی به دو گروه ساخت افزایشی (Additive manufacturing) و ساخت کاهشی (Subtractive manufacturing) تقسیم می‌شوند. در دسته اول، فرآیند ایجاد یک شی، با قراردادن لایه‌ها بر روی یکدیگر انجام می‌گیرد. اما در گروه ساخت کاهشی، محصول نهایی با برش قطعه‌های مختلف از یک جسم، شکل می‌گیرد. فرایند ساخت افزایشی، یک فناوری جدید بسیار امیدوارکننده در حوزه تولید است که نمونه سازی سریع نیز نامیده می شود. این روش ساخت یک فناوری نوظهور است که برای اولین بار در دهه 1980 مورد استفاده قرار گرفت[1]. ساخت افزایشی به یک ابزار مفید برای محققان، تولیدکنندگان، طراحان، مهندسان و دانشمندان تبدیل شده است. پرینت سه‌بعدی براساس ساخت افزایشی عمل می‌کند، که جسم سه بعدی را با قرارگیری لایه‌های مختلف بر روی یکدیگر شکل می‌دهد. تفاوت بین ساخت سنتی و سه بعدی این است که پرینتر سه بعدی شامل رویکرد افزودنی است اما بیشتر فرآیندهای تولید سنتی شامل رویکردکاهشی مانند ترکیبی از سنگ زنی، خم شدن، آهنگری، قالب‌گیری، برش، چسباندن، جوشکاری و مونتاژ هستند[2].
چاپ سه بعدی فرآیندی است که در آن یک مدل دیجیتال به یک جسم ملموس، جامد و سه بعدی تبدیل می‌شود. تقریباً هر چیزی که قابل تصور است را، می توان به طرحی تبدیل کرد که با پرینت سه بعدی چاپ شود. پرینترهای سه بعدی به طراحان، مهندسان و حتی افراد عادی کمک می‌کنند تا اشیاء پیچیده‌ای که روش‌های تولید قبلی قادر به انجام آن نبودند را بسازند[3]. امروز موادی مانند ترموپلاستیک های معمولی، سرامیک ها، مواد بر پایه گرافن و فلزات  قابلیت استفاده در پرینترهای سه‌بعدی را دارند[4]. رشد تولید با استفاده از پرینت سه‌بعدی، موجب کاهش زمان، هزینه ساخت، میزان ضایعات  و وزن جسم  می‌گردد. شکل1 نمودار هزینه و زمان مورد نیاز تولید با روش سنتی و پرینت سه‌بعدی را با یکدیگر مقایسه کرده است. کاهش شدید قیمت و زمان مورد نیاز با استفاده از پرینتر سه‌بعدی کاملا مشهود است[2].

استفاده از فناوری چاپ سه بعدی در تولید علاوه بر مزایایی که دارد، دارای معایبی نیز می‌باشد که در ادامه به برخی از آن‌ها اشاره خواهد شد[4]:
– استفاده از فناوری چاپ سه بعدی باعث کاهش استفاده از نیروی کار تولیدی می‌شود و به طور خودکار بر اقتصاد برخی از کشورها اثر می‌گذارد.

– با استفاده از فناوری چاپ سه بعدی، کاربران می توانند اشیاء خطرناک مانند انواع سلاح را چاپ کنند.

– در چاپ سه‌بعدی  امکان تولید محصولات تقلبی راحت‌تر است.
بنابراین استفاده از این فناوری باید به شکل کنترل شده مورد استفاده قرار بگیرد.

پرینت سه‌بعدی از اواخر دهه 1980 موجب تغییر در صنایع تولید شد. در سال 1984، چارلز اولین چاپگر سه بعدی رباتیک را توسعه داد. اگرچه پرینت سه‌بعدی از سال 1980 مورد استفاده قرار گرفته است، اما در سال 2009 به صورت رومیزی تولید و در دسترس عموم قرار گرفت. اسکات و لیزا کرامپ در سال 1989 پرینتر سه‌بعدی بر مبنای FDM را ثبت کردند[2]. پیشرفت فناوری پرینتر سه‌بعدی خیلی سریع اتفاق افتاد. تولید پمپ قلب مصنوعی، جواهرات، موتور موشک و پل فولادی در آمستردام  چند نمونه از تولیدات با استفاده از پرینت سه‌بعدی است[4].

برای تولید یک جسم سه‌بعدی، در ابتدا باید طرح مجازی جسم با استفاده از نرم‌افزارهای گرافیکی مخصوص مانند اتوکد ترسیم شود. نرم‌افزار مورد استفاده باید قادر باشد نقشه‌های دقیق و تصاویرفنی ایجاد کند. طراحی اولیه می‌تواند با استفاده از یک اسکنر سه‌بعدی ساخته شود. در این روش با گرفتن عکس از جسم مدنظر در زوایای مختلف، می‌توان یک کپی از شی موجود ایجاد کرد. پس از طراحی مدل مجازی، باید مدل را با استفاده از فرآیندی به نام برش یا slices ، به چندین لایه تجزیه کرد تا برای چاپ آماده شود. پس از آماده‌سازی طرح، پرینتر قادر خواهد بود به شکل لایه به لایه طرح مورد نظر را چاپ کند[3]. پرینترهای سه‌بعدی براساس تکنولوژی‌های مختلفی عمل می‌کنند، که در ادامه شرح داده خواهد شد.

براساس استاندارد ISO/ASTM 52900 فناوری‌های پرینتر سه‌بعدی در هفت گروه تقسیم‌بندی می‌شود. نمی‌توان گفت کدام روش از بقیه برتر است، چون هر کدام، کاربرد خاص خود را دارند[4].

در این روش مواد به صورت فیلمان‌های نازک درست شده و معمولا از پلیمر به عنوان ماده اصلی استفاده می‌شود. فیلمان به داخل نازل هول داده شده و چون نازل گرم شده، مواد نیمه مایع را به صورت انتخابی و به شکل پیوسته به بیرون نشر می‌دهد. نازل اکستروژن می‌تواند در هر دو جهت افقی و عمودی حرکت کند و طرح دلخواه را به صورت لایه لایه ایجاد کند. در صورت نیاز پرینتر یک ساختار پشتیبان را به عنوان داربست در اطراف شی مورد نظر چاپ می‌کند[4, 6]. شکل2 یک نمونه پرینتر material extrusion را نمایش می‌دهد.

در صورت نیاز پرینتر یک ساختار پشتیبان را به عنوان داربست در اطراف شی مورد نظر چاپ می‌کند. شکل3 یک نمونه جسم چاپ شده با پرینتر سه‌بعدی قبل و بعد از داشتن داربست نمایش می‌دهد.

در فرایند binding jetting از دو نوع ماده شامل ماده پایه و یک چسب استفاده می‌شود. در این روش، معمولا ماده بیس به شکل پودر و چسب به شکل مایع است. ابتدا ماده پودری با استفاده از یک غلتک بر روی بستر چاپ پخش می‌شود. چسب مایع از نازل دستگاه خارج شده و با توجه به طرح مجازی و با حرکت در راستاهای مختلف، بر روی پودر ریخته می‌شود. در نواحی که چسب ریخته شده، پودرها به یکدیگر متصل شده و لایه اول شکل می‌گیرد. لایه پودر بعدی  بر روی لایه قبلی ریخته شده و این فرایند به صورت لایه لایه تا تشکیل شی نهایی تکرار می‌شود. از انواع پودر پلیمری، فلزی، پلاستیکی، سرامیکی و شن می‌توان به عنوان ماده پایه استفاده کرد[4, 7]. شکل4 طرح شماتیک پرینتر binding jetting را نمایش می‌دهد.

این روش سریع و ارزان قیمت است و قابلیت چاب در ابعاد بزرگ را دارد. پودر غیرمتصل در اطراف جسم باقی می‌ماند و بعد از اتمام تشکیل لایه‌ها، شی مورد نظر از میان پودرها خارج می‌شود. با توجه مواد مورد استفاده، ممکن است شی چاپ شده  به فرایند پردازش نهایی هم نیاز  داشته باشد[4, 7]. شکل5 یک نمونه جسم نهایی ساخته شده با پرینتر  binding jetting را نمایش می‌دهد.

این روش، فرآیند چاپ پیچیده‌تری است که معمولاً برای تعمیر یا اضافه کردن موارد اضافی به ترکیبات موجود استفاده می‌شود. روش directed energy deposition دارای درجه کنترل بالایی از ساختار دانه است و می‌تواند جسمی با کیفیت خوب ایجاد کند. این روش مشابه با روش اکستروژن مواد است، با این تفاوت که نازل در یک محور خاص ثابت نیست و می‌تواند در جهات مختلف حرکت کند. در این تکنولوژی می‌توان از سرامیک‌ها و پلیمرها استفاده کرد، اما معمولاً با فلزات و هیبریدهای مبتنی بر فلز و به شکل سیم یا پودر استفاده می‌شود. مواد موردنظر با استفاده از حرارت نور لیزر یا پرتو الکترونی، ذوب شده و مواد به صورت لایه لایه اضافه می‌شود. دو روشlaser deposition  و laser engineered net shaping براساس این فرایند عمل می‌کنند.

در میان فناوری‌های مختلف پرینت سه بعدی، با روش material jetting، تولید قطعات و نمونه‌های اولیه با رنگ و بافت واقعی و جزییات بالا ممکن است. برخلاف سایر فناوری‌های پرینت سه بعدی، نسخه‌ی عمومی از این نوع پرینتر وجود ندارد و معمولا  افراد متخصص و حرفه‌ای‌ قابل دسترسی است. به عنوان مثال خودروسازان، شرکت‌های طراحی صنعتی، استودیوهای هنری، بیمارستان‌ها و انواع تولیدکنندگان محصولات که به دنبال ایجاد نمونه‌های اولیه دقیق برای آزمایش مفاهیم و ارائه سریع‌تر محصولات به بازار هستند، از این نوع پرینتر استفاده می‌کنند.
در این روش قطرات ماده حساس به نور (مواد رزینی) از طریق نازل‌های کوچک، به بستر پاشیده شده و تابش نور فرابنفش موجب خشک شدن سریع ماده می‌شود. این کار لایه لایه تا تشکیل جسم سه‌بعدی تکرار می‌شود. شکل 7 شماتیک پرینتر سه‌بعدی material jetting را نمایش می‌دهد. همانطور که در تصویر مشخص است، دو مخرن ماده یکی مربوط به ماده اصلی و دیگری برای تشکیل ساپورت وجود دارد.

شکل8 چند نمونه قطعه سه‌بعدی چاپ شده با روش material jetting  را نمایش می‌دهد. هیچکدام از این نمونه‌ها رنگ‌آمیزی نشده‌اند. با توجه به اینکه با استفاده از این فناوری، می‌توان تا حدی زیادی به ظاهر و بافت موادی مانند شیشه، چوب، چرم، پارچه، دستگیره لاستیکی دست یافت. به همین دلیل، این فناوری برای ساخت نمونه‌های اولیه محصولات ایده آل است. سایر روش‌های پرینت سه بعدی به سادگی نمی‌توانند با سرعت تولید و دقت جزئیاتی که چاپگرهای material jetting  ارائه می‌دهند، رقابت کنند[4, 9].

فرایند powder bed fusionشامل تکنیک‌های electron beam melting (EBM) ،  selective laser (SLS) sintering  وselective heat sintering (SHS)  می‌باشد. در این روش پرتو لیزر یا پرتو الکترونی به پودر فلز، برخورد کرده و ذرات ذوب شده و به یکدیگر متصل می‌شوند. مراحل پرینت سه‌بعدی با روش powder bed fusion ، شامل چند مرحله است:
1- یک لایه، به ضخامت حدود 1/0 میلی‌متر از ماده اصلی بر روی بستر پاشیده می‌شود.
2- لیزر با توجه به طرح مدنظر به لایه اول برخورد کرده و فیوژن اتفاق می‌افتد.
3- یک لایه جدید پودر بر لایه قبلی ریخته می‌شود.
4- پودرها در مقاطع مختلف ذوب شده و لایه‌ها اضافه می‌شود.
5- فرایند تا شکل‌گیری کامل جسم مدنظر تکرار می‌گردد.
در این روش، کل پودر ذوب نمی‌شود و در اطراف جسم باقی می‌ماند. پس از اتمام فرایند شی تشکیل شده از درون پودرها خارج می‌شود[4, 10, 11]. شکل 9 طرح شماتیک پرینتر powder bed fusion را نمایش می‌دهد.

در تکنیک sheet lamination، سطوح مختلف فلزی، پلاستیکی و کاغذی، لایه به لایه  ذوب یا لمینت شده، بر روی یکدیگر قرار گرفته و با استفاده از برش لیزری، شی مورد نظر شکل می‌گیرد. با این روش می‌توان چاپ‌های تمام رنگی انجام داد و نسبتا ارزان قیمت است. موادی که در قطعه استفاده نمی‌شوند به راحتی قابل استفاده مجدد نیستند و معمولاً دور ریخته می‌شوند.  همانطور که در تصویر مشخص است، ورقه ماده اصلی توسط یک غلتک، بر روی بستر قرار داده می‌شود. غلتک گرم از روی لایه عبور کرده و موجب ذوب‌شدن چسب و ایجاد چسبندگی و پرس شده لایه بر روی سطح می‌گردد. طرح مورد نظر با استفاده از لیزر بر روی سطح برش داده شده و در نهایت ماده اضافی توسط غلتک دیگری، جمع‌آوری می‌شود. تکنیک sheet lamination  شامل دو روش ultrasonic additive manufacturing (UAM)   و laminated object manufacturing (LOM)  است. در فرآیند تولید UAM از ورق‌های فلزی استفاده می‌شود که با استفاده از جوش اولتراسونیک به یکدیگر متصل می‌گردد. در روش LOM از رویکرد لایه به لایه مشابه استفاده می کند اما از کاغذ به عنوان ماده اصلی و از چسب به جای جوش استفاده می‌کنند. با روش LOM  امکان ساخت قطعات هندسی پیچیده با هزینه کمتر و زمان عملیاتی کمتر وجود دارد[4, 12]. طرح شماتیک پرینتر sheet lamination در شکل 10 نمایش داده شده است.

در تکنیک vat photopolymerization از رزین فوتوپلیمر مایع به عنوان ماده اصلی، استفاده می شود. در این روش از نور فرابنفش (UV) برای سخت شدن رزین شده و جسم به شکل لایه لایه ساخته می‌شود. بعد از شکل‌گیری هر لایه، بستر به سمت پایین حرکت می‌کند و لایه جدید بر روی لایه قبلی قرار می‌گیرد. پس از اتمام چاپ، رزین اضافی تخلیه شده و جسم خارج می‌شود. شکل 11 طرح شماتیک پرینتر سه‌بعدی با روش vat photopolymerization را نمایش می‌دهد[4, 13].

دو روش stereolithography (SLA) وdigital light processing (DLP) مثال‌هایی از تکنیک vat photopolymerization هستند. این دو روش بسیار مشابه یکدیگر هستند و عامل اصلی تفاوت این دو، در منبع نور است. در فرآیند DLP از منبع نور معمولی‌تر مانند لامپ قوس‌الکتریکی با صفحه نمایش کریستال مایع استفاده می‌شود. زمان نوردهی، طول موج و مقدار توان سه پارامتر مهم درvat photopolymerization  است. شکل12 دستگاه پرینتر سه‌بعدی با تکنیک vat photopolymerization را نمایش می‌دهد[4].

برای پرینت سه بعدی، به مواد با کیفیت بالا نیاز است که با یک مشخصات ثابت مطابقت داشته باشد. در فناوری پرینت سه بعدی، برای تولید قطعات از طیف وسیعی از مواد مانند سرامیک، فلز، پلیمر و کامپوزیت‌ها می‌توان استفاده کرد[4].

استفاده از فلزات در فناوری پرینت سه بعدی، توجه بسیاری از تولیدکنندگان در صنایع مختلف چون هوافضا، خودرو، وکاربردهای پزشکی به خود جلب کرده است. فلزات داری خواص فیزیکی عالی هستند و به همین دلیل، می تواند در تولید قطعات پیچیده مانند چاپ اندام های انسان تا قطعات هوافضا به‌کار روند. آلیاژهای آلومینیوم، آلیاژهای مبتنی بر کبالت، مواد مبتنی بر نیکل، فولادهای ضد زنگ و آلیاژهای تیتانیوم نمونه‌هایی از مواد مورد استفاده در چاپ سه‌بعدی هستند. برای مثال از آلیاژ کبالت در دندانپزشکی، مواد پایه نیکل در صنایع هوافضا و آلیاژ تیتانیوم در صنعت پزشکی استفاده می‌شود[4].

یکی از کاربردهای رایج پرینترهای سه‌بعدی، تولید اجزای پلیمری از نمونه‌های اولیه تا ساختارهای کاربردی با هندسه دشوار است. انواع مختلف پلیمرها به شکل رشته ترموپلاستیک وجود دارند. اسید پلی لاکتیک (PLA)، آکریلونیتریل بوتادین استایرن (ABS)، پلی پروپیلن (PP) یا پلی اتیلن (PE) از جمله پلیمرهای مورد استفاده در پرینترهای سه‌بعدی هستند. اخیراً ترموپلاستیک‌ها با دمای ذوب بالاتر مانند PEEK و PMMA  نیز به عنوان مواد برای سه بعدی استفاده می‌شوند. پلیمرها نقش مهمی در مواد زیستی و محصولات تجهیزات پزشکی به عنوان مواد بی اثردارند[4].

امروزه قابلیت چاپ اجسام سه‌بعدی با استفاده از سرامیک‌ها و بتن‌ها بدون وجود حفره‌های بزرگ ممکن شده است. سرامیک‌ها قوی، بادوام و مقاوم در برابر آتش هستند. از سرامیک‌ها می‌توان در ساختمان‌سازی، هوافضا و دندانپزشکی استفاده کرد. آلومینا، شیشه‌های زیست فعال و زیرکونیا از جمله سرامیک‌های مورد استفاده در پرینترهای سه‌بعدی هستند[4].

مواد کامپوزیتی با تطبیق پذیری بالا، وزن کم و خواص قابل تنظیم، انقلابی در صنایع ایجاد کرده‌اند. مواد کامپوزیتی الیاف کربن تقویت شده، کامپوزیت های پلیمری  و کامپوزیت پلیمری تقویت شده با الیاف شیشه از جمله مواد به‌کار رفته در پرینترهای سه‌بعدی هستند. برای مثال پلیمرهای تقویت شده با فیبرکربن به دلیل سختی خاص، مقاومت در برابر خوردگی و استحکام به طور گسترده در صنعت هوافضا استفاده می‌شوند.

تولید با پرینتر سه‌بعدی، صنعتی است که به سرعت در حال تحول است و پتانسیل‌های هیجان انگیز زیادی برای آینده دارد. چاپ سه‌بعدی اشیا، می‌تواند زندگی را آسان‌تر، راحت‌تر، ایمن‌تر و سالم‌تر کنند[3]. پرینترهای سه‌بعدی در زمینه‌های مختلفی مانند صنعت هوافضا، اتومبیل‌سازی، غذا، پزشکی و ساختمان‌سازی کاربرد دارد[4].
در صنعت هوافضا، ساخت قطعات سبک وزن با هندسه‌های بهبود یافته و پیچیده با استفاده از فناوری چاپ سه بعدی ممکن شده که منجر به کاهش نیاز به انرژی و منابع می‌گردد. فناوری پرینت سه‌بعدی، به طور گسترده‌ای برای تولید قطعات یدکی برخی از اجزای هوافضا مانند موتورها که نیاز به تعویض منظم دارند، استفاده می‌شود[4].
تکنیک پرینت سه‌بعدی به سرعت صنعت خودروسازی  را به سمت طراحی، توسعه و تولید محصولات جدید تغییر داده است. چاپ سه‌بعدی، امکان ساخت سبک‌تر و پیچیده‌تر در زمان کوتاه‌تر را ممکن می‌کند. به عنوان مثال، لوکال موتور، اولین ماشین الکتریکی در سال 2014 را با پرینتر سه‌بعدی چاپ کرده است. لوکال موتور استفاده از پرینتر سه‌بعدی را بسیار گسترش داده است تا جایی که یک اتوبوس  سه‌بعدی بدون راننده (OLLI)، برقی، قابل بازیافت و بسیار هوشمند را چاپ کرده است. شکل 13 تصویر یک نمونه اتوبوس OLLI است.

تست و مونتاژ قطعات با تولید قطعات یدکی و نمونه اولیه نیز، از جمله کاربردهای پرینتر سه‌بعدی در صنعت خودروسازی است[4].
علاوه بر کاربرد پرینتر سه‌بعدی در صنعت، این فناوری در صنایع غذایی نیز به کار می‌رود. برای مثال مواد خاص را می توان مخلوط کرد و به ساختارها و شکل‌های پیچیده مختلف تبدیل کرد. استفاده از پرینتر سه‌بعدی، فرآیند جدیدی را برای سفارشی سازی غذا ایجاد می‌کند و می‌تواند با ترجیحات و نیازهای فردی تنظیم شود. با چاپ سه‌بعدی مواد غذایی، می‌توان رژیم‌هایی بدون نیاز به ورزش داشت[4].
در حوزه پزشکی، محققان در حال یافتن راه‌های جدیدی برای استفاده از چاپ سه‌بعدی برای کمک به بیماران است. اکنون پزشکان می‌توانند مدل‌های پزشکی سه‌بعدی را پرینت کنند. این مدل‌ها آنقدر دقیق هستند که جراحان می‌توانند قبل از عمل جراحی بر روی مدل سه‌بعدی بیمار، عمل را انجام دهند. همچنین از مدل‌های پرینت سه‌بعدی برای ایجاد پروتزهای ارزان‌تر، بادوام‌تر و مناسب‌تر برای افرادی که دست و پای خود را از دست داده‌اند، استفاده می‌شود[3]. اگرچه چاپ پزشکی از سایر کاربردهای چاپ سه بعدی عقب است، اما این پتانسیل را دارد که در دهه آینده عمل پزشکی را به طور اساسی تغییر دهد.[2] امکان تحقق پیچیدگی هندسی در صنعت ساخت و ساز می‌تواند از جمله کاربردهای فناوری چاپ سه‌بعدی در صنعت ساختمان‌سازی باشد. مدل سازی اطلاعات ساختمان، موجب نمایش ویژگی‌های عملکردی و فیزیکی ساختمان شده و می‌تواند منبع قابل اعتمادی برای تصمیم‌گیری در طول چرخه زندگی خود، از تصور اولیه تا تخریب، تشکیل دهد. با فناوری پرینت سه‌بعدی، شرکت‌ها می‌توانند در زمان کوتاه و هزینه کم، ساختمان را طراحی و ایجاد کنند[4].

پرینت سه‌بعدی یکی از فناوری‌های جذاب و پرکاربرد در زمینه‌های مختلف تولید اجسام سه‌بعدی می‌باشد. استفاده از پرینترهای سه‌بعدی در صنایع تولیدی، مزیت‌های زیادی برای مردم، شرکت و کشورها دارد. بنابراین شناخت هر چه بیشتر این فناوری، موجب افزایش پیشرفت و ارتقا تولید در صنایع مختلف می‌گردد. به همین دلیل، در این مقاله به معرفی فناوری پرینترهای سه‌بعدی، انواع پرینترها، مواد مصرفی و کاربردهای آنها پرداخته شده است.