چاپگر سه بعدی

چرا چاپگر سه بعدی (3D Printer) ؟ مشاهده یک طرح یک ایده می تواند ما را به خوبی از مضمون آن آگاه کند اما حتی بهترین طراحان نیز در تلاش هستند تا طرح خود را به صورت سه بعدی و در دنیای واقعی به ما نشان دهند.

استفاده از فناوری چاپ سه بعدی باعث می شود تا جزئیات آن را درک کرده و به زیبایی آن پی ببریم،  و چاپگر سه بعدی یک راه حل موثر و کارآمد برای این موضوع خواهد بود که هزینه پایینی نیز دارد.

از نمونه های اولیه دست ساز تا نمونه سازی سریع

 

قبل از طراحی مدل های اولیه به کمک رایانه ها (CAD)، چاپگر سه بعدی و لیزر، مدل ها و نمونه های اولیه با زحمت زیادی و با استفاده از قطعات چوبی و پلاستیکی ساخته می شدند. انجام این کار ممکن بود روز ها و حتی هفته ها زمان بگیرد و هزینه زیادی نیز می طلبید.

قبل از پیدایش چاپگر سه بعدی و روش های خودکار اعمال تغییرات یا جایگزینی مدل ها بسیار وقت گیر و دشوار بود به خصوص اگر از یک شرکت مدل سازی خارجی برای این کار استفاده می شد. این محدودیت ها طراح را از پیشرفت کردن در این زمینه مأیوس و گرفتن نظرات و انتقادات در مراحل پایانی منع می کرد.

با پیشرفت در زمینه مدل سازی و دستیابی به فناوری بهتر، در دهه 1980 میلادی ایده ای به نام نمونه سازی سریع (Rapid Prototyping) عنوان راه حلی برای این مشکل ارائه شد. در این ایده توسعه نمونه ها به وسیله ماشین آلات و رایانه ها به صورت خودکار انجام می شد و در عرض چند ساعت یا چند روز آماده می شد در حالی که در روش های سنتی هفته ها به طول می انجامید.

چاپ سه بعدی به وسیله چاپگر سه بعدی (3D Printer) یک روش توسعه و تکامل یافته از این ایده است که به کمک آن طراحان نمونه های خود را به سرعت در عرض چند ساعت یا چند روز تولید می کنند. ماشین آلات پیشرفته مورد استفاده در این کار از جمله چاپگر سه بعدی بی شباهت به چاپگر های جوهرافشان نیست.

چاپگر سه بعدی چگونه کار می کند؟

 

تصور کنید قصد ساخت یک ماکت چوبی را دارید، می بایست یک قطعه چوب سفت و سخت را مانند یک مجسمه ساز تراشیده و حکاکی کنید و به تدریج جزئیات بیرونی و داخلی ماکت را به آن اضافه نمایید. ساخت ماکت برای معماری و احداث یک ساختمان نیز اینگونه است، باید قطعات مختلف مقوا را با چسباندن به هم گرد هم آورده و در نهایت نمونه مورد نظر ساخته شود.

امروزه با به کارگیری لیزر به راحتی می توان روی چوب طراحی های دلخواه را حکاکی کرد و این امر فراتر از استفاده ربات ها و ماشین ها برای چسباندن و کنار هم گذاشتن قطعات مقوا به همدیگر نیست، اما چابگر سه بعدی به هیچکدام از دو روش عنوان شده کار نمی کنند!
یک چاپگر سه بعدی معمولی شباهت زیادی به چاپگر های جوهرافشان دارد که از یک کامپیوتر برای انجام و تعیین مشخصات این کار استفاده می شود. چاپگر سه بعدی قسمت های مختلف نمونه را به صورت لایه لایه از پایین به بالا با روشی به نام مدل سازی ذوب شده رسوبی (fused depositional modeling) می سازد.

چاپگر سه بعدی (3D Printer) به جای استفاده از جوهر که هرگز حجم به خود نمی گیرد از ته نشین کردن لایه های پلاستیک مذاب و پودر استفاده می کند. سپس با استفاده از چسب مخصوص یا اشعه فرابنفش آن ها را با یکدیگر درهم آمیخته و ساختار مورد نظر را شکل می دهد. سپس چاپگر سه بعدی به صورت کاملا اتوماتیک یک طراحی سه بعدی که در رایانه شکل گرفته را در عرض چند ساعت به یک مدل سه بعدی تبدیل می کند.

روش کار این چاپگر به این صورت است پلاستیک مذاب را با یک سر لوله بسیار کوچک و تحت کنترل کامپیوتر به محل انتقال می دهد. به این طریق یک لایه دو بعدی از ساختار اصلی را چاپ کرده و سپس لایه های بعدی را یکی پس از دیگری روی یکدیگر چاپ می کند تا در نهایت نمونه سه بعدی مورد نظر ساخته شود.

چاپگر سه بعدی از چه نوع جوهری برای چاپ استفاده می کند؟

 

چاپگر جوهر افشان جوهر مایع را اسپری می کند و یک پرینتر لیزری از پودر جامد استفاده می کند اما چاپگر سه بعدی از هیچ کدام از موارد گفته شده استفاده نمی کند. نمی توان با ریختن جوهر رنگی یا پودر سیاه یک مدل سه بعدی ساخت، آنچه در چاپگر سه بعدی به عنوان مواد اولیه مورد استفاده قرار می گیرد پلاستیک است.

پلاستیک ها انواع مختلف دارند که از نظر خواص شیمیایی و فیزیکی باهم متفاوت هستند. پلاستیک های مورد استفاده در چاپگر سه بعدی یک نوع ترموپلاستیک (پلاستیک هایی که به هنگام حرارت دیدن ذوب شده و هنگام خنک شدن به شکل جامد در می آیند) به نام آکریلونیتریل بوتادین استایرن (Acrylonitrile Butadiene Styrene یا ABS) استفاده می شود.

پلیمر ABS یک کامپوزیت از پلاستیک سخت آکریلونیتریل (acrylonitrile) و یک ترکیب مصنوعی لاستیک به نام بوتادین استایرن (butadiene styrene) است. از این نوع پلیمر علاوه بر مواد اولیه چاپگر سه بعدی در ساخت بعضی اسباب بازی های پلاستیکی، فضای داخلی اتومبیل ها و یخچال ها، قطعات کامپیوتری مانند ماوس و کیبورد و موارد دیگر نیز استفاده می شود.

اما دلیل اینکه از این نوع پلاستیک در چاپ سه بعدی استفاده می شود این است که در دمای معمولی اتاق جامد بوده و در دمای کمی بیشتر از 100 سانتی گراد (220 درجه فارنهایت) ذوب می شود. این دما به اندازه کافی برای ذوب کردن آن داخل چاپگر سه بعدی، بدون صدمه زدن به چاپگر، مناسب بوده و همچنین اگر در زیر نور خورشید قرار گیرد ذوب نخواهد شد.

یکی دیگر از ویژگی های مهم پلیمر ABS رنگ زرد متمایل به سفید آن است که به راحتی می توان با اضافه کردن رنگدانه های شیمیایی آن را به هر رنگی درآورد. همچنین با توجه نوع چاپگر سه بعدی که استفاده می شود، پلاستیک ها بصورت گلوله های کوچک یا رشته رشته به آن وارد می شوند.

مزایا و معایب

استفاده از یک چاپگر سه بعدی (3D Printer) برای مدل سازی های سه بعدی به نوع خود خاص و جذاب بوده و مزایای خودش را هم در این زمینه داراست، برخی از این مزایای استفاده از این روش به موارد زیر هستند:

• استفاده از چاپگر های سه بعدی تقریبا 10 برابر سریع تر از روش های دیگر ساخت نمونه های سه بعدی است و می‏تواند به راحتی در وقت شما صرفه جویی کند.
• هرچند استفاده ار چاپگر های سه بعدی رده بالا هزینه بالایی نیز دارد اما این چاپگر ها در انواع مختلف ساخته می شوند که هزینه های متفاتی نیز داشته و به طور کلی نسبت به سایر روش ها 5 برابر ارزان تر تمام می شوند.
• این چاپگر ها در اندازه ها و موارد مصرف گوناگون ساخته می شوند که حتی می توان یکی از آن ها را برای مصرف شخصی و خانگی تهیه نمود.
• استفاده از یک چاپگر سه بعدی کاملا ایمن و مورد اطمینان بوده و نحوه استفاده از آن آسان است.
• بعضی از این دستگاه ها نیازی به اتصال مستقیم به کامپیوتر نداشته و طراحی سه بعدی مورد نظر را می توان توسط یک کارت حافظه به آن منتقل کرده و تمام فرآیند چاپ توسط پردازشگر خود چاپگر سه بعدی انجام می شود.
• دارای قابلیت تنظیم کیفیت و سرعت است که مدل سه بعدی می تواند با توجه به نیاز شخص در مدت زمان بیشتر و کیفیت بیشتر و یا برعکس تولید شود.

در کنار مزایا و قابلیت های چاپگر سه بعدی که چاپ سه بعدی را از دیگر روش ها متمایز می کند، این روش مدل سازی نیز دارای برخی معایب و نقاط ضعف است که عبارتند از:

• چاپ سه بعدی نسبت به دیگر روش های نمونه سازی سه بعدی مانند RP از دقت کمتری برخوردار است.
• انتخاب مواد اولیه چاپگر سه بعدی معمولا محدود است.
• ممکن است رنگ ها خام و ناپخته به نظر برسند و بافت نهایی مدل به خوبی ظاهر نشود.

کاربرد ها

چاپگر سه بعدی (3D Printer) به دلیل داشتن مزایا و برتری های گوناگون خود، علاوه بر ساخت مدل های سه بعدی کاربرد های مختلف دیگری نیز دارد. در ادامه به بررسی برخی کاربرد های مهم از کاربرد های گوناگون و متفاوت آن پرداخته خواهد شد تا آشنایی کلی درباره آن حاصل شود:

• پزشکی: با استفاده از این فناوری پزشکان می توانند اعضای مصنوعی بدن مانند گوش، پا، دست، قلب و غیره را تولید کنند و این قطعات تولید شده توسط چاپگر سه بعدی بدون هیچ آسیب و ضیانی به بدن بیمار پیوند زده شود.
• معماری: همان طور که قبلا هم گفته شد از فناوری چاپ سه بعدی می توان در ساخت ماکت و مدل های اولیه یک ساختمان استفاده کرد.
• مصرف شخصی: با تهیه یک دستگاه چاپگر سه بعدی خانگی می توانید هر چیزی که می خواهید را برای خودتان چاپ کنید: مسواک، قفسه کتاب، گلدان، لیوان و موارد دیگر.
• آموزشی: با استفاده از چاپگر سه بعدی می توان مدل های مختلف آموزشی مانند مدل های مولکولی و ترکیبات شیمیایی را انجام داد. یکی از کاربرد های دیگر آن استفاده در آزمایشگاه ها، مدارس و دانشگاه ها به همین منظور است.

• صنعت: در صنایع مختلف از جمله تولید انواع مختلف کالا ها و قسمت های متفاوت یک محصول مانند قطعات کامپیوتری از چاپ سه بعدی استفاده نمود.

آینده چاپگر سه بعدی و چاپ سه بعدی

 

   در سال 2011 محققان دانشگاه Exeter انگلستان موفق به ساخت مواد غذایی با استفاده از یک چاپگر سه بعدی (3D Printer) شدند که مواد اولیه آن به جای پلاستیک شکلات ذوب شده بود! اگرچه استفاده از یک دستگاه چاپگر سه بعدی ارزان قیمت و مقداری پلاستیک محدودیتی هایی نیز برای دستیابی به موارد دلخواه شخصی دارد.

اما هنگامی که چاپ سه بعدی(3D Printer) به عنوان عامل اصلی ساخت و تولید توسط شرکت ها پذیرفته شود، مزایا و برتری های آن در این زمینه را می توان در جنبه های مختلف از جمله جنبه اقتصادی این امر به وضوح مشاهده کرد:

1. در مورد اول چاپگر سه بعدی این امکان را به تولید کنندگان می دهد تا محصولات خود را راحت تر و بهتر سفارشی سازی کرده و محصولات مختلفی با جزئیات متفاوت ارائه دهند. بنابرین تولید محصولات با ویژگی های متفاوت تر مقرون به صرفه خواهد بود و مشکلات قبل را نخواهد داشت.
2. چاپ سه بعدی در اصل یک فناری روباتیک است که در نتیجه آن باعث کاهش هزینه ها تا جای ممکن شده و بهره برداری را افزایش خواهد داد. به همین دلیل قیمت های نهایی محصولات نیز پایین تر خواهد آمد که در نهایت آن منجر به افزایش تقاضا خواهد شد.

با پیشرفت هر روزه علم و فناوری های مختلف امکان این نیز وجود دارد که فناوری های کاربردی و جدیدی مانند چاپ سه بعدی و استفاده از چاپگر سه بعدی در زمینه های مختلف، ارتقاع یافته و به توان از آن برای مصارف جدیدتر و در تولید محصولات متفاوت تر استفاده نمود.

منبع:

پندارک