تمام حقوق برای خط مهندسی محفوظ است
حتی بهترین هنرمندان هم می کوشند تا به ما نشان دهند که اشیاء دنیای واقعی در تمام شکوه سه بعدی خود چگونه به نظر می رسند. البته بیشتر اوقات این مساله مهم نیست زیرا نگاه کردن به یک عکس یا طرح کافیست تا ایده خوبی به شما بدهد.
اما اگر مشغول توسعه محصولات جدید هستید و باید آنها را به مشتری نشان دهید، هیچ چیزی نمی تواند بهتر از داشتن یک نمونه اولیه باشد:
پرینتر سه بعدی به شما نمونه‌ای می‌دهد که می توانید آنرا لمس کنید، نگه دارید و احساس کنید. تنها مشکل این است که صدها سال زمان میبرد تا مدل ها با دست ساخته شوند و ماشین هایی که می توانند “نمونه های سریع” را بسازند، هزینه بسیار بالایی نیاز دارد.
پس به افتخار پرینترهای سه بعدی که کمی شبیه جوهر افشان ها کار می کنند و مدل های اولیه سه بعدی را ده برابر سریعتر و با یک پنجم هزینه می سازند!
اما پرینترهای سه یعدی دقیقا چطور کار میکنند؟ بیایید نگاه دقیق تری داشته باشیم!
از نمونه های دست ساز تا نمونه سازی سریع
قبل از اینکه تکنولوژی طراحی بوسیله به کمک کامپیوتر (CAD) و طراحی بوسیله لیزر بوجود بیاید، مدل ها و نمونه های اولیه با زحمت بسیار و وقت گیر از چوب تراشیده می شدند یا از کنار هم قرار گرفتن قطعات کاغذی و یا پلاستیکی تشکیل می شدند.
این پروسه روزها یا حتی هفته ها زمان میبرد و هزینه زیادی صرف میشد. ایجاد تغییر در این نمونه های ساخته شده بسیار دشوار و وقت گیر بود، مخصوصا اگر از یک شرکت مدل سازی خارجی برای ساختن نمونه اولیه کمک گرفته میشد، و این سختی ها جلوی پیشرفت طراحان را می گرفت و اگر طراحی در لحظات آخر متوجه نقصی میشد و تصمیم به اصلاح آن می گرفت امکان تغییر وجود نداشت و دیگر خیلی دیر شده بود!
فناوری نمونه سازی سریع (Rapid Prototyping)
با گذشت زمان و در دهه ۱۹۸۰ فناوری بهتری از راه رسید که نمونه سازی سریع نام گرفت به عنوان راه حلی برای مشکلات نمونه سازی شناخته میشد و بسیاری از جوانب کار را بهبود بخشید: به این معنی که توسعه مدل ها و نمونه های اولیه با روش های ماشینیزه شده و معمولاً در ساعت ها یا روزهای کوتاه تری نسبت به قبل و نمونه سازی سنتی انجام می شد.
چاپ سه بعدی یک ایده منطقی از همان تکنولوژی نمونه سازی سریع است که در آن طراحان محصول نمونه های سریع خود را در عرض چند ساعت با استفاده از ماشین های پیشرفته می سازند.
پرینتر سه بعدی چگونه کار می کند؟
تصور کنید که می خواهید نمونه اولیه چوبی یک اتومبیل را بسازید. شما با یک تکه چوب بدون شکل شروع کنید و مانند یک مجسمه ساز شروع به تراشیدن چوب میکنید و به تدریج شیء “پنهان” درون آن را آشکار می کنید.
یا اگر می خواستید یک مدل مهندسی معماری را از یک خانه بسازید، می توانید آن را مانند یک خانه واقعی با استفاده از مواد پیش ساخته احداث کنید، احتمالاً با بریدن کپی های کوچک و مینیاتوری از دیوارها از کارت و چسباندن آنها به هم می توانید این مدل را بوجود آورید.
اما اکنون نیازی به این کارها نیست زیرا یک لیزر به راحتی می تواند چوب را به اشکال مختلف تراش دهد و خیلی دور از ذهن نیست که بتوان یک ربات را آموزش داد که توانایی مونتاژ تکه های مقوا و ساختن ماکت را داشته باشد. اما چاپگرهای سه بعدی به هیچ یک از این روش‌ها کار نمی کنند!
یک چاپگر سه بعدی معمولی بسیار شبیه چاپگر جوهر افشان است که از یک کامپیوتر فرمان میگیرد. این پرینتر یک مدل سه بعدی را بصورت لایه لایه و از پایین به بالا و چاپ مکرر در یک نقطه و با استفاده از تکنولوژی مدل سازی رسوبی، با چاپ مکرر در همان ناحیه با روشی موسوم به مدل سازی رسوب نشانی ذوبی معرروف به FDM ایجاد می کند.
روند این کار کاملا بصورت اتوماتیک و بدون دخالت دست انجام میگیرد و پرینتر سه بعدی یک مدل سه بعدی که توسط نرم افزار اتوکد طراحی شده را به چندین لایه دو بعدی تقسیم میکند و از این لایه ها و در طی یک پروسه چندین ساعته شروع به ساختن مدل سه بعدی میکند بدین صورت که هر لایه بر روی لایه پیشین قرار میگیرد. چاپگر به جای استفاده از جوهر که هرگز به حجم زیادی نمی رسد، از لایه هایی از پلاستیک مذاب یا پودر استفاده میکند و آنها را با چسب یا اشعه فرابنفش در کنار هم و در ساختار موجود مونتاژ میکند.
پرینتر سه بعدی از چه نوع “جوهر” استفاده می کند؟ پاسخ: پلاستیک ABS!
همه ما می دانیم که یک چاپگر جوهر افشان جوهر مایع را بر سطح کاغذ پخش میکند و یک پرینتر لیزری از پودر جامد استفاده می کند اما یک چاپگر سه بعدی از هیچ کدام استفاده نمی کند: شما نمی توانید با ریختن آب رنگی یا گرد و غبار سیاه یک مدل سه بعدی بسازید! آنچه می توانید با آن مدل سازی کنید پلاستیک است.
یک پرینتر سه بعدی اساساً با ریختن پلاستیک مذاب از طریق یک نازل کوچک که دقیقاً تحت کنترل کامپیوتر حرکت می کند، کار می کند. یک لایه را چاپ می کند، منتظر می ماند تا خشک شود و سپس لایه بعدی را بر روی سطح لایه قبلی چاپ می کند. کیفیت مدل نهایی به کیفیت پلاستیک مصرفی و کیفیت پرینتر بستگی دارد.
البته انواع دیگری از پرینتر های سه بعدی جدیدا در حال ساخت هستند که با مواد دیگری کار میکنند. بطور مثال در انگلستان پرینتری ساخته اند که قادر است اشکال مختلف را از شکلات بسازد!
مزایا و معایب چاپ سه بعدی
سازندگان چاپگرهای سه بعدی ادعا می کنند که آنها ده برابر سریعتر از روش های دیگر و پنج برابر ارزان تر هستند، بنابراین افرادی که نیاز به ساخت نمونه های سریع در زمان کوتاه و با هزینه محدود دارند پرینتر سه بعدی کار را راحت کرده است. اگرچه پرینترهای سه بعدی رده بالا هنوز گران هستند و بین ۲۵۰۰۰ تا ۵۰۰۰۰ دلار قیمت دارند اما با این وجود هنوز هم نسبت به ماشین های RP که قیمت آنها از ۱۰۰۰۰۰ تا ۵۰۰۰۰۰ دلار میرسد بسیار به صرفه تر هستند.
همچنین پرینتر های سه بعدی رده پایین تر و معمولی تر با قیمت های بسیار کمتر هم در دسترس هستند که میتوانید از آنها استفاده کنید. این گونه پرینتر ها بصورت هوشمندانه ای کوچک، ایمن، به راحتی قابل استفاده و مورد اطمینان هستند که همین خصوصیات باعث شده که در مکان هایی مانند مدارس و مراکز اموزشی بسیار مورد استفاده قرار بگیرند.
کاربردهای پرینتر سه بعدی
اگر این سوال به ذهنتان آمده که برای چه کارهایی می توانید از پرینتر سه بعدی استفاده کنید؟ پرسیدن این سوال کمی شبیه این است که بپرسید “چند روش می توانید از یک دستگاه فتوکپی استفاده کنید؟” بصورت نظری فقط به قدرت تخیل شما بستگی دارد که هرچه گسترده تر باشد می توانید کاربرد های بیشتری برای آن پیدا کنید.
در عمل، دامنه کاری شما به دقت مدلی که از آن چاپ می کنید، دقت چاپگر شما و موادی که با آنها چاپ می کنید بستگی دارد. چاپ سه بعدی مدرن حدود ۲۵ سال پیش اختراع شد، اما در دهه گذشته کمی فروکش کرد. بخش اعظم این فناوری هنوز نسبتاً جدید است و با این وجود هم کاربرد هایی که چاپ سه بعدی می تواند در زمینه های مختلف داشته باشد بسیار شگفت آور است.
با هم برخی از کاربرد های مهم چاپ سه بعدی را در صنایع مختلف مرور میکنیم.
پزشکی
زندگی یک سفر یک طرفه است که هرچه جلوتر برویم بدن ما فرسوده تر و شکننده تر میشود. با بالاتر رفتن سن انسان مشکلات عدیده بدنی پدید می آید که باعث می شود اعضای بدن به درستی کار نکنند. اما صنعت چاپ سه بعدی در این زمینه پیشرفت خوبی داشته که به ساخت جایگزین اعضای بدن و بافت قسمت های مختلف منتهی میشود.
به همین دلیل پزشکان از نخستین افرادی بودند که بدنبال چاپ سه بعدی بودند. در حال حاضر، یک کمپانی هندی موفق به ساخت اعضای مختلفی از بدن همانند گوش ها، بازوها و پاها توسط این تکنولوژی شده اند و گروه رباتیک بیومکانیکی دانشگاه کرنل موفق به ساخت ماهیچه توسط تکنولوژی سه بعدی شده اند. این‌کارها در حوزه مهندسی پزشکی قرار می‌گیرند.
همچنین از چاپگرهای سه بعدی برای تولید بافتهای مصنوعی (ارگانو)، سلولها و پوست استفاده شده است. اگرچه ما هنوز از داشتن اندام های جایگزین پرینت سه بعدی (مانند قلب و کبد) فاصله داریم، اما با توجه به سرعت پیشرفت این فناوری هیچ بعید نیست در آینده ای نه چندان دور دانشمندان و محققان موفق به ساخت این اعضای حیاتی هم بشوند. ی
ک پروژه موسوم به Body on a Chip که توسط انستیتوی پزشکی احیا کننده Wake Forest در کارولینای شمالی اجرا می شود، قلب های مینیاتوری انسان، ریه ها و رگ های خونی را چاپ می کند، آنها را روی میکروچیپ قرار می دهد و با نوعی خون مصنوعی آزمایش می کند.
کاربرد چاپ سه بعدی در آموزش پزشکی
جدای از جایگزینی قطعات بدن، چاپ سه بعدی به طور فزاینده ای برای آموزش پزشکی مورد استفاده قرار می گیرد. در بیمارستان کودکان Nicklaus در میامی فلوریدا، جراحان با استفاده از ماکت های چاپی سه بعدی قلب کودکان، جراحی می کنند. در جای دیگر، از همین تکنیک برای تمرین جراحی مغز استفاده می شود.
هوافضا و صنایع دفاعی
طراحی و آزمایش هواپیماها یک تجارت پیچیده و گران است: یک Boeing Dream liner از حدود ۲.۳ میلیون قطعه داخلی تشکیل شده است! اگرچه می توان از مدل های رایانه ای برای آزمایش جنبه های کاملی از نحوه عملکرد هواپیماها استفاده کرد، اما هنوز هم باید برای نمونه هایی از قبیل آزمایش تونل باد، نمونه های مورد نیاز با دقت فراوان تهیه شود و چاپ سه بعدی راهی ساده و مؤثر برای انجام این کار است.
در حالی که هواپیما های تجاری شاید خیلی نیازی به سفارشی سازی ندارند برعکس هواپیما های جنگی باید کاملا سفارشی ساخته شوند و چاپ سه بعدی امکان طراحی، آزمایش و ساخت قطعات کم حجم و مقرون به صرفه را ممکن کرده است.
اوضاع درخصوص فضاپیما ها حتی پیچیده‌تر هم هست زیرا گاهی اوقات از یک فضا پیما فقط یک مورد ساخته میشود و به دلیل داشتن قطعات بیشتر نیاز به دقت بالاتر و کار بیشتری دارند.
جالب تر اینکه می توان با پیشرفت بیشتر این صنعت قطعات فضایی را حتی در خود فضا ساخت. زیرا قطعات فضایی سنگین هستند و حمل و نقل آنها به فضا کار سخت و هزینه بری است. توانایی ساخت چیزهایی در ماه یا سایر سیارات می تواند بسیار ارزشمند باشد. در این زمینه جدید ترین مریخ نورد ناسا با استفاده از قطعات مونتاژ شده توسط چاپ سه بعدی ساخته شده است.
مجسم سازی
از چاپگرهای سه بعدی برای مدل سازی سریع و دقیق معماری استفاده می شود. اگرچه ما نمی توانیم چاپ سه بعدی را با موادی مانند آجر و بتن انجام دهیم، اما طیف گسترده ای از انواع پلاستیک در دسترس است و می توان آنها را رنگ آمیزی کرد به نحوی که بصورت ساختمان های واقعی به نظر برسد.
به همین روش، اکنون چاپ سه‌بعدی به صورت گسترده ای برای نمونه سازی و آزمایش محصولات صنعتی و مصرفی مورد استفاده قرار گرفته است. از آنجا که بسیاری از چیزهای روزمره از پلاستیک ساخته شده است، یک مدل چاپی سه بعدی می تواند بسیار شبیه به محصول نهایی باشد.
محصولات شخصی
همچنین از صنعت چاپ سه بعدی می توان در ساخت انواع وسایل شخصی استفاده نمود. از انواع مسواک و وسایل آرایشی گرفته تا چاپ ناخن سفارشی برای هر شخص با طراحی خاص!
“محصولات سفارشی” فقط چیزهایی نیستند که ما خریداری می کنیم و از آنها استفاده می کنیم: غذایی که می خوریم می تواند در آن دسته قرار بگیرد. دانشمندان معتقدند می توانند در آینده ای نه چندان دور میتوان حتی وعده های غذایی را با پرینتر سه بعدی مخصوص هر شخص بسازند بطوری که همه ی مواد مورد نیاز بدن آن شخص را در خود داشته باشد.
آینده چاپ سه بعدی
اگرچه چاپ سه بعدی مطمئناً امکان ساختن چیزهای مورد نیازمان را برای ما فراهم می کند، اما با محدودیتی هایی نظیر قیمت چاپگر و حتی دسترسی به مقدار پلاستیک مورد نیاز دست و پنجه نرم میکند.
استفاده گسترده از پرینتر های سه بعدی میتواند در کاهش هزینه بسیاری از صنایع موثر باشد. این امر تولید کنندگان را قادر می سازد سفارشی سازی بسیار بیشتری از محصولات موجود ارائه دهند.
سرانجام ذکر این نکته ضروریست که چاپ سه بعدی باعث افزایش بهره وری خواهد شد (از آنجا که برای ساختن موارد مشابه به تعداد کمتری افراد نیاز خواهد بود) به طور کلی هزینه های تولید را کاهش می دهد، که منجر به پایین آمدن قیمت ها و تقاضای بیشتر می شود و این مساله همیشه برای مصرف کنندگان و البته تولید کنندگان نکته مثبتی است.
