پرینتر سه بعدی چیست و چگونه کار میکند؟

پرینتر سه بعدی چیست و چگونه کار میکند؟

پرینت سه بعدی، دستگاه چاپ سه بعدی رومیزی، نمونه سازی سریع، ساخت لایه افزایشی، ساخت دیجیتالی اجسام، … اینها همه اصطلاحات گوناگون و گیج کننده یک فناوری نوظهور هستند که زیاد با آنها در اینترنت و گزارشات رسانه مواجه میشویم.

همه گیکهای دنیای فناوری، مهندسان، معماران، مخترعین و طراحان درباره فناوری پیچیده پرینتر سه بعدی صحبت میکنند و حتی از آن به عنوان بخشی انقلاب چهارم صنعتی یاد میشود.

با این حال،‌ پرینترهای سه بعدی واقعا چه چیزی هستند؟

تعریف پرینتر سه بعدی

پرینت سه بعدی میتواند بدین صورت تعریف شود: “فرآیند ساخت فیزیکی یک شی سه بعدی از یک فایل دیجیتال بوسیله دستگاهی که با استفاده از یک متریال، لایه هایی را در سه بعد مختصات با دقت در کنار قرار میدهد تا ساخت یک شی به طور کامل تکمیل شود.”

فناوری پرینتر سه بعدی خود به روشهای گوناگونی تقسیم بندی میشود:

• • پرینتر سه بعدی (FDM) fused deposition modeling یا FFF) fused filament fabrication) متریال مرسوم ترموپلاستیک است که فیلامنت نامیده میشود و از طریق ذوب آن، لایه های یک جسم روی هم گذاشته میشود تا در شی تکمیل گردد.
  • پرینتر سه بعدی (DLP) digital light processing یا (SLA) laser- stereolithography: که انواع رزینها را با استفاده از تابش نور یا لیزر به جسم تبدیل میکند.
  • پرینترهای سه بعدی فلزی که انواع متریال فلزی را استفاده می کنند و هنوز هم تحقیقات درباره آنها ادامه دارد. این چاپگرها کاربرد بسیار خوبی در صنعت دارند و هم اکنون کمپانی های بزرگ کشورهای صنعتی از آن استفاده میکنند.

تولید اجسام در پرینت سه بعدی به صورت لایه به لایه انجام می شود. این روش برتری های زیادی نسبت به روشهای تولید سنتی مانند ماشینکاری CNC دارد که در این مقاله در باره مهمترین آنها صحبت خواهیم کرد.

به نظر می رسد که چاپ سه بعدی به زودی بتواند جایگزین کاملی برای روشهای تولید سنتی در ایران خواهد بود. این تکنولوژی در زمینه های کاربردی زیادی قادر است طراحی هایی را با سرعت و دقت بالا تولید کند.

درک صحیح مزایای پرینتر سه بعدی باعث می شود که طراحان در انتخاب فرآیند تولید تصمیم بهتری بگیرند و همچنین محصولی بهینه عرضه کنند.

• سرعت پرینت سه بعدی

یکی از نکات مثبت تولید افزایشی نسبت به روشهای تولید سنتی، سرعت تولید قطعات است. در این روش میتوان طراحی های پیچیده را از طریق یک برنامه CAD بارگذاری و در عرض چند ساعت پرینت کرد. این مزیت باعث می شود که توسعه ایده های طراحی سرعت بیشتری داشته باشد.

نکته: اما به طور کلی باید بدانید که بر خلاف دستگاه های ساخت صنعتی مرسوم همانند برشکارها، تراش دهنده ها و حفارها که اصطلاحا فرآیندی کاهش دهنده هستند، پرینت سه بعدی تکنیک نوظهوری را استفاده میکنند که عمدتا عملی افزایشی محسوب میشود یعنی همان فرآیند ساخت لایه افزایشی: یک جسم جامد به تدریج از روی هم قرار گرفتن لایه ها ساخته می شود.

پرینتر سه بعدی چیست و چگونه کار میکند؟

در حالی که در گذشته برای دریافت یک نمونه قالبساز باید چند روز یا حتی چند هفته صبر می کردیم، روش تولید افزایشی تنها در عرض چند ساعت مدل را به ما تحویل میدهد.

با این که دستگاههای صنعتی پرینتر نسبت به دستگاههای خانگی زمان بیشتری برای چاپ و پرداخت نهایی صرف می کنند، در مقایسه با تولیدات سنتی توانایی آنها در تولید قطعات کاربردی کوچک یا متوسط باعث صرفه جویی چشمگیری در زمان  و هزینه کار میشود (اغلب تولید قطعات در روش تزریق قالبی چند هفته طول می کشد).

• تولید تک مرحله ای

یکی از بزرگترین دغدغه های طراحان این است که چگونه موثرترین و پربازده ترین روش تولید را پیدا کنند. در روشهای سنتی برای تولید یک قطعه انجام چند مرحله تولید ضروری است. بنابراین، این مراحل در کیفیت قطعه تاثیر می گذارند.

برای مثال قالب یک بست فلزی را در نظر بگیرید که با روشهای تولید سنتی ساخته می شود:

همانند تولید افزایشی، کار با یک مدل CAD شروع می شود. هنگامی که طراحی آماده شد، عملیاتِ ساخت قالب با برش قطعه ای فولادی آغاز می شود.

سپس فولاد با گیره محکم شده و جوشکاری انجام می شود تا مدل شکل بگیرد. حتی گاهی لازم است از یک قید (Jig) استفاده شود تا اجزا در جهت درستی قرار بگیرند. بعد باید جوشها را پولیش کرد تا سطح نهایی صاف شود.

سپس باید به وسیله دریل قطعه را سوراخ کرد تا بتوان آن را به دیوار نصب کرد. در نهایت، باید سمباده زنی، شن شویی و رنگ آمیزی روی بست فلزی انجام شود تا ظاهر آن آماده گردد.

دستگاههای تولید افزایشی فرآیند ساخت را در یک مرحله و بدون دخالت اپراتور انجام می دهند. یعنی به محض آماده شدن طراحی CAD، آنرا بارگذاری می کنند و دستگاه در یک مرحله و تنها در عرض چند ساعت آن را پرینت می کند.

قابلیت تولید تک مرحله ای قالب باعث می شود که وابستگی به مراحلی مانند ماشینکاری، جوشکاری و رنگ آمیزی کاهش پیدا کند و طراح بتواند روی محصول نهایی کنترل بیشتری داشته باشد (البته قطعات پرینت شده نیز قابلیت پرداخت و رنگ را دارند).

• هزینه

هزینه های تولید را می توان به سه گروه تقسیم بندی کرد: هزینه های کارکرد دستگاه، هزینه متریال و هزینه نیروی کار.

هزینه های کارکرد دستگاه:

اکثر پرینترهای سه بعدی رومیزی مصرف برقی همانند لپ تاپ دارند؛ اغلب هزینه های کارکرد دستگاه کمترین سهم را در بین هزینه های تولید دارد.

هزینه متریال:

هزینه مواد مورد استفاده در تولید افزایشی تا حد زیادی به نوع تکنولوژی و حجم هندسی مدل و نوع کاربرد آن بستگی دارد. پرینترهای رومیزی FDM از فیلامنتهایی استفاده می کنند که قیمت آنها تقریبا ۲۰۰ هزار تومان (در زمان نگارش این مقاله) برای هر کیلوست، در حالی که برای پرینت SLA از رزین استفاده می شود که قیمت خرده فروشی آن یک میلیون بر هر لیتر است.

نکته: متریال معرفی انواع فیلامنت (نوعی ترموپلاستیک) برای چاپگرهای سه بعدی خانگی به کار میرود. فیلامنت به صورت رشته به صورت رول بوده و در داخل پرینتر سه بعدی ذوب گشته و به صورت قطرات کوچکی از نازل خارج میگردد و لایه ها در دقت میکرون فرم میدهد؛ لایه به لایه، فیلامت روی هم گذاشته میشود و در کمال شگفتی جسم برابر دیدگان شما تکمیل میشود.

متریال رزین برای چاپگرهای سه بعدی نوری به کار میرود. Resin مایع بوده و با تابش تابنده نوری یا لیزری سخت شده و جسم شکل میگیرد نیز برای قطعات کوچک با دقت بسیار بالا مثل قالبسازی جواهر یا ایمپلمنتهای دندانی کاربرد دارند.

هزینه نیروی کار: یکی از مزایای اصلی پرینت سه بعدی هزینه کم نیروی کار است. به غیر از فرآیند پرداخت نهایی، اکثر پرینترهای سه بعدی تنها به یک اپراتور نیاز دارند که تنها باید چند دکمه را فشار دهد. سپس دستگاه به صورت خودکار فرآیند تولید را انجام می دهد. در مقایسه با روشهای سنتی که نیاز به ماشینکارها و اپراتورهای ماهر دارد، هزینه نیروی کار در پرینت سه بعدی تقریبا هیچ است.

هزینه تولید افزایشی و تولید سنتی در حجمهای کوچک بسیار به هم نزدیک است. در تولید نمونه هایی که شکل و فرم در آنها اولویت دارد، پرینت سه بعدی به طرز چشمگیری از دیگر روشها مانند تزریق قالبی ارزانتر است.

در تکنیکهای تولید سنتی هر چه حجم افزایش پیدا کند، هزینه ها تصاعدی بالا می روند و تولید در حجم بالا نیازمند هزینه های بسیار زیادی است در حالی که در فرآیند چاپ سه بعدی هزینه کمتر میباشد.

• کاهش خطر

سفارش یک نمونه معیوب قالبسازی می تواند برای طراح هزینه های مالی و زمانی داشته باشد. حتی کوچکترین تغییرات در روش های سنتی می تواند تاثیر زیادی در هزینه ها ایجاد کند.

در پرینت سه بعدی می توانید قبل از این که سرمایه زیادی را برای تجهیزاتی مانند قید، قالب و ابزار هزینه کنید، نمونه ای را پرینت کرده و با این کار ریسک کار را کمتر کنید. این قضیه در تولید انبوه نیز کاربرد دارد زیرا می توانید یک نمونه را اول بررسی کرده و سپس به تولید حجم بالا اقدام کنید.

• پیچیدگی و آزادی در طراحی

پرینتر سه بعدی چیست و چگونه کار میکند؟

محدودیت هایی که در تولیدهای سنتی وجود دارند اغلب در تولید افزایشی مسئله ساز نیستند. از آنجا که ساخت جسم به صورت لایه به لایه انجام می شود طرح زاویه ها، برش های زیرین و عدم دسترسی به ابزار مشکل ساز نخواهند شد. در پرینت سه بعدی دست طراحان کاملا باز است و می توانند هندسه های پیچیده را طراحی کنند.

• سفارشی سازی و اصلاح

پرینت سه بعدی نه تنها دست طراحان را باز می گذارد بلکه امکان تغییر و اصلاح در طراحی را فراهم می کند. از آنجا که تکنولوژیهای تولید افزایشی در ساخت قطعات به صورت جداگانه بهتر عمل می کنند، برای تولید تک محصولی بسیار مناسب هستند.

از این مزیت در صنایعی مانند پزشکی و دندانسازی نیز بهره می گیرند و برای تولید سفارشی پروتز و ایمپلنت و لوازم دندانی دیگر از آن استفاده می کنند (پرینتر۳بعدی رزینی).

از لوازم حرفه ای ورزشی که به صورت شخصی برای یک ورزشکار تولید می شوند گرفته تا عینک ها و وسایل مُد، به وسیله پرینت سه بعدی ساخته می شوند که هم امکان تغییر در طرح را دارد و هم قیمت آن مقرون به صرفه تر است.

• رشد دسترسی ساده

با این که تولید افزایشی از دهه ۸۰ میلادی بوجود آمده اما رشد اصلی این تکنولوژی از سال ۲۰۱۰ رخ داده است. این رشد وسیع باعث شد که تعداد بسیار زیادی پرینتر سه بعدی به بازار صنعت وارد شود و دسترسی طراحان به این تکنولوژی به طرز چشمگیری ساده تر شود.

تنها در سال ۲۰۱۵، بیش از ۲۷۸۰۰۰ پرینتر تولید افزایشی با قیمت کمتر از ۵۰۰۰ دلار در جهان به فروش رسید. از آن زمان تا الان برخی از این پرینتر ها فروششان به دوبرابر رسیده است.

تکنولوژی که در ابتدا تنها برای گروهی از صنعتگران قابل دسترسی بود، حالا در طیف وسیعی از صنایع مورد استفاده قرار می گیرد و حتی روشی مقرون به صرفه محسوب می شود. در ایران نیز شرکتهای زیادی تولید چاپگرهای سه بعدی باکیفیت ایرانی را شروع کرده اند.

• مصرف معقول و بهینه

در روشهای تولید کاهشی مانند فرزکاری CNC یا تراشکاری، مقدار زیادی متریال از یک بلوک اولیه حذف میشود تا جسم اصلی ساخته شود و این باعث هدر رفتن این متریال می شود.

روشهای تولید افزایشی عموما تنها از متریالی که برای ساخت قطعه لازم است استفاده می کنند. در اکثر فرآیندها از مواد خام استفاده می شود تا بتوان آن را دوباره بازیافت کرد و در تولید مجدد از آن بهره گرفت. در نتیجه، فرآیند تولید افزایشی متریال کمتری را هدر می دهد.

تمایل مصرف کنندگان پرینتر سه بعدی

با تمام اوصاف، گرایش در حوزه چاپگر سه بعدی مربوط به انواع شخصی (دسکتاپ) یا پلتفرم های سایز ساخت بزرگ است. این نوع پرینترها که در ایران هم تجاری شده اند و حاصل خلاقیت مهندسان الکترونیک و جامعه نرم افزارهای متن باز است. تکنولوژی و نرم افزارهای این مدل از پرینترهای سه بعدی پیشرفت خوبی داشته اند. بنابراین اغلب کارشناسان بازاریابی و کارآفرینان بیش بینی می کنند که سرمایه گذاری در حوزه پرینترهای سه بعدی رومیزی یا سایز بزرگ با توجه به طیف وسیع مشتریان آینده، قابل توجیه است.

نظر شما درباره فرآیند ۳D Printing چیست؟ آیا فکر میکنید این تکنولوژی در ایران نیز  همانند دیگر کشورها، روشهای ساخت را متحول کند؟ با ثبت نظر، دیدگاههای خود را مطرح کنید.

پرینتر سه بعدی چیست و چگونه کار میکند؟

منبع: پرینترهای سه بعدی توسعه گران بعد سوم