کاربردهای پرینترهای سه بعدی
انسان ماهر در دوره پارینه سنگی برای اولین بار شروع به ساخت ابزار کرد. از آن زمان تا به امروز نسل بشر همواره سعی کرده با ساخت و استفاده از ابزار، انجام کارها را ممکن ساخته و آنها را ساده، سریع و کم هزینه تر انجام دهد. از دهه 80 میلادی و با ظهور صنعت چاپ سه بعدی، انقلاب بزرگی در ابزارسازی به وجود آمد. چاپ سه بعدی یک فرآیند تولید افزایشی است که امکان تولید احجام جامد به صورت مستقیم از مدل دیجیتال را فراهم می کند. با پیشرفت پرینترهای سه بعدی و کاهش هزینه استفاده از آنها، صنایع و علوم بسیاری تحت تاثیر قرار گرفته و انجام ناممکن های بسیاری امکان پذیر شده است.
در این فرآیند صرف نظر از جنس، مواد اولیه به صورت لایه لایه روی هم قرار گرفته و یک حجم را به وجود می آورند. از همین رو فرآیند تولید پرینترهای سه بعدی، فرآیند تولید افزایشی نامیده می شود. پیش از چاپ سه بعدی همه فرآیندهای ساخت به صورت قالب گیری یا کاهشی (تراش و براده برداری) عمل می کردند، اما چاپگرهای سه بعدی از روش ها و مواد اولیه متفاوتی برای این فرآیند تولید افزایشی استفاده می کنند.
در این مقاله شما می توانید با کاربرد پرینترهای سه بعدی آشنا شوید.
مهندسی و صنعت
بزرگترین کاربرد چاپگرهای سه بعدی در صنایع تولیدی، مهندسی و مدل سازی است. با استفاده از چاپ سه بعدی می توان نمونه اولیه یک قطعه را با سرعت و دقت بسیار مدل سازی کرده و ساخت و با توجه به هزینه ناچیز بازتولید، این کار را به دفعات تکرار کرد تا به طراحی و محصول بهینه رسید. امروزه استفاده از چاپ سه بعدی در صنایع گوناگونی از جمله طراحی صنعتی و قطعه سازی، هوافضا، نفت و گاز، رباتیک، نظامی و… رایج است.
پزشکی
پزشکی یکی از عواملی است که بیشترین بهره را از پیشرفت صنعت چاپ سه بعدی برده است. جراحی ارتوپدی سال ها است که از خدمات چاپ سه بعدی بهره می برد. یکی از بزرگترین چالش های یک جراح ارتوپد قرار دادن ایمپلنت در محل دقیق، با دقت بالا است. با توجه به این نکته که آناتومی و مشخصه های فیزیکی هر شخص منحصر به فرد بوده، استفاده از ابزار طراحی شده با توجه به فیزیک بیمار مزیت بالایی نسبت به استفاده از ابزار عمومی قابل تنظیم دارد. پیش از پیدایش چاپگرهای سه بعدی نیز جراحان در مواردی ابزار مورد نیاز بیمار خود را طراحی و با صرف زمان و هزینه بالا به شکل دستی می ساختند، اما اکنون با استفاده از فناوری چاپ سه بعدی نه تنها انجام این کار در کوتاه ترین زمان ممکن میسر است، بلکه هزینه های آن تا حدی کاهش یافته که دیگر نیازی به صرف هزینه های گزاف یا دسترسی به بیمه های سخاوتمند نیست. کاربرد چاپگرهای سه بعدی در ارتوپدی به چاپ ابزار جراحی محدود نمی شود و با استفاده از آنها می توان ایمپلنت لازم برای جایگزینی بافت استخوانی انسان را نیز تولید کرد. چند سالی است که استفاده از ایمپلنت های سه بعدی از مرحله آزمایشگاهی گذر کرده و تا به امروز استخوان های جمجمه، فک، شانه، لگن و زانوی بیماران بی شماری توسط ایمپلنت های چاپ شده جایگزین شده اند.
پژوهشگران موفق شده اند با استفاده از چاپگرهای سه بعدی به رویای تولید بافت و اندام انسانی نیز تحقق بخشند. برای انجام این کار ابتدا نیاز است یک داربست سلولی (اسکافولد) به صورت لایه لایه چاپ شده، سپس با استفاده از نوع دیگری پرینتر (چاپگر) که عملکردی مشابه پرینترهای جوهرافشان دارد، ترکیبی از سلول های زنده و نوعی ژل روی بستر آماده شده چاپ شود. پس از پایان یافتن این فرآیند ژل استفاده شده سرد و شسته می شود تا در نهایت داربست و سلول های کاشته شده روی آن باقی بمانند. ماده اولیه استفاده شده برای داربست سلولی که جوهر زیستی نام گرفته است، باید در درجه اول از نظر فیزیکی و شیمیایی بستر مناسبی برای تقسیم سلولی ایجاد کرده، علاوه بر این دارای زیست تجزیه پذیر نیز باشد تا مدتی پس از آنکه فرآیند پیوند با موفقیت انجام شد، درون بدن انسان تجزیه و بطور کامل با ساختار سلولی طبیعی بدن انسان جایگزین شود. تولید بافت زنده و پیوند آن به انسان هنوز در مرحله تست و آزمایش بوده و با چالش های فراوانی از جمله هزینه های گزاف روبرو است.
معماری
ماکت سازی نقطه شروع استفاده معمارها از چاپگرهای سه بعدی بود. در گذشته برای ساخت ماکت یک بنا با مقوا و فوم ساعت ها زمان نیاز بود. برای اصلاح یا ساخت نسخه دیگری از همان ماکت نیز باید همه چیز از اول شروع شده و همان مقدار زمان صرف می شد. مدت زمان طولانی ای است که معمارها با استفاده از چاپگرهای سه بعدی نمونه هایی بسیار دقیق از طرح مورد نظر خود را در زمانی بسیار کوتاه ساخته و در صورت نیاز دوباره اصلاح می کنند. چاپ سه بعدی در افزایش نوآوری و بهبود ارتباط با مشتری تاثیر بسزایی در معماری داشته است.
استفاده از چاپ سه بعدی در معماری به تولید ماکت یک بنا یا سازه محدود نمی شود. از اجزای داخل ساختمان گرفته تا خود بنا را می توان مدل سازی و چاپ کرده، سپس مورد استفاده قرار داد. با این فناوری بخش عمده اجزای سازنده یک بنا به صورت مجزا در کارگاه یا حتی سایت ساخت بنا چاپ شده، در نهایت به هم متصل می شود، استفاده از سازه های چاپ شده در معماری به بناهای ساختمانی محدود نیست و شامل سازه های با مقاومت بالا نیز می شود. در سال 2017 در کشور اسپانیا برای اولین بار پلی در یک پارک با استفاده از این فناوری چاپ و نصب شد و مورد بهره برداری قرار گرفت.
هنر
برخی از مردم تسلط کمتری در کار با دست دارند. استفاده از چاپ سه بعدی به همه کسانی که با مدل سازی سه بعدی آشنایی اولیه دارند، این امکان را می دهد که مجسمه یا حجم مورد نظر خود را بسازند. این صنعت در کار هنرمندان حرفه ای نیز تاثیر بزرگی گذاشته و آنها با استفاده از چاپ سه بعدی و ترکیب آن با فناوری اسکن سه بعدی می توانند با تمرکز روی خلاقیت، ایده های خود را پیاده سازی کرده و به فرم هایی دست پیدا کنند که در گذشته نه چندان دور بسیار سخت و حتی غیر ممکن بود. مجسمه سازی، جواهرسازی، مد و لباس از جمله هنرهایی هستند که از پیشرفت این فناوری تاثیر فراوانی گرفته اند.
انقلاب چاپگرهای سه بعدی به صنعت انیمیشن نیز راه یافته و بخصوص در ساخت استاپ موشن استفاده می شود. استاپ موشن یکی از تکنیک های انیمیشن سازی است که در آن یک جسم را فریم به فریم حرکت داده و تصویر آن را توسط دوربین ضبط می کنند. با کنار هم قرار دادن تصاویر گرفته شده و نمایش متوالی آنها جسم متحرک به نظر می رسد. انیمیشن خمیری یکی از تکنیک های ساخت استاپ موشن است که امروزه با جایگزینی مدل های سه بعدی چاپ شده در زمان کوتاه تر، با کیفیت بالاتر و هزینه کمتر ساخته می شود.
غذا و خوراکی
چاپ سه بعدی راه خود را در صنایع غذایی نیز باز کرده است. با استفاده از چاپگرهای سه بعدی می توان تکه های یک مجسمه زیبا و خوراکی را چاپ کرده و به عنوان مثال از آن برای تزئین کیک عروسی استفاده کرد. برای انجام این کار بدون استفاده از چاپ سه بعدی به شیرینی پزی ماهر با سال ها تجربه و زمانی بالا نیاز است. انواعی از غذا مانند پیتزا نیز که پس از چاپ به پخته شدن نیاز دارند، توسط چاپگرهای سه بعدی مخصوص قابل تولید هستند. Food Ink نام یک شرکت غذایی انگلیسی است که در لندن رستورانی به راه انداخته و در آن همه چیز؛ از میز و صندلی و دکور تا منو، غذای اصلی و دسر با چاپگرهای سه بعدی تولید می شود.
با توجه به رشد فزآینده جمعیت پیش بینی می شود تا سال 2050 نیاز است تولید مواد غذایی افزایش 50 درصدی داشته باشد. کاربرد چاپ سه بعدی در صنایع غذایی منحصر به تزئین و ارائه غذایی چشم نواز نیست و استفاده از این فناوری باعث صرفه جویی و کاهش دورریز مواد اولیه در فرآیند تولید غذا می شود. این کاهش دورریز به تنهایی برای حل بحران مواد غذایی در آینده کافی نیست و پژوهشگران در حال تلاش برای چاپ ریز جلبک ها هستند که منبعی طبیعی از پروتئین، کربوهیدرات، رنگدانه ها و آنتی اکسیدان ها بوده و به عنوان جایگزین مواد غذایی فعلی به شمار می روند. همچنین پیش بینی می شود در آینده بتوان با استفاده از چاپگرهای سه بعدی کالری، ویتامین و مکمل مورد نیاز هر فرد را در غذای او قرار داد.
چاپگرهای سه بعدی چگونه کار می کنند؟
روش FDM
برای ساخت مواد پلاستیکی به نازل، اکستروژن هدایت شده و با حرارت درون نازل ذوب می شود. نازل با حرکت افقی و عمودی لایه ای نازک را روی پلتفرم قرار می دهد. این لایه در مجاورت هوا سرد و سخت می شود. لایه های بعدی با همین روش روی هم قرار گرفته و در نهایت یک جسم سخت و یکپارچه را به وجود می آورند. از نمونه پلاستیک هایی که در این روش استفاده می شوند، می توان به ABS پلی کربنات اشاره کرد. سرعت چاپ در این روش بستگی به ابعاد و پیچیدگی جسم طراحی شده دارد و در مقایسه با سایر روش ها کندتر است.
روش SLA
در این روش که استریولیتوگرافی نامیده می شود، از نوعی پلاستیک مایع استفاده شده که در صورت قرار گرفتن در معرض تابش اشعه لیزر حالت جامد و سخت به خود می گیرد. سرعت چاپ و کیفیت در چاپگرهایی که از این روش استفاده می کنند، بسیار بالا بوده و با توجه به قیمت مناسب ماده اولیه از جایگاه مناسبی در صنایع برخوردار هستند. همچنین اکثر چاپگرهای شخصی موجود در بازار از این روش استفاده می کنند.
روش DLP
این روش نیز همانند روش SLA از رزین (پلاستیک مایع) و تابش اشعه استفاده می کنند. تفاوت این دو روش در این است که در DLP تابش اشعه به جای نقطه ای به صورت سرتاسری انجام می شود، قطعات از دقت بالاتری (بین 5 تا 50 میکرومتر) برخوردار بوده، سطح صاف تری بدست می آید و پیچیدگی طرح تاثیری در سرعت چاپ ندارد.
روش SLS
در این روش که به نسبت روش های یاد شده جدیدتر و پُر هزینه تر است، تابش اشعه لیزر باعث رسوب لایه ای از مواد اولیه می شود. مواد اولیه در روش SLS به پلیمر محدود نبوده و حتی می توان از آلیاژهای فلزی در آن استفاده کرد. SLS با توجه به تنوع مواد اولیه و دقت بالاتر در تهیه محصول نهایی کارآمد، موفق تر است.
فناوری های جدید همواره با شعار «ساختن دنیایی بهتر» معرفی می شوند. چاپ سه بعدی نیز از این قاعده مستثنی نیست. چاپ سه بعدی از زمان ظهور تا به امروز نه تنها سایر صنایع را تحت تاثیر قرار داده و روند پیشرفت در سایر فناوری ها را سرعت بخشیده، بلکه امید آن می رود که در آینده این فناوری در توسعه پایدار و حفظ محیط زیست نیز نقش بسزایی ایفا کند. استفاده از مواد اولیه قابل بازیافت و تجزیه پذیر در چاپ می تواند جایگزین مناسبی برای مواد پلاستیکی باشد. وزن محصولات ساخته شده با چاپگر سه بعدی تا 50 درصد سبک تر از مواد اولیه مشابه است که باعث کاهش هزینه های مالی و محیط زیستی حمل و نقل می شود. همچنین با وجود امکان تولید در محل می توان نیاز به حمل و نقل را به انتقال چاپگر و مواد اولیه محدود کرد.
منابع
مقاله علمی و آموزشی «کاربردهای پرینترهای سه بعدی»، نتیجه ی تحقیق و پژوهش، گردآوری، ترجمه و نگارش هیئت تحریریه پورتال یو سی (شما می توانید) می باشد. در این راستا مقاله مهیار علیزاده در مجله دانشمند، به عنوان منبع اصلی مورد استفاده قرار گرفته است.
