پرینتر سه بعدی چیست و چگونه کار می کند؟

وجود یک پرینتر سه بعدی که بتواند یک تصویر را به‌صورت یک شی سه بعدی به چاپ برساند، در عصر تکنولوژی چیز عجیبی نیست؛ اما این پرینتر‌ها چگونه کار می‌کنند؟

پرینتر سه بعدی وسیله‌ای است که کمک می‌کند یک طرح به صورت یک جسم جامد به چاپ برسد. اولین پرینتر سه بعدی که به بازار عرضه شد، در اواسط دهه 1990 و توسط Stratasys با کمک IBM ساخته شده است. حالا پس از گذشت سال‌ها، پرینتر‌های سه بعدی پیشرفت‌های چشم‌گیری داشته‌اند و می‌توانند تقریباً هر طرحی را به یک جسم فیزیکی تبدیل کنند؛ اما تا به حال فکر کرده‌اید که این پرینتر‌ها چطور کار می‌کنند؟

در این مطلب به این می‌پردازیم که پرینتر سه بعدی چیست و چه کاربردها و مزایایی دارد. پس با ما همراه باشید.

آنچه در این مقاله می‌خوانید:

• پرینتر سه بعدی چیست؟
• طرز کار پرینتر سه بعدی
• انواع چاپگر‌های سه بعدی
• پرینتر سه بعدی چه کاربردی دارد؟
• مزایای استفاده از پرینتر سه بعدی چیست؟
• آینده پرینتر‌های سه بعدی

پرینتر سه بعدی چیست؟

پرینت سه بعدی در اصل فرآیندی است که در آن به کمک نرم افزار‌های کامپیوتری و یا اسکن سه بعدی، مواد به صورت لایه به لایه بر روی هم چیده می‌شوند تا یک شی سه بعدی ساخته شود. به این فرآیند علاوه بر پرینت سه بعدی، ساخت افزایشی هم می‌گویند.

چاپگر‌های سه بعدی، انواع مختلفی دارند که در ساخت آن‌ها از موادی مانند پلاستیک یا فلز استفاده شده است. آن‌ها با کمک تکنیک‌های متفاوتی، توانایی تبدیل فایل‌های دیجیتالی به داده‌های سه بعدی را کسب کرده‌اند. فرقی نمی‌کند که این فایل‌ها همان لحظه به کمک کامپیوتر طراحی شده باشند یا یک فایل آماده در کامپیوترتان داشته باشید و یا حتی با کمک یک دستگاه اسکنر سه بعدی، اسکن شده باشند؛ در هر صورت چاپگر‌های سه بعدی، این فایل‌ها را به اجسام فیزیکی تبدیل خواهند کرد.

امروزه از پرینت سه بعدی برای ساختن انواع ماکت، تندیس، سردیس، مجسمه‌سازی، طلاسازی و تجهیزات پزشکی و بسیاری موارد دیگر که در ادامه بیشتر در موردشان خواهیم گفت مورد استفاده قرار می‌گیرد.

طرز کار پرینتر سه بعدی

طرز کار پرینتر سه بعدی کمی پیچیده است؛ اما این چاپگر‌های سه بعدی دقیقاً مانند همان پرینتر‌های سنتی، از تکنولوژی و فناوری‌های متنوعی استفاده می‌کنند. مهم‌ترین تفاوت این تکنولوژی‌ها در روش‌های مختلفی است که برای ساخت لایه‌ها استفاده می‌کنند تا شی نهایی، شکل بگیرد. پرینتر‌های سه بعدی برای ایجاد یک جسم فیزیکی از تکنولوژی‌ها و مدل‌سازی‌های متنوعی استفاده می‌کنند؛ اما یک چیز در همه آن‌ها ثابت است. همه این فناوری‌ها و مدل‌سازی‌ها با کمک یک منبع تغذیه، برخی رسوبات ذوب‌شده را به صورت لایه به لایه بر روی هم چیده و به شکل جسم مورد نظرشان در می‌آورند.

پرینتر سه بعدی، سه محور آزاد حرکت دارد که در حول طول، عرض و ارتفاع در حرکت هستند. آن‌ها ابتدا رسوبات یا مواد مصرفی خود را ذوب کرده و بعد به وسیله نازل خود به صورت لایه‌های ذوب شده در کنار هم قرار می‌دهند. لایه‌های کنار هم، به یکدیگر متصل شده و شروع به ساختن شکل و طرح موردنظر می‌کنند. حالا مرحله به مرحله در طول محور ارتفاع دستگاه، بالا می‌آیند تا به پایان برسد و شکل مورد نظر تکمیل شود.

می‌توان عملکرد پرینترهای سه بعدی را به ساختن یک دیوار آجری تشبیه کرد. همانطور که در ساخت دیوار،  آجر‌ها بر روی یکدیگر چیده می‌شوند و بر روی آن‌ها ملات ریخته می‌شود و در ردیف بعد مجددا آجر می‌چینند، در ساخت اجسام فیزیکی از روی یک فایل هم همین اتفاق می‌افتد. رسوبات و مواد به کمک یک منبع تغذیه ذوب‌شده و لایه به لایه، به طور معنا‌داری بر روی هم چیده می‌شوند. این مواد ذوب شده خیلی زود تبدیل به جامد می‌شوند. از چیدمان این لایه‌ها بر روی هم، شی موردنظر در ابعاد و حجم موردنظر به شکل جامد ایجاد خواهد شد.

انواع چاپگر‌های سه بعدی

تکنیک‌های پرینت سه بعدی برای چندین دهه است که مورد استفاده قرار می‌گیرند؛ اما حوالی سال 2009 بود که نقطه عطفی در این صنعت رخ داد؛ زمانی که با یک فناوری جدید، امکان یک نسخه قابل چاپ برای مصرف‌کننده هم ایجاد شد. در ادامه انواع پرینتر سه بعدی را به اختصار معرفی خواهیم کرد.

پرینتر سه بعدی با مدل‌ سازی انباشت فیوژن (FDM)

این فناوری که به تکنولوژی FDM یا (Fused Deposition Modeling) معروف است، معروف‌ترین مدل‌سازی در بین پرینتر‌های سه بعدی است. در مدل‌سازی انباشت فیوژن، از موادی با قابلیت ذوب شدن برای تولید لایه‌ها استفاده می‌شود؛ یعنی در این روش مواد پلاستیکی، ذوب شده و به وسیله نازل روی هم قرار می‌گیرند تا لایه‌های مختلف تولید شوند. این اختراع خیلی زود در دسترس عموم قرار گرفت و باعث شد دستگاه‌های پرینت سه بعدی با قیمت‌های مقرون‌به‌صرفه‌تری عرضه شوند. این نوع چاپگرها در اندازه‌های مختلفی عرضه می‌شوند.

پرینتر سه بعدی استریولیتوگرافی (SLA)

این چاپگر‌های سه بعدی به لحاظ فنی، اولین دستگاه‌های پرینتر سه بعدی هستند که از دهه 1980 شروع به کار کردند. در این فناوری هم برای تولید یک شی جامد، از یک مایع واکنش‌پذیر مانند رزین استفاده می‌کنند. در تکنولوژی SLA برای ساختن لایه‌های شی، از لیزر فرابنفش و اشعه ماورای‌بنفش مایع استفاده می‌شود. SLA به نسبت FDM، جزئیات بیشتری را پوشش می‌دهد؛ اما روند کار آن هم پیچیده‌تر است.

پرینتر سه بعدی لیزر انتخابی (SLS)

برخی از پرینتر‌های سه بعدی از فناوری SLS استفاده می‌کنند. این پرینتر‌ها از یک نوع منبع تغذیه مثل یک لیزر پر‌قدرت، برای ادغام مواد اولیه استفاده می‌کنند تا شی‌ای جامد و سه بعدی ایجاد کنند. مواد اولیه برای پرینتر سه بعدی SLS معمولاً به شکل مخلوطی از ذرات و پودر‌های سرامیک، فلز، پودر شیشه و پولیمر‌ها هستند.

پودر‌ها به سرعت در هم ریخته و به لایه‌های مناسب تبدیل می‌شوند تا شکل مورد نظر را ایجاد کند. این فناوری را می‌توان به عنوان یکی از پر‌کاربرد‌ترین مدل‌های پرینتر سه بعدی نام برد. اشیائی که با پرینتر سه بعدی SLS ساخته می‌شوند، معمولاً از استحکام بالایی برخوردارند و می‌توانند اجسام هندسی با پیچیدگی‌های متفاوت را هم ایجاد کنند. این نسخه صنعتی پرینتر سه بعدی، برای تولید انبوه قطعات کاربردی و یا نمونه‌های اولیه بسیار مفید است.

چاپ فلز

در این نوع چاپگر‌های سه بعدی، از انواع چاپی مانند ذوب با لیزر انتخابی (SLM) و یا ذوب با پرتو الکترونی (EBM) و حتی از تکنیک‌های جوش برای ایجاد اشیاء استفاده می‌شود. این پرینتر سه بعدی با افزودن لایه‌هایی از پودر فلز با دقت باور نکردنی‌ای، می‌تواند هر طرحی را پیاده‌سازی کند. این نوع چاپگر سه بعدی به لیزر‌های قدرتمند و محیط کاملاً کنترل شده نیاز دارد؛ بنابراین معمولاً در جایی به جز کارگاه‌های تولیدات صنعتی دیده نمی‌شود.

پرینتر سه بعدی چه کاربردی دارد؟

این روز‌ها در‌واقع پیدا کردن جایی که تحت‌تأثیر خدمات پرینتر سه بعدی قرار نگیرد واقعاً دشوار است. کلیه فرآیند‌های تولید در سرتاسر جهان، تکنیک‌های چاپ سه بعدی را برای کمک به حل مشکلات و بهبود بهره‌وری به کار گرفته‌اند. بسیاری از کارگاه‌ها و خط تولید‌هایی که با مشکلاتی مواجه می‌شوند هم به راحتی می‌توانند با کمک پرینتر سه بعدی، مشکلات کارگاه‌شان را برطرف کنند. اگر خدمات چاپ سه بعدی در تولید انبوه مورد استفاده قرار بگیرند، قیمت‌های آن حوزه پایین‌تر می‌آید. در ادامه چند مورد از موارد باور‌نکردنی که در آن‌ها از پرینت سه بعدی استفاده می‌شود را بررسی خواهیم کرد.

کفش

شرکت‌هایی مانند Feetz و 3D Shoes با استفاده از انتخاب‌های سفارشی‌سازی پرینتر سه بعدی، کفش‌های خود را تولید می‌کنند. به زودی برند‌های بزرگتر هم از این تکنولوژی استفاده خواهند کرد.

خانه‌ها

بله، حقیقت دارد. دنیای فناوری به‌قدری وسعت یافته که امروزه شاهد ساختن خانه‌ها به وسیله پرینتر‌های سه بعدی هستیم. Apis Ctor خانه‌ای را ساخته که در عرض 24 ساعت قابلیت چاپ دارد. در این مقاله می‌توانید در مورد خانواده‌ای که در یک خانه ساخته شده با پرینتر سه بعدی زندگی می‌کنند بیشتر بخوانید. در این مقاله هم می‌توانید با ربات پرینتری که در 8 ساعت یک خانه می‌سازد آشنا شوید.

وسایل مربوط به خدمات درمانی

بیشتر موارد مصرفی که در مراقبت‌های بهداشتی یکبار مصرف مورد استفاده قرار می‌گیرند، مانند لیوان‌های نمونه‌گیری، اغلب توسط سیستم‌های پرینتر سه بعدی تهیه می‌شوند. در دنیای پروتز هم از پرینتر سه بعدی برای ایجاد پروتز‌های سفارشی برای بدن و نیاز‌های منحصربه‌فرد استفاده می‌شود. بسیاری از سیستم‌های پیشرفته حتی قادر هستند که پیوند‌های سه بعدی پوستی که از جوهر بیولوژیکی ساخته می‌شوند را ایجاد کنند.

‌‌سفارش‌های شخصی

فرقی ندارد که در خانه باشید و یا محل کار؛ همیشه شرکت‌هایی هستند که در زمینه پرینت سه بعدی فعالیت می‌کنند و می‌توانید به صورت آنلاین، اشیاء مورد نیاز خود را به آن‌ها سفارش دهید.

مجموعه طراحی صحنه‌ های تئاتر

چاپگر سه بعدی می‌تواند روند طراحی، ساخت و حتی پیش‌ساخت پرده‌های نمایش، زیرساخت‌ها و طراحی صحنه تئاتر و دیگر نمایش‌ها را بهبود ببخشد. این امر باعث شده که پرینتر سه بعدی بتواند خیلی زود جای خودش را به عنوان روشی بسیار ارزان‌تر و سریع‌تر در ساخت صحنه‌های بسیار خاص و بکر برای نمایش‌ها و تئاتر‌های امروز باز کند. تصور کنید که ساخت یک چیز عجیب و جدید ولی قابل استفاده چقدر می‌تواند ساده‌تر باشد وقتی که می‌توانید آن را خودتان طراحی، ترسیم و حتی گاهی برنامه‌نویسی کنید و درنهایت آن را به چاپ رسانده و از آن استفاده کنید.

مزایای استفاده از پرینتر سه بعدی چیست؟

به لطف فناوری چاپ سه بعدی، طراح‌ها این توانایی را کسب کرده‌اند که به سرعت مفاهیم را به مدل‌های سه بعدی یا نمونه‌های اولیه تبدیل کرده و این تغییرات را خیلی سریع طراحی و پیاده‌سازی کنند. به این صورت این امکان به تولیدکنندگان داده می‌شود تا محصولات خود را بر حسب تقاضا و نه براساس مقیاس‌های بزرگ تولید کنند. این کار تاثیر مثبتی بر مدیریت موجودی و کاهش فضای انبار‌ها خواهد گذاشت و دیگر نیازی به ایجاد سوله‌ها و انبار‌های بزرگ در مسیر‌های دور نخواهد بود.

چاپ سه بعدی به لحاظ علمی می‌تواند در مقابل تکنیک‌های کاهنده، موجب صرفه‌جویی در هزینه و مواد شود؛ زیرا مواد اولیه بسیار کمی در این روش تلف می‌شوند. به نظر می‌رسد در آینده نزدیک ماهیت تولید، تغییر پیدا کرده و درنهایت به مصرف‌کنندگان این امکان داده شود که خیلی راحت فایل‌هایی را برای چاپ سه بعدی اشیای پیچیده، مانند وسایل الکترونیکی در خانه‌های خود بارگیری کنند.

آینده پرینتر‌های سه بعدی

به نظر می‌رسد در آینده نه چندان دور، انواع چاپگر‌های سه بعدی علاوه بر صنعت و کارگاه‌های تولیدی، به راحتی در دسترس خانه‌ها و مشاغل کوچک هم قرار خواهند گرفت؛ البته هنوز هم موارد بیشماری وجود دارند که احتمالا روند ساخت و سازشان در چند سال آینده تغییر کرده و برای ایجاد آن‌ها از پرینتر سه بعدی استفاده شود.

هنگامی که استفاده از چاپگر‌های سه بعدی در خانه‌ها هم متداول شود، در میز کار، استودیو‌ها، دفتر کار و حتی در آشپزخانه‌ها هم می‌توانید پرینتر سه بعدی را ببینید. البته بدیهی است که احتمالاً در هر خانه‌ای یک پرینتر سه بعدی نخواهید یافت؛ اما هر جایی که به این چاپگر‌ها نیازی باشد، قابل دسترسی خواهند بود. به نظر می‌رسد در آینده نزدیک با داشتن یک پرینتر سه بعدی در خانه، حتی اگر کنترل تلوزیون یا ریموت ماشین‌تان را گم کردید هم به راحتی می‌توانید یکی دیگر برای خودتان چاپ کنید.

مطمئناً پرینت سه بعدی در فضا هم جایگاه مناسبی کسب خواهد کرد. حتی ناسا در حال آزمایش چاپگر‌های سه بعدی بر روی ایستگاه فضایی بین‌المللی خود است. امید می‌رود که سرانجام بتوان از پرینتر‌های سه بعدی برای ایجاد زیستگاه مناسب در مریخ و سایر کره‌های موجود در منظومه شمسی هم استفاده کرد. وجود پرینتر سه بعدی در پایگاه‌های قطب جنوب و سایر مکان‌های راه دور، چه در کره زمین و چه در ماموریت‌های فضایی، الزامی به نظر می‌رسد. به این صورت دیگر در همان مکان‌هایی که کارشناسان یا حتی فضانوردان برای جایگزین کردن قسمت‌های اساسی یا ابزار‌های مورد نیازشان، دچار مشکل شده و در شرایط عادی باید شش ماه منتظر می‌ماندند تا قطعه مورد نیازشان تأمین شود، دیگر نیازی به صبر نیست و به‌راحتی می‌توانند یک نمونه از قطعه مورد نظر خود را چاپ کنند.

در سال‌های اخیر شاهد استفاده‌های جالب و جدیدی از پرینتر سه بعدی بودیم. اگرچه در حال حاضر هم امور زیادی هستند که روند انجامشان به کمک پرینتر سه بعدی تسهیل یافته است؛ اما هنوز جای پیشرفت‌های بیشتر و بیشتر در این صنعت به چشم می‌خورد. مطمئناً خدمات پرینتر سه بعدی تنها به کاربرد‌های پزشکی و دندانپزشکی، چاپ سه بعدی با پروتز، سمعک و موارد مکانیکی محدود نمی‌شود و استفاده‌های زیادی می‌توان از آن‌ها کرد. شاید همانطور که تا قبل از سال 1980 کسی نمی‌توانست تصور کند روزی بتوان یکی از طراحی‌های داخل کامپیوتر را به یک شی فیزیکی تبدیل کرد، امروز هم تصور کار‌هایی که در آینده می‌توان با این فناوری انجام داد، همانقدر بعید باشد. به نظر شما چه کار‌های دیگری می‌توان با پرینتر سه بعدی انجام داد؟