چاپگرهای سه بعدی چگونه کار می‌کنند؟

کارآمدی فناوری چاپ 3 بعدی تا جایی رسیده است که امروزه دانشمندان از آن به‌عنوان بهترین و کامل ترین راه برای کمک به علوم فوق پیشرفته نیز بهره می‌گیرند.

این روزها چاپگر‌های 3 بعدی (3D printer) در دنیا کولاک کرده‌اند. البته هنوز مانده تا به آن عصر طلایی رویایی فناوری که همه انتظارش را داشتند، برسیم. اما سرعت برق‌آسای پیشرفت پرینتر‌های 3 بعدی زمینه‌ساز یک سری از کارآمدترین فرایندهای صنعتی را فراهم ساخته که مردم امروزه از آنها بهره می‌برند.

این همه سر و صداها به‌خاطر تولید سریع و آسان محصولات نیست، بلکه هموار شدن راه ساخت نمونه‌های اولیه (prototyping) در کوتاه ترین زمان ممکن این امکان را به مهندسان داده که قادر باشند تا با صرف چند ساعت وقت، مشکلات طراحی محصول را پیش از تولید بررسی کرده و پیش از تولید محصول ایرادهایی را رفع کنند که پیش از این برای پی بردن به آن باید هفته‌ها وقت می‌گذاشتند. حالا چاپ سه بعدی (3D printing) راه خود را به بیشتر بیمارستان‌ها و لابراتوارهای تحقیقاتی باز کرده است.

اما ابتدا ببینیم که فناوری پرینت 3 بعدی چگونه کار می‌کند؟

ابتدا به سراغ مسایل اساسی برویم. همه چاپگرهای 3 بعدی امروزی به جای ساختن یکباره اجسام، بر اساس افزودن لایه لایه تدریجی ماده اولیه و به عبارتی خلق یک جسم از هیچ، پایه گذاری شده‌اند. این کار از برخی جهات مشابه مجسمه‌سازی است که شما از روی یک نمونه کاری را می‌سازید. اخیرا چاپگرهای 3 بعدی به بازار آمده‌اند که می‌توانید با آنها بر روی اجسام تازه پرینت شده حکاکی نیز بکنید. تفاوت چاپ 3 بعدی با مجسمه‌سازی در همین مورد است که شما در این هنر دستی از مزایای فناوری افزودن تدریجی ماده اولیه در ساخت اجسام برخوردار نیستید. چاپ 3 بعدی با ساخت اجسام به صورت لایه لایه یک شئ توخالی یا اشیائی با حلقه‌های پیچیده را ایجاد می‌کند. این تولیدات می‌توانند از شکلی بسیار ساده تا اشکالی پیچیده داشته و یا توپر و حتی به شکل یک سری اجسام هندسی با طرحی مشابه باشند.

انواع فناوری چاپ 3 بعدی

در حال حاظر فقط چند نوع فناوری چاپ 3 بعدی با روش تولید افزایشی در صنعت به کار برده می‌شود. اگر چه تنوع ظاهری زیادی بین نمونه‌های اولیه چاپگرهای 3 بعدی و نمونه‌های تولیدی آنها وجود دارد. هر کدام از آنها نقط ضعف و قوت خود را دارند. اما حتی فناوری‌های قدیمی مانند برآمده سازی از طریق ساده‌گرایی محض و کم هزینه بودن مدتی طولانی است که در بازار جا افتاده‌اند.

پدر بزرگ همه فناوری های چاپ 3 بعدی را باید برجسته سازی (stereolithography) یا SLA دانست. این تکنیک بر اساس سیستم لایه بندی است که با استفاده از لایه‌ها، بخش‌هایی از ماده اولیه مایع را تو پر کرده و استقامت می‌بخشد. پلتفورمی که بر اساس ماده اولیه فلزی است، مدل ساخته‌شده را در یک ماده فوتو پلیمر فرو برده و یک لایه اسکلت ضخیم داخلی که می‌تو‌اند از چند الی دهها میلی‌متر ضخامت داشته باشد بین فضای خالی مرکزی و سطح جسم ایجاد می‌کند. در این فر‌آیند یک لیزر فرابنفش وظیفه ردگیری و تشخیص نحوه تشکیل صحیح شکل لایه داخلی را به‌عهده دارد. به‌طوری‌که با هر جا تماس پیدا کند، آن بخش توپر از جسم را سخت می‌کند. سپس پلتفورم ضخامت لایه بعدی را که تشکیل می شود، کاهش می‌دهد. یک فیلم نازک از جنس فوتو پلیمر بر پوشش سطح جسمی که لایه لایه در حال تشکیل است کشیده شده و به همین طریق،‌ لیزر لایه بعدی را بر بالای لایه پیشین سخت می‌کند. این روش بهترین راه چاپ 3 بعدی نیست اما فعلا کارآمد‌ترین راه برای چاپ کردن اشیاء به‌صورت 3 بعدی است. به هر حال به این شیوه می‌توان اجسام جالبی مانند اشیاء سرامیکی را با کمترین هزینه ساخت.

با پا به میدان گذاشتن این فن‌آوری‌های چاپ 3 بعدی توفان واقعی چاپگرهای 3 بعدی از بازار تولیدات انبوه صنعتی آغاز شد. فناوری برآمده‌سازی ورقه‌ای (extrusion deposition) که ساده‌ترین فرم چاپ 3 بعدی جهت تجسم بخشیدن به اشیاء است و در آن یک سر لوله ظریف روباتیک دقیقا مانند یک چسب تفنگی قابل کنترل عمل کرده و پلاستیک مذاب با فشار از دهانه‌اش خارج شده و اجسام را شکل می‌دهد. در برخی روش‌ها پلاستیک سازنده شیء در مجاورت هوا سخت می‌شود. در شیوه‌های دیگر چاپ 3 بعدی پلاستیک مایع در موقع خروج از سر لوله با مواد واسطه سخت کننده مخلوط می شود. در مواقعی که هدف ایجاد یک لایه سخت روی لایه‌های زیرین جسم چاپ شده باشد، در صورتی‌که لایه سخت رویی به اندازه کافی نازک بوده و به‌طور صحیح لایه‌های زیرین را پوشش دهد، قادر است اجسامی با سطوح واقعا صاف و صیقلی مانند محصولات پلاستیکی تولید شده با روش‌های سنتی پلاستیک تزریقی در قالب توسط فشار دستگاه پرس را به ما ارائه دهد.

البته در صورتی‌که بخواهیم چاپ 3 بعدی را با مواد جدید و گوناگون تحقیقاتی مانند مواد فوق‌العاده مقاوم انجام دهیم، ما به روش‌هایی به مراتب بهتر از چسب تفنگی قابل کنترل فوق پیشرفته نیاز داریم.

روش لیزر انتخابی موجدار (Selective laser sintering) یا SLS پاسخ مناسبی برای این تقاضا است. این روش شامل آزاد کردن ابری از ماده سازنده در فومی که مایع یا جسم بصورت گرد و گاز در هوا معلق می‌سازد خواهد بود با دمیدن یک اسپری کوچک از ماده اولیه در ناحیه‌ای که ما می‌خواهیم در آنجا جسم را شکل دهیم،‌ یک جریان انفجاری لیزر این مولکول‌های ماده اولیه را که معمولا از جنس فلز است، مانند بلور متورم ساخته و به یکدیگر پیوند می دهد تا شکل مورد نظر ما را به جسم تبلور ببخشد. نوع فوق‌العاده پیشرفته‌تر این فناوری که لیزر انتخابی ذوب کننده (Selective Laser melting) یا SLM نامیده می‌شود، به جز این مورد که لیزر را به منظور پیوند دادن مولکول‌های اضافی ماده به جسم در حال تبلور، عینا مشابه روش پیشین عمل می‌کند. دستگاه‌های SLM ذرات ماده اولیه سازنده جسم را که از جنس گلوله‌های فلزی کاملا گداخته هستند را کاملا ذوب کرده و ماده اولیه نهایی فوق‌العاده متراکم‌تر و سخت‌تری را ‌جهت پرینت 3 بعدی ارائه می‌دهد.

روش‌های تخصصی‌تری نیز برای چاپ 3 بعدی در بازار موجود است و برای نمونه می‌توان فیبر کربن را مثال زد که حاصل آن می‌تواند قطعاتی فوق‌العاده مقاوم و با تراکم ماده داخلی پایین باشد. این نوع مواد اولیه ساخت خاص ترکیبی جهت ساخت قطعاتی که با فناوری بالا اما نه لزوما آن‌طور پیشرفته و از نظر قیمت ارزنده، به‌کار برده می‌شوند. امروزه یک فرد علاقمند می‌تواند با صرف مبلغ 5000 دلار می‌تواند قطعاتی را با استفاده از فیبر کربن پرینت کند که از بسیاری جهات بهتر از اجسام پرینت شده با ماده اولیه فلزی است.

کاربرد و آینده چاپ 3 بعدی

اما در دنیای کاربردی و صنعت هواپیما سازی شرکت‌هایی مانند ایرباس هزاران که از قطعات فوق سبک هواپیماهای جت خود را با استفاده از روش چاپ 3 بعدی با ارزان‌ترین قیمت تمام شده تولید می‌کنند. در امور پزشکی نیز متخصصین امر اندام‌های مصنوعی و قطعات مورد نیاز قالبریزی شده را برای مریض‌ها در اسرع وقت تولید می‌کنند. امروزه بیشتر کارخانه‌ها و شرکت‌های کوچک طراحی و تولیدی نیز حداقل به یک دستگاه چاپگر 3 بعدی کوچک مجهز هستند تا بتوانند با استفاده از آن طرح‌ها و ایده‌های خود را چاپ کرده و از زوایای مختلف بررسی کنند.

کارآمدی فناوری چاپ 3 بعدی تا جایی رسیده است که امروزه دانشمندان از آن به‌عنوان بهترین و کامل ترین راه برای کمک به علوم فوق پیشرفته نیز بهره می‌گیرند. در علوم پزشکی و زیستی نام بایو پرینت (bioprinting) یا چاپ زیستی بر آن اطلاق می‌شود. این روش انقلابی در ساخت اعضای مختلف زنده بدن جهت پیوند از طریق رشد دادن سلول‌های بنیادی بدن در علوم زیستی- پزشکی به راه انداخته است. چاپگرهای جدید از این نوع قادرند تا یک محفظه مصنوعی رحم مانند از جنس پلیمر سخت که با مواد مغذی و سلول‌های بنیادی پوشش داده شده بسازند تا بتوانند اعضای بدن را آنچنان که در رحم مادر و بدن جنین رشد می‌یابند، رشد دهند.

همچنین فناوری‌‌های SLS و SLM در سازمان فضایی آمریکا (NASA) جهت ساخت قطعاتی که در عملیات‌های اکتشافی فضایی نیز به‌کار برده می‌شوند. هدف نهایی این است که با بردن چاپگرهای 3 بعدی به فضا کل وسایل و قطعات مورد نیاز ماموریت‌های فضایی و حتی رهنوردها، فضاپیماها و پایگا‌ه‌های فضایی را در خود فضا چاپ و سرهم کرده و جهت اجرای ماموریت خود مورد استفاده قرار دهند تا دیگر زحمت و هزینه سنگین ارسال و نقل و انتقال تجهیزات سنگین را متحمل نشوند. این کار تا جایی پیش رفته که حتی می‌خواهند با آمیختن غبار‌ سطح ماه یا مریخ با ماده‌ای چسب مانند و با به‌کار بردن نوعی چاپگر 3 بعدی بر روی این سیارات سازه‌هایی جهت اسکان جمعیت‌های انسانی برای استفاده در آینده بسازند. آنها تا جایی پیش رفته‌اند که قصد دارند تا این ساز‌ه‌های عظیم را که فناوری آن اسپایدر فب (SpiderFab) نامیده‌ می‌شود را مستقیم در خلائی که در فضا وجود دارد به‌وسیله چاپ 3 بعدی ایجاد کنند. امروزه ما قادریم از روبات‌های نرم و سیال گرفته تا اجسام پویا در طول زمان (dynamic over time) را با پرینترهای 3 بعدی چاپ کنیم.

منبع: جام جم آنلاین

بیشتر بخوانید:

ببینید| ساخت اولین ساختمان با چاپ سه بعدی در آلمان

تماشاخانه

کشف یک روستای ۶ هزار ساله در منطقه ۲۰ تهران / اسکلت یک دختر ۱۶ ساله با جمجه‌ای عجیب هم پیدا شد که کف خانه دفن شده بود (فیلم)