چاپگر سه بعدی چیست و چه کاربردی دارد؟ طرز کار پرینترهای سه بعدی چگونه است؟

یک پرینتر سه بعدی دقیقا چگونه عمل می‌کند؟

چاپ سه بعدی فرصت‌های بی سابقه‌ای را برای تولید انواع گوناگون محصولات رقم زده است. این تکنیک یک روش تولید متنوع و نمونه‌سازی سریع است که در طی چند دهه گذشته موج عظیمی در صنایع مختلف سراسر جهان به پا کرد.

نوشته مرتبط: راهنمای خرید پرینتر سه بعدی

پرینت سه بعدی در واقع جزئی از مجموعه‌ی فناوری‌های تولید، بنام ساخت افزایشی‌ست. که همان اضافه کردن مواد به صورت لایه به لایه برای ایجاد یک شی است. از ساخت افزایشی در طول تاریخ، به نام‌های مختلفی چون استریولیتوگرافی، لایه‌بندی سه بعدی و چاپ یا پرینت سه بعدی یاد شده است؛ که چاپ سه بعدی شناخته شده ترینشان است. یکی از مزایای اصلی چاپ سه بعدی این است که نمونه برداری سریع از تقریبا تمام اشیا را ممکن ساخته‌ است.

مروری بر عملکرد یک چاپگر سه بعدی

فرآیند چاپ سه بعدی با ایجاد یک مدل گرافیکی از شی مورد نظر آغاز می‌شود. این مدل‌ها با استفاده از بسته‌های نرم‌افزاری موسوم به CAD یا همان «Computer-Aided Design» طراحی می‌شوند. این مرحله در واقع پرکارترین بخش این فرآیند است. برنامه‌هایی که به این منظور استفاده می‌شوند شامل: «TinkerCAD» ،«Fusion360» و «Sketchup» است.

برای محصولات پیچیده، این مدل‌های گرافیکی طراحی شده به‌شدت از نظر شباهت با شی مورد نظر سنجیده می‌شوند تا نواقص احتمالی رفع شود. اما برای اشیا پیچیده‌ای که صرفا جنبه‌ی تزئینی دارند، این مسئله از اهمیت کمتری برخوردار است.

بعد از طراحی، نوبت برش دیجیتالی مدل گرافیکی‌ برای چاپ است. برش دیجیتالی یک مرحله‌ی حیاتی برای پرینترهای سه بعدی‌ محسوب می‌شود؛ زیرا این چاپگرها نمی‌توانند یک مدل سه بعدی را مانند انسان ایده‌پردازی کنند. در این فرآیند مدل به لایه‌های مختلف تقسیم می‌شود، سپس طرح هر لایه به ترتیب به چاپگر فرستاده می‌شود تا در نهایت لایه‌ها ساخته شوند و روی هم قرار گیرند. فرآیند برش «Slicing» با اسلایسرهای خاصی مانند «CraftWare» یا «Astroprint » انجام می‌شود. این اسلایسرها همچنین با ایجاد یک ساختار مشبک در داخل مدل‌های جامد، یک «fill» ایجاد می‌کنند. fill در واقع برای پایداری بیشتر محصول است و این نقطه‌ قوتی برای پرینترهای سه بعدی‌ست.

چاپگرهای سه بعدی قادر به پرینت مواد بسیار محکم و با تراکم بسیار پایین هستند و این کار را از طریق اضافه کردن پاکت‌های هوا درون محصول نهایی انجام می‌دهند.

بعد از اینکه اسلایسر کارش به پایان رسید، داده‌ها برای مرحله آخر به چاپگر ارسال می‌شوند.

از اینجا به بعد چاپگر سه بعدی کارش شروع می‌شود. بسته به دستورالعمل خاصی که اسلایسر به چاپگر سه بعدی می‌دهد، چاپگر با استفاده از روش‌های مختلف چاپ را آغاز می‌کند. به‌عنوان مثال:

• چاپ سه بعدی مستقیم

از فناوری مشابه فناوری جوهرافشان استفاده می‌کند. در این نوع چاپ، نازل به سمت جلو وعقب و بالا و پائین حرکت می‌کند و موم‌های ضخیم یا پلیمرهای پلاستیکی را توزیع می‌کند. سپس این مواد منسجم می‌شوند. برای مدل‌سازی سریع‌تر، از تکنیک Multi-Jet استفاده می‌شود که در آن از ده‌ها jet که به طور همزمان کار می‌کنند استفاده می‌شود.

• چاپ سه بعدی اتصال‌دهنده

در این نوع جاپ نازل‌های جوهرافشان با ترکیب پودر خشک ریز و چسب مایع یا اتصال‌دهنده به همدیگر، لایه‌های مدل را تشکیل می‌دهند. چاپگرهای اتصال‌دهنده برای تشکبل هر لایه دوبار روی صفحه گذر می‌کنند. در گذر اول یک لایه نازک از پودر و در گذر دوم، چسب را بر جای می‌گذارند.

• چاپ سه بعدی فتوپلیمریزاسیون

در فتوپلیمریزاسیون قطرات پلاستیک مایع تحت تاثیر پرتو ماورابنفش به حالت جامد در می‌آیند.

• چاپ سه بعدی پخت لیزر انتخابی

شامل ذوب کردن مواد اولیه و ادغام آنها با هم برای ایجاد لایه‌هاست. تکنیکی مبتنی بر لیزر است که ابتدا پودرهای پلاستیکی را ذوب کرده، سپس با منسجم کردن آنها، لایه‌ها را می‌سازد. برای ساختن اشیا فلزی می‌توان از این تکنیک استفاده کرد.

فرآیند چاپ سه بعدی بسته به سایز و پیچیدگی شی نهایی ممکن است ساعت‌ها و یا حتی روزها به طول بینجامد.

• چاپ سه بعدی Carbon M1

از تکنولوژی‌های سریعی‌ست که در صنعت از آن استفاده می‌شود. لیزر به بستری از مایع تابیده می‌شود و پرینت سه بعدی را انجام می‌دهد. اگرچه این نوع پرینترها سرعت بالایی را تجربه می‌کنند اما بسیار پیچیده‌ و گران‌ هستند و تاکنون فقط از پلاستیک به‌عنوان ماده‌ی اولیه مصرفی استفاده می‌کردند.

اینکه از کدام چاپگر سه بعدی استفاده می‌کنید بستگی به اهدافتان دارد؛ مهم این است که روند کلی چاپ در همه‌ی آن‌ها یکسان است.

7 مرحله‌ی زیر را به خاطر داشته باشید:

1. ابتدا باید یک مدل سه بعدی با استفاده از نرم‌افزار CAD تهیه کنید.
2. مدل طراحی‌شده را به قالب استاندارد STL یا «standard tessellation language» تبدیل کنید. بیشتر پرینترهای سه بعدی علاوه بر فایل‌های ZPR و ObjDF از فایل‌های STL نیز استفاده می‌کنند.
3. سپس فایل STL را به کامپیوتری که پرینتر سه بعدی را کنترل می‌کند بفرستید. بعد از آن اندازه و جهت چاپ را تعیین کنید.
4. پرینتر سه بعدی تنظیم شده است. نیازمندی‌های هر دستگاه برای تنظیم متفاوت است. مثل: پر کردن مجدد پلیمرها، اتصال دهنده‌ها و دیگر مواد مصرفی چاپگر.
5. دستگاه را روشن کنید و منتظر بمانید تا چاپ کامل شود. در حین چاپ، دستگاه باید به طور مداوم بررسی شود تا از بروز هرگونه خطا جلوگیری گردد.
6. شی پرینت شده را از دستگاه خارج کنید.
7. مرحله‌ی آخر، مرحله‌ی پساپردازش است. بسیاری از انواع پرینترهای سه بعدی به مرحله‌ی پساپردازش نیاز دارند. مانند: خارج ساختن اضافه‌ی پودر و شستن شی چاپ شده برای از بین بردن ساپورت‌های محلول در آب. شی نهایی ممکن است نیاز به پخت داشته باشد.

پرینتر سه بعدی چه چیزهایی را می‌تواند بسازد؟

چاپگرهای سه بعدی تقریبا هر چیزی که فکرش را بکنید می‌سازد. و تنها بوسیله‌‌ی نوع جوهرهای مورد استفاده و اندازه‌شان، محدود می‌شوند. برای چاپ اشیای بسیار بزرگ مثل یک خانه یا می‌توانید قطعات آن‌را جداگانه چاپ کنید یا اینکه از یک پرینتر سه بعدی بسیار بزرگ استفاده کنید. پرینترهای سه بعدی می‌توانند چاپ را در سلول‌های پلاستیکی، بتونی، فلزی و حیوانی انجام دهند. اما بیشتر آن‌ها طوری طراحی شده‌اند که فقط از یک نوع ماده استفاده کنند.

برخی از نمونه‌های جالب اشیا چاپ شده با پرینترهای سه بعدی به قرار زیر است:

• اندام‌های پروتزی و سایر اعضای بدن
• خانه‌ها و دیگر ساختمان‌ها
• غذا
• دارو
• سلاح گرم
• ساختارهای مایع
• محصولات شیشه‌ای
• اشیا اکریلیک
• لوازم جانبی فیلم
• آلات موسیقی
• لباس
• مدل‌ها و دستگاه‌های پزشکی

… که البته محدود به ‌این‌ها نمی‌شود.

انواع فرمت‌های مدل سه بعدی مورد استفاده در پرینت سه بعدی

نرم‌افزارهای متفاوت CAD، از فایل‌هایی با فرمت‌های مختلف استفاده می‌کنند. رایج‌ترین آن‌ها شامل:

• STL

فرمت خواندن فایل سه بعدی که معمولا فقط یک نوع رنگ را کنترل می‌کند. بیشتر چاپگرهای سه بعدی دسکتاپ از این فرمت استفاده می‌کنند.

• VRML

فرمت جدیدی‌ برای فایل است. معمولا برای چاپگرهایی با بیش از یک اکسترودر استفاده می‌شوند که می‌تواند مدل چند رنگ ایجاد کند.

• AMF

این نوع فایل هم می‌تواند از چندین رنگ پشتیبانی کند.

• GCode

فرمت فابل دیگری‌ست که می‌تواند دستورالعمل‌های دقیق چاپگر سه بعدی را به همراه داشته باشد.

• Other formats

سایر تولیدکنندگان چاپگرهای سه بعدی، فرمت‌های اختصاصی خاص خود را دارند.

مزایای یک چاپ سه بعدی

علاوه بر همه‌ی مواردی که تا اینجا در مورد پرینترهای سه بعدی گفتیم، فرآیند چاپ سه بعدی مزایای متنوعی بر فرآیندهای تولید سنتی مانند قالب تزریق و فرز CNC دارد. بر خلاف فرزکاری CNC که یک فرآیند کاهشی‌ست، چاپ سه بعدی، یک فرآیند ساخت افزایشی‌ست. در پرینت سه بعدی مواد یه‌تدریج از یک بلوک جامد خارج می‌شوند و به صورت لایه لایه روی هم انباشته می‌شوند.

مثال دیگر از فرآیند تولید سنتی، قالب تزریق است که مناسب برای ساخت اشیا با حجم بالاست. علاوه بر اینکه می‌توان از آن برای تولید نمونه‌های اولیه استفاده کرد، قالب تزریق برای تولید در مقیاس انبوه هم کاربرد دارد.

با این حال برای تولید در مقیاس محدود و نمونه‌سازی اولیه، تکنولوژی پرینت سه بعدی گزینه‌ی مناسب‌تری است.

برای چاپ سه بعدی نسبت به سایر روش‌های تولید مزایای دیگری وجود دارد؛ از جمله:

• تولید سریع‌تر:

اگرچه در برخی مواقع با سرعت کمتری عمل می‌کند، اما در حالت کلی سریع‌تر از فرآیندهای تولید معمول مانند ساخت کاهشی و قالب تزریق است.

• دسترسی آسان:

چاپ سه بعدی حدودا از سال 2010 گسترش یافته و اکنون چندین دهه است که بر سر زبان‌هاست. طیف گسترده‌ای از چاپگرها و نرم‌افزارهای مرتبط با آن موجود است که دسترسی و یادگیری آن را تقریبا برای همه امکان پذیر ساخته است.

• کیفیت بالای محصولات

تا زمانی‌که مدل با دقت طراحی شده باشد و متناسب با هدف باشد و نیز از چاپگر مشابهی استفاده شود، محصول نهایی کیفیت مطلوبی خواهد داشت.

• طراحی عالی و تست محصول نهایی

چاپ سه بعدی در واقع فرصتی‌ست برای طراحی آن‌چه در ذهنمان است و نیز امکان آزمایش مدل‌ها فراهم می‌سازد.

• مقرون به صرفه

چاپگرهای سه بعدی ابزاری مقرون به صرفه برای تولید هستند.

• امکان طراحی بی‌نهایت محصولات

تا زمانی‌که امکان طراحی در CAD وجود دارد و پرینترها بقدر کافی برای چاپ بزرگ هستند می‌شود گفت امکانات چاپ سه بعدی نامحدود است.

• به‌کار بردن انواع جوهرها

بعضی از چاپگرهای سه بعدی می‌توانند مواد اولیه را با هم ترکیب کنند یا مواد مختلف را انتخاب کنند. در چاپ سنتی این کار پرهزینه و دشوار است.