دستاوردهای پرینتر سه‌بعدی در صنایع هوافضا
محمدامین لباف
بزرگ‌ترین پیشرفت‌ها و دستاوردها، در گرو فناوری و نوآوری‌های بکار برده در صنایع هستند. یکی از آن‌ها چاپگرهای سه‌بعدی است که امروزه شرکت‌ها با سرعت بالایی در حال گسترش آن‌ها برای تحقق ایده‌های نو هستند؛ همچون شرکت‌های بزرگ فضایی که قصد دارند موتور راکت‌های آینده را به کمک چاپگرهای سه‌بعدی بسازند، پروژه‌هایی مثل RAMPT[1] که در حال پرورش مکانیزم و تکنیک‌های بروز برای چاپ سه‌بعدی قطعات موتور راکت با استفاده از پودر فلز و تابش لیزر هستند.
چاپگرهای سه‌بعدی نمونه‌ای از فناوری‌های ساخت و تولید هستند که ساخت سازه‌های پیچیدۀ چند گرمی تا قطعه‌های چندتنی دوبعدی طراحی‌شده به کمک کامپیوتر را به‌صورت سه‌بعدی و حقیقی، از افزودن لایه به لایۀ متوالی مواد امکان‌پذیر می‌کنند. تکنیک چاپ سه‌بعدی بر اساس پارامترهای تعریف‌شده، امکان ایجاد قطعات کم‌هزینه‌تر را فراهم می‌کند که برخلاف سایر فناوری‌های شکل‌دهی، نیاز به هزینه‌های ابزار مربوط به توسعۀ قالب‌ها را ندارد و ساختارهای بسیار دقیق و سفارشی با حداقل مقدار تولید را هم در اختیار کاربر می‌گذارد.
چاپگرهای سه‌بعدی انواع متفاوتی دارند که بسته به کاربرد قطعۀ موردنیاز نوع خاصی از آن‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. چاپگرهای مرسوم که به‌راحتی در اختیار کاربران قرار می‌گیرد FDM[2] نام دارد که نسبت به سایر چاپگرها از قیمت خرید مناسب‌تری برخوردار است و مواد اولیۀ آن‌ها با هزینۀ کمتری در اختیار کاربر قرار دارد. نحوۀ عملکرد چاپگر که به آن فیلامنت[3] هم می‌گویند، به این صورت است که با ذوب کردن پلاستیک و اکسترود[4]آن، مدل را به‌صورت لایه‌های برش خوردۀ افقی ایجاد می‌کند. به‌عبارت‌دیگر، فیلامنت بعد از ذوب‌شدن به‌صورت رشته‌ای از نازل بیرون آمده و روی رشتۀ قبلی که حالا سرد و خشک شده است، قرار می‌گیرد.
برای این منظور، ابتدا زمانی که دمای چاپگر به حد کافی گرم شد، فیلامت را وارد نازل می‌کنند تا ذوب شود. بعد از آن نوبت به اکسترودر[5] چاپگر می‌رسد که در جهات مختلف حرکت کرده و لایه‌به‌لایه مواد را روی سطح موردنظر خالی می‌کند. وجود پروانۀ خنک‌کاری از مزیت‌هایی است که سری خاصی از این چاپگرها را نسبت به سایر برتری می‌دهد و باعث می‌شود که قطعات با سرعت بیشتری خشک شوند و کیفیت چاپ نیز افزایش یابد. به طورکلی، این چاپگر رزولوشنی[6]بین پنجاه تا چهارصد میکرومتر دارد و در این محدوده کار می‌کند.
نوع دیگری از چاپگرهای سه‌بعدی SLA[7] بوده که مخفف استریولیتوگرافی[8] است. در این نوع چاپگر، از رزین مایع برای ساخت مدل‌ها استفاده می‌کنند و ازآنجایی‌که این ماده نسبت به نور حساس است، با استفاده از نور فرابنفش، ساخت مدل انجام می‌شود. دو مکانیزم متفاوت برای ساخت قطعات وجود دارد: مکانیزم بالابه‌پایین و مکانیزم پایین‌به‌بالا. در مکانیزم بالابه‌پایین، لیزر در بالا قرار گرفته است که باعث می‌شود قطعه از بالابه‌پایین ساخته شود؛ اما در مکانیزم پایین‌به‌بالا، به دلیل قرارگرفتن لیزر در قسمت پایینی، قطعه از پایین‌به‌بالا ساخته می‌شود. ساخت مدل در این چاپگرها استفاده از تابش لیزر UV[9] است، به‌طوری که سینی ساخت مدل داخل مخزن رزین قرار دارد و با تابش لیزر، لایه به لایه مدل ساخته شده و سخت می‌شود.
از چاپگرهایی که برای ساخت قطعات بزرگ و بادقت بالا استفاده می‌شود، می‌توان به DMA[10] اشاره کرد که به‌صورت لایه‌ای، آلیاژ مورداستفاده را به کمک لیزر ذوب کرده و در محیطی عاری از اکسیژن و کاملاً بسته که از گاز نجیب برای کاهش اثرات زنگ‌زدگی و ... پر شده است، ساخت مدل را انجام می‌دهد. مکانیزم ساخت در این چاپگر به این‌گونه است که با تابش لیزر به روی لایه‌ای از پودر آلیاژ موردنظر، ذرات فلز پخش شده و به یکدیگر می‌چسبند تا لایه‌ای را تشکیل دهند و به همین صورت لایه‌های بعدی ساخته می‌شود. پودر مورداستفاده برای چاپ توسط این چاپگر، پخته شده و تنها با آلیاژهای نیکل - تیتانیوم ۶۵ کار می‌کند.
شرکت HP، اسم آشنایی که از بزرگ‌ترین شرکت‌های ساخت چاپگرهای دوبعدی است، امروزه سرمایه‌گذاری‌های هدفمندی در راستای ساخت چاپگرهای سه‌بعدی کرده است که به دنبال استفاده از پلتفرم مولتی جت فیوژن[11]است. با استفاده از این پلتفرم، سرعت چاپ مدل به ده برابر سریع‌تر از آن چه که هم اکنون شاهدش هستیم خواهد رسید، تکنولوژی جدیدی که نتیجۀ دهه‌ها سرمایه‌گذاری HP روی چاپ جوهرافشان، مکانیک دقیق کم‌هزینه و علوم مواد است. رئیس انجمن HP، تری ولر[12]، در سخنرانی‌های خود به این نکته اشاره می‌کند که «HPدر حال حرکت به سمت بازنویسی قوانین چاپ سه‌بعدی است و من می‌توانم زمانی را تصور کنم که شرکت‌ها تجهیزات گران‌قیمت خود را کنار گذاشته و از تجهیزات سه‌بعدی HPاستفاده می‌کنند.»
و اما شرکت‌های فضایی برای صرفه‌جویی در وقت و هزینه، در حال به‌کارگیری این فناوری در راستای اهداف خود هستند، همچون راکت لب[13] که ادعا می‌کند تقریباً به طور کامل با استفاده از فرایند ذوب پرتو الکترونی از چاپ سه‌بعدی برای موتور رادرفورد[14] استفاده می‌کند. از طرفی مدیر ناسا اعلام می‌کند که «پیشرفت این فناوری بسیار مهم است، چرا که به ما اجازه می‌دهد تا پیچیده‌ترین و گران‌ترین قطعات موتور راکت را با قیمت کمتری نسبت به گذشته بسازیم. علاوه بر این، شرکت‌های هوافضا و شرکت‌های دیگر می‌توانند از این روش در صنعت پزشکی، حمل‌ونقل و زیرساخت استفاده کنند.» در این میان، چالش کانال‌های خنک کاری در نازل موتور نیز با کمک این چاپگرها حل خواهد شد، به‌طوری‌که کارکنان ناسا در مرکز پروازهای فضایی مارشال واقع در ایالت آلاباما آمریکا می‌گویند: «ساخت نازل‌های موتور به روش سنتی بسیار مشکل و زمان‌بر است. تکنیک جدید به ما اجازه می‌دهد تا قطعات بسیار بزرگ با ساختارهای درونی پیچیده‌ای را بسازیم که ساخت آن‌ها درگذشته امکان‌پذیر نبوده است. ما می‌توانیم هزینه و زمان ساخت نازل‌های دارای کانال‌های خنک‌شونده و دیگر قطعات مهم راکت را به طور قابل‌توجهی کاهش دهیم.» تیم ناسا موفق به ساخت یکی از بزرگ‌ترین نازل‌های موتور راکت با قطر 101.6 و ارتفاع ۹۶.۵ سانتی‌متر شده است که در نوع خود بی‌نظیر است.
[1]RAMPT: Rapid and Analysis Manufacturing Propulsion Technology
[2] FDM: Fused Deposition Modeling
[3] filament
[4]extrude
[5]extruder
[6] resolution
[7] SLA: Stereolithography
[8] Stereolithography
[9]ultraviolet
[10] DMA: Dynamic Mechanical Analysis
[11]Multi jet fusion
[12] Terry Wohlers
[13] Rocket Lab
[14] Rutherford: یک موتور راکت که توسط شرکت راکت لب طراحی شده است
