«مروری بر جلسۀ سیزدهم مکالامپ»
در جلسۀ سیزدهم از سلسله‌جلسات مکالامپ با موضوع فناوری ساخت افزایشی ابتدا در مورد فرایند ساخت افزایشی و برخی مزایا و محدودیت‌های این روش ساخت توضیحاتی بیان شد و روش‌های اصلی و رایج ساخت افزایشی معرفی شدند. در ادامه، تاریخچۀ روند پدیدآمدن روش‌های ساخت افزایشی و پرینتر سه‌بعدی گفته شد و به برخی از کاربردهای این روش در زمینه‌های مختلف مانند الکترونیک، پزشکی و ... اشاره شد.
ساخت و تولید را شاید بتوان به‌عنوان یکی از اولین اختراعات بشر در نظر گرفت؛ انسان‌های اولیه با ساییدن سنگ، ابزارهای مختلف را تولید می‌کردند. امروزه ما سه روش اصلی برای این منظور داریم؛ روش اول برمبنای شکل‌دادن بنا شده است، مانند ریخته‌گری یا آهنگری. روش دوم برمبنای براده‌برداری و کاهش ضخامت یک قطعه است، مانند ماشین‌کاری و امثال آن. درنهایت هم روش سوم برمبنای افزایش قطعه است و با استفاده از آن یک قطعه را از ابتدا می‌سازیم که اکنون می‌خواهیم در این مورد صحبت کنیم.
ساخت افزایشی روشی برای اتصال مواد برای ساخت یک قطعۀ سه‌بعدی است که معمولاً به‌صورت لایه به لایه انجام می‌شود و مخالف روش‌های کاهشی مانند ماشین‌کاری است.
ساخت افزایشی (additive manufacturing) در مقایسه با ساخت کاهشی، مواد باطلۀ خیلی کمتری دارد و امکان ساخت قطعات خیلی پیچیده را فراهم می‌کند. در این نوع ساخت، هزینۀ ساخت یک قطعه به‌ازای واحد ثابت است؛ یعنی برای تولید انبوه به‌صرفه نیست. پس اگر تعداد محصولات تولیدی زیاد است، استفاده از روش‌های قدیمی ساخت که نیاز به دقت زیادی ندارند، مناسب‌تر است.
از مزایای ساخت افزایشی می‌توان به تولید قطعات با دقت بالا، وزن کم، هدررفت کم و در کمترین زمان اشاره کرد. از دیگر مزایای ساخت افزایشی، شخصی‌سازی می‌باشد؛ به‌عنوان مثال در ساخت ایمپلنت‌های دندان می‌توان ماده‌ای ساخت که صرفاً برای دهان یک شخص خاص طراحی شده باشد.
از معایب ساخت افزایشی می‌توان به محدودبودن ماده برای استفاده در این روش اشاره کرد. همچنین عموماً صافی سطحی که در این روش به‌دست می‌آید خوب نیست و نیاز به اصلاح سطح دارد. هزینۀ تجهیزات، صرف انرژی نسبتاً بالا و حجم تولید کم از دیگر معایب این روش است. البته در مورد هزینۀ تجهیزات باید توجه کرد که منظور ما هزینۀ تمام‌شده کل شامل هزینۀ زمان صرف‌شده به‌ازای نیروی متخصص، هزینۀ نگهداری و به‌ازای کارایی مشابه می‌باشد.
حال می‌خواهیم به یکی از شناخته‌شده‌ترین دستگاه‌های مرتبط با این حوزه بپردازیم که چیزی نیست جز پرینتر سه‌بعدی. پرینتر سه‌بعدی به ما امکان ساخت افزایشی را می‌دهد. فرایند تولید به‌گونه‌ای است که ابتدا یک قطعه طراحی و سپس از آن خروجی STL گرفته می‌شود و بعد فایل وارد نرم‌افزارSlice می‌گردد که وظیفۀ تقسیم یک قطعۀ سه‌بعدی به تکه‌های ریزتر را دارد. درنهایت یک فایل G-codeاستخراج شده و داخل پرینتر سه‌بعدی می‌رود و قطعۀ سه‌بعدی به‌دست می‌آید.
در مورد تاریخچۀ ساخت افزایشی می‌توان گفت که تقریباً از سال 1984 به بعد این موضوع مطرح شد هرچند که تا قبل از آن هم با استفاده از جوشکاری قطعاتی ساخته می‌شد. در سال 1984 آقای چاک هال اولین دستگاه ساخت افزایشی را ساخت. اولین قطعات تولیدشده بر پایۀ پلیمر بودند و تا سال 2005 تقریباً این فرایند ادامه داشت تا اینکه از این سال به بعد قطعات فلزی هم امکان ساخت افزایشی را پیدا کردند. جالب است که بدانید که با همۀ این‌ها ساخت افزایشی تا سال 2012 خیلی شناخته‌شده نبود و بالاخره در این سال انقلابی بزرگ در حوزۀ ساخت افزایشی و پرینتر سه‌بعدی صورت گرفت و کم‌کم بر سر زبان‌ها افتاد؛ تنوع مواد و یا حتی توجه به مشکلات زیست‌محیطی در این مورد تأثیرگذار بود.
فرایندهای ساخت افزایشی در هفت حوزه مطرح می‌شوند که هرکدام را به‌طور خلاصه توضیح می‌دهیم:
1-Material Extrusion : در این روش یک پلیمر را گرم می‌کنیم و از روی یک نازل عبور می‌دهیم که با حرکت نازل قطعه لایه به لایه ساخته می‌شود. شاید مشهورترین فرایند در این میانFDM باشد.
2- Vat Photo polymerization: این روش شامل دو نوعSLA وDLP می‌شود. در روشSLA ، یک لیزر روی یک رزین مایع می‌تابد و قسمت مد نظر ما جامد می‌شود و همین‌طور لایه‌لایه این فرایند ادامه می‌یابد تا در نهایت محصول مد نظر ما ساخته شود. در روشDLP هم مشابه همین روش است منتها از یک پروژکتور به‌عنوان منبع استفاده می‌شود.
3-Powder Bed Fusion : در این روش با استفاده از یک لیزر ابتدا در مناطق مد نظر پودر فلز را ذوب کرده و بعد دوباره یک لایۀ دیگر از پودر جایگزین می‌شود و این فرایند ادامه می‌یابد؛ درنهایت قطعۀ نهایی ما داخل پودر قرار دارد و با کنارزدن آن‌ها بیرون می‌آید.
4-Material jetting : اساس کار این روش مشابه چاپگرهای جوهرافشان روی کاغذ است. یک نازل وظیفۀ افشانه‌کردن یک رزین را بر عهده دارد؛ این رزین‌ها روی هم انباشته می‌شوند و با استفاده از یک منبع حرارتی پخته و بعد سرد می‌شوند و این فرایند ادامه می‌یابد تا به‌تدریج ضخامت قطعه زیاد شود و قطعه ساخته شود.
5-Binder jetting : یک نازل وظیفۀ افشانه‌کردن چسب را برعهده دارد و این چسب، پودرهای آن ناحیه را به‌هم می‌چسباند و می‌توان هر بار لایۀ جدید از پودر را پهن کرد و مجدداً با افشانه‌کردن چسب ضخامت قطعه زیادتر می‌شود. می‌توان به این چسب جوهر رنگی اضافه کرد و حتی قطعات رنگی را نیز ساخت.
6- Direct Energy Deposition: در این روش ما باریکه‌ای از نور لیزر را به نقطه‌ای می‌تابانیم و پودر فلز را به آن نقطه افشانه می‌کنیم؛ اشعۀ لیزر منجر به ذوب‌شدن پودر می‌شود و با حرکت‌دادن نازل می‌توان قطعۀ سه‌بعدی را ساخت.
7-Sheet Lamination : در این روش ما یک ورق یا یک فویل داریم که به شکل انتخابی روی آن اشکالی را می‌بریم و این ورق را روی آن قرار می‌دهیم؛ با ادامه‌دادن این فرایند در انتها جسم سه‌بعدی ما به‌دست می‌آید.
ما می‌توانیم علاوه بر اینکه یک قطعه را به‌طور مستقیم با فرایند ساخت افزایشی تولید کنیم، آن را به‌طور غیرمستقیم نیز بسازیم. به‌عنوان مثال می‌توان قالبی را با پرینتر سه‌بعدی طراحی کرد که به‌منظور قالب ریخته‌گری استفاده می‌شود و معمولاً در صنعت بدلیجات نیز خیلی استفاده می‌شود.
از کاربردهای ساخت افزایشی در صنایع هوافضا، مهندسی پزشکی، انرژی، صنایع دریایی، الکترونیک، هنر و معماری، صنایع غذایی و ... استفادۀ زیادی می‌شود.
به‌عنوان مثال ساخت افزایشی در نمونه‌سازی یک قطعه کاربرد زیادی دارد و می‌تواند بسیار سریع نمونۀ یک قطعۀ اصلی را جهت صحت‌سنجی، سرمایه‌گذاری و یا سایر اهداف دیگر بسازد.
از دیگر کاربردهای ساخت افزایشی تولید یکپارچۀ قطعات است و دیگر نیازی به پیچ و جوش ندارد.
با ساخت افزایشی می‌توان قطعاتی حتی در ابعاد میکرون را هم ساخت و محدودیتی وجود ندارد. در پزشکی، مهم‌ترین کاربرد آن‌ها در حوزۀ پروتزها می باشد. مثلاً ساخت دست مصنوعی، گوش مصنوعی یا پای مصنوعی نمونه‌هایی از آن است. تولید حلزونی سمعک از دیگر حوزه‌هایی است که ساخت افزایشی در آن کاربرد زیادی داشته است و با فرایند SLA این امکان برای ما فراهم است. موضوع دیگر ایمپلنت‌ها هستند که جناب آقای دکتر فرهمند در این حوزه فعالیت‌های ارزشمندی را انجام دادند.
کاربرد دیگر ساخت افزایشی در حوزۀ ارتودنسی‌های شفاف است. همان‌طور که می‌دانید هدف ارتودنسی این است که با استفاده از نیرو و فشاری که روی دندان ایجاد می‌کند دندان‌ها را مرتب کند؛ ارتودنسی‌های سابق که فلزی بودند ظاهر زیبایی نداشتند، اما این ارتودنسی‌ها ظاهر زیباتری دارند هرچند که طبیعتاً هزینۀ بالاتری نیز خواهند داشت.
در حوزۀ الکترونیک می‌توان به بردهای قابل کشش و بردهای انعطاف‌پذیر و سه‌بعدی اشاره کرد.
در زمینۀ هنر و مد نیز می‌توان به تولید مستقیم و غیرمستقیم کفی کفش، جواهرات، تندیس‌ها و ... اشاره کرد.
جالب است بدانید که در ابعاد بزرگ نیز از ساخت افزایشی استفاده می‌شود و امروزه چندین پل در جهان به روش ساخت افزایشی تولید شده‌اند و حتی اقداماتی برای ساخت خانه به روش ساخت افزایشی نیز شده است.
در صنعت غذایی نیز می‌توان انواع غذاهای چاپ‌شده را داشت که کاربردها و زیبایی‌های خاص خود را دارد.
کاربرد دیگر ساخت افزایشی در تعمیر شفت کشتی‌ها می باشد؛ اگر آسیب آن زیاد باشد هزینۀ تعویض‌کردن آن خیلی زیاد است، اما با استفاده از ساخت افزایشی می‌توان آن را تعمیر کرد؛ در واقع آن بخش ساییده‌شده مجدداً با ساخت افزایشی دوباره تولید می‌شود.
از سال 2012 به بعد همان‌طور که گفته شد یک جهش بزرگ در فروش دستگاه‌های ساخت افزایشی به‌وجود آمد و در حال حاضر تقریباً 20 میلیارد دلار در سال بازار مرتبط با ساخت افزایشی است و این فرایند روز به روز جای خود را بیشتر در صنعت باز می‌کند و یک صنعت پیشرو محسوب می‌شود که در آینده می‌تواند حرف‌های زیادی برای گفتن داشته باشد.
3D Print Everything (هرچیزی را پرینت کن!)
منابع: فیلم جلسۀ سیزدهم مکالامپ و جست‌وجو در اینترنت
