چاپ سه‌بعدی چیست؟ بررسی کامل مزایا، معایب و کاربردها

چاپ سه‌بعدی که با نام تولید افزایشی نیز شناخته می‌شود، روشی برای ساخت اشیای سه‌بعدی به‌صورت لایه‌به‌لایه بر اساس یک طراحی کامپیوتری است.

در این فرآیند، لایه‌های مختلفی از مواد به‌تدریج روی هم قرار می‌گیرند تا یک قطعه سه‌بعدی شکل بگیرد.

برخلاف روش‌های سنتی تولید که معمولاً مبتنی بر برش و حذف مواد اضافی هستند، چاپ سه‌بعدی با استفاده از مواد اولیه‌ای مانند پلاستیک، فلز، رزین یا حتی سرامیک، تنها مواد لازم برای ساخت قطعه را مصرف می‌کند. این ویژگی نه‌تنها میزان هدررفت مواد را کاهش می‌دهد، بلکه امکان طراحی‌های پیچیده و سفارشی‌سازی شده را نیز فراهم می‌آورد.

با پیشرفت این فناوری، هزینه‌ها کاهش یافته و دسترسی به آن برای کسب‌وکارها و حتی کاربران خانگی آسان‌تر شده است.

چه موادی در چاپ سه‌بعدی قابل استفاده هستند؟

چاپ سه‌بعدی از طیف گسترده‌ای از مواد اولیه استفاده می‌کند که هرکدام بسته به نوع کاربرد، ویژگی‌های خاص خود را دارند. از جمله این مواد می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• ترموپلاستیک‌ها مانند اکریلونیتریل بوتادین استایرن* (ABS) که در بسیاری از کاربردهای صنعتی و خانگی استفاده می‌شود.

• فلزات از جمله پودرهای فلزی که برای ساخت قطعات مستحکم و مقاوم به کار می‌روند.

• رزین‌ها که در چاپ سه‌بعدی دقیق و جزئیات بالا، مانند مدل‌های دندانپزشکی و جواهرسازی، استفاده می‌شوند.

• سرامیک‌ها که امکان ساخت قطعات مقاوم در برابر حرارت و سایش را فراهم می‌کنند.

* اکریلونیتریل بوتادین استایرن (ABS)یک پلیمر ترموپلاستیک مهندسی است که به دلیل استحکام، انعطاف‌پذیری و مقاومت در برابر ضربه، کاربردهای گسترده‌ای در صنایع مختلف دارد. این ماده ترکیبی از سه مونومر اصلی است:

1. اکریلونیتریل (Acrylonitrile): افزایش مقاومت شیمیایی و پایداری حرارتی

2. بوتادین (Butadiene): افزایش انعطاف‌پذیری و مقاومت در برابر ضربه

3. استایرن (Styrene): بهبود سطح صافی و قابلیت پردازش آسان

ABS یک ماده مقاوم، سبک و انعطاف‌پذیر است که در طیف گسترده‌ای از صنایع کاربرد دارد. با اینکه دارای محدودیت‌هایی مانند حساسیت به اشعه UV است، اما به دلیل قابلیت ماشین‌کاری و چاپ سه‌بعدی عالی، همچنان یکی از محبوب‌ترین مواد در صنایع تولیدی محسوب می‌شود.

تاریخچه چاپ سه‌بعدی

مخترع چاپ سه‌بعدی چه کسی بود؟

نخستین تجهیزات تولید با فناوری چاپ سه‌بعدی توسط هیدئو کوداما (Hideo Kodama) از مؤسسه تحقیقاتی صنعتی شهرداری ناگویا توسعه یافت. او موفق به ابداع دو روش افزایشی برای ساخت مدل‌های سه‌بعدی شد که پایه‌گذار فناوری چاپ سه‌بعدی مدرن شد.

چاپ سه‌بعدی چه زمانی اختراع شد؟

ریشه‌های چاپ سه‌بعدی را می‌توان به دهه ۱۹۲۰ و کارهای رالف بیکر (Ralf Baker) در ساخت اشیای تزئینی (بر اساس ثبت اختراع(US423647Aنسبت داد. با این حال، نخستین گام‌های جدی در این حوزه را هیدئو کوداما (Hideo Kodama) در سال ۱۹۸۱ برداشت، زمانی که روی روش نمونه‌سازی سریع با استفاده از رزین‌های پخت‌شونده با لیزر کار کرد.

در سال ۱۹۸۴، این فناوری با معرفی استریولیتوگرافی (SLA) پیشرفت بیشتری کرد. در نهایت، چاک هال (Chuck Hull) از شرکت 3D Systems در سال ۱۹۸۷ نخستین چاپگر سه‌بعدی را بر پایه فرآیند استریولیتوگرافی اختراع کرد.

پس از آن، فناوری‌هایی مانند تف جوشی لیزری انتخابی (SLS) و ذوب لیزری انتخابی (SLM) توسعه یافتند. در دهه‌های ۱۹۹۰ و ۲۰۰۰، چاپگرهای سه‌بعدی بسیار گران‌قیمت بودند، اما با انقضای پتنت‌های مرتبط در سال ۲۰۰۹، هزینه تولید کاهش یافت و این فناوری برای کاربران بیشتری در دسترس قرار گرفت.

فن‌آوری‌های چاپ سه‌بعدی

چاپ سه‌بعدی از سه نوع اصلی فناوری استفاده می‌کند که عبارتند از: سینترینگ (Sintering)، ذوب (Melting) و استریولیتوگرافی (Stereolithography).

1. سینترینگ (Sintering)

در این فناوری، ماده به دمای بالا می‌رسد، اما به حدی نیست که ذوب شود. این فرایند برای ساخت قطعات با دقت بالا استفاده می‌شود. در سینترینگ فلز، از پودر فلزی برای سینترینگ لیزری مستقیم فلز (DMLS) استفاده می‌شود، در حالی که در سینترینگ لیزری انتخابی از پودرهای ترموپلاستیک برای ساخت قطعات استفاده می‌شود.

2. روش‌های ذوب (Melting Methods)

روش‌های ذوب در چاپ سه‌بعدی شامل پیوستگی بستر پودری (Powder Bed Fusion)، ذوب با پرتو الکترونی (Electron Beam Melting) و تزریق انرژی مستقیم (Direct Energy Deposition) می‌شوند. در این روش‌ها، از لیزرها، قوس‌های الکتریکی یا پرتوهای الکترونی برای ذوب مواد استفاده می‌شود تا اجسام را با ذوب مواد در دماهای بسیار بالا چاپ کنند.

3. استریولیتوگرافی (Stereolithography)

این فناوری از پلیمرسازی نوری برای ایجاد قطعات استفاده می‌کند. در این فرایند، یک منبع نور خاص به صورت انتخابی با ماده تعامل می‌کند تا یک بخش از جسم را در لایه‌های نازک پخت و سفت کند. استریولیتوگرافی معمولاً برای ساخت قطعات با جزئیات بالا و دقت بسیار مناسب است.

فرایندهای چاپ سه‌بعدی

چاپ سه‌بعدی، که با نام تولید افزایشی نیز شناخته می‌شود، طبق استاندارد ISO/ASTM 52900 به هفت دسته مختلف تقسیم شده است. این دسته‌بندی براساس اصول کلی و اصطلاحات مربوط به تولید افزایشی انجام شده است. تمامی انواع چاپ سه‌بعدی در یکی از دسته‌های زیر قرار می‌گیرند:

1. Jetting

در این فرایند، مواد به‌صورت قطرات ریز از طریق یک هد پرینتر به سطح چاپ افزوده می‌شود. این روش برای ساخت قطعات پیچیده با جزئیات بالا و دقت زیاد مناسب است.

2. Binder Jetting

در این تکنیک، مواد پودری توسط یک مایع چسبنده به‌صورت لایه‌به‌لایه متصل می‌شوند. این روش برای ساخت مدل‌های دقیق و کاربرد در صنایع مختلف مانند خودروسازی و تولید قطعات فلزی مناسب است.

3. Material Extrusion

در این روش، مواد ترموپلاستیک مانند ABS یا PLA از طریق یک نازل گرم به لایه‌های زیرین اعمال می‌شود. این فرایند رایج‌ترین نوع چاپ سه‌بعدی است که در پرینترهای خانگی نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد.

4. Vat Photopolymerization

این فرآیند از پلیمرهای حساس به نور برای ساخت قطعات استفاده می‌کند. رزین مایع در یک مخزن قرار می‌گیرد و با استفاده از نور ماوراء بنفش (UV) به لایه‌های نازک سخت و سفت می‌شود. این روش برای تولید قطعات با دقت بالا و سطح صاف بسیار مناسب است.

5. Powder Bed Fusion

در این تکنیک، پودر مواد مانند فلزات یا پلاستیک‌ها به‌طور یکنواخت روی سطح توزیع می‌شود و توسط لیزر یا سایر منابع حرارتی ذوب و متصل می‌شود تا لایه‌های مختلف تشکیل شود. این روش برای تولید قطعات فلزی مقاوم و پیچیده کاربرد دارد.

6. Directed Energy Deposition

این فرایند از لیزر یا پرتوهای الکترونی برای ذوب و افزوده کردن مواد به سطح استفاده می‌کند. این تکنیک برای ترمیم قطعات صنعتی یا تولید قطعات پیچیده با استفاده از فلزات و آلیاژها بسیار مؤثر است.

7. Sheet Lamination

در این فرایند، لایه‌های نازک مواد (معمولاً فلز یا پلاستیک) به‌صورت لایه‌به‌لایه برش داده شده و با استفاده از فشار یا لیزر به هم چسبانده می‌شوند. این روش بیشتر در ساخت مدل‌های بزرگ و سازه‌ها استفاده می‌شود.

این هفت دسته‌بندی نشان‌دهنده تنوع و قدرت‌های مختلف فناوری‌های چاپ سه‌بعدی است که هر کدام در صنایع خاص و با توجه به نیازهای خاص مورد استفاده قرار می‌گیرند.

مدت زمان پرینت سه بعدی چقدر است؟

زمان مورد نیاز برای پرینت سه بعدی به عوامل متعددی بستگی دارد که مهمترین آنها اندازه قطعه و تنظیمات دستگاه پرینتر است. کیفیت نهایی قطعه نیز نقش مهمی در تعیین زمان پرینت دارد، زیرا تولید قطعات با کیفیت بالاتر به زمان بیشتری نیاز دارد.

فرآیند پرینت سه بعدی می‌تواند از چند دقیقه تا چندین ساعت یا حتی روز طول بکشد. در این میان، سرعت پرینت، دقت و وضوح مورد نیاز، و حجم متریال مصرفی از عوامل تعیین‌کننده زمان پرینت هستند.

(این ترجمه با رعایت کلمات کلیدی مهم مانند "پرینت سه بعدی"، "زمان پرینت"، "کیفیت پرینت" و "تنظیمات پرینتر" انجام شده و ساختار جملات برای موتورهای جستجو بهینه‌سازی شده است.)

مزایا و معایب پرینت سه بعدی

مزایای پرینت سه بعدی

تولید اختصاصی و مقرون به صرفه اشکال پیچیده هندسی

این فناوری امکان ساخت آسان قطعات هندسی اختصاصی را فراهم می‌کند که در آن پیچیدگی بیشتر هزینه اضافی به همراه ندارد. در برخی موارد، پرینت سه بعدی نسبت به روش‌های تولید تفریقی (برش‌کاری) ارزان‌تر است زیرا از مواد اضافی استفاده نمی‌شود.

هزینه‌های راه‌اندازی مناسب

از آنجا که نیازی به قالب نیست، هزینه‌های مرتبط با این فرآیند تولید نسبتاً پایین است. هزینه هر قطعه مستقیماً به میزان مواد مصرفی، زمان ساخت و هرگونه پردازش تکمیلی مورد نیاز بستگی دارد.

قابلیت شخصی‌سازی کامل

از آنجا که این فرآیند بر اساس طراحی به کمک کامپیوتر (CAD) است، هرگونه تغییر در محصول به راحتی و بدون تأثیر بر هزینه تولید امکان‌پذیر است.

ایده‌آل برای نمونه‌سازی سریع

از آنجا که این فناوری امکان تولید دسته‌های کوچک و تولید داخلی را فراهم می‌کند، این فرآیند برای نمونه‌سازی ایده‌آل است. این به معنای تولید سریع‌تر محصولات نسبت به روش‌های سنتی تولید و عدم وابستگی به زنجیره‌های تأمین خارجی است.

امکان تولید قطعات با ویژگی‌های خاص

اگرچه پلاستیک و فلزات رایج‌ترین مواد مورد استفاده در پرینت سه بعدی هستند، اما امکان ساخت قطعات با مواد ویژه و سفارشی با خواص مورد نظر نیز وجود دارد. به عنوان مثال، می‌توان قطعاتی را برای کاربردهای خاص تولید کرد که دارای مقاومت حرارتی بالا، خاصیت آب‌گریزی یا استحکام بیشتری باشند.

معایب پرینت سه بعدی 

استحکام کمتر در مقایسه با روش‌های تولید سنتی

در حالی که برخی قطعات مانند قطعات فلزی از خواص مکانیکی عالی برخوردار هستند، بسیاری از قطعات پرینت سه بعدی شده نسبت به قطعات تولید شده با روش‌های سنتی شکننده‌تر هستند. این امر به دلیل ساخت لایه به لایه قطعات است که باعث کاهش ۱۰ تا ۵۰ درصدی استحکام می‌شود.

افزایش هزینه در تولید انبوه

تولید در حجم بالا با پرینت سه بعدی گران‌تر است، زیرا صرفه‌جویی‌های مقیاس مانند روش‌های سنتی در این فرآیند تأثیرگذار نیست. برآوردها نشان می‌دهد که در مقایسه مستقیم برای قطعات یکسان، پرینت سه بعدی در تولید بیش از ۱۰۰ واحد نسبت به ماشین‌کاری CNC یا قالب‌گیری تزریقی مقرون به صرفه نیست، البته به شرطی که امکان تولید قطعات با روش‌های متداول وجود داشته باشد.

محدودیت در دقت

دقت قطعه پرینت شده به نوع دستگاه و/یا فرآیند مورد استفاده بستگی دارد. برخی پرینترهای رومیزی تلرانس پایین‌تری نسبت به سایر پرینترها دارند، به این معنی که قطعات نهایی ممکن است کمی با طرح‌ها متفاوت باشند. اگرچه این مشکل با پردازش نهایی قابل رفع است، باید در نظر داشت که قطعات پرینت سه بعدی همیشه دقیقاً مطابق طرح نیستند.

نیاز به پردازش نهایی

اکثر قطعات پرینت سه بعدی نیاز به نوعی پردازش نهایی دارند. این می‌تواند شامل سنباده‌زنی یا صیقل‌کاری برای ایجاد پرداخت مورد نیاز، حذف پایه‌های نگهدارنده که امکان ساخت مواد را به شکل مورد نظر فراهم می‌کنند، عملیات حرارتی برای دستیابی به خواص مواد خاص یا ماشین‌کاری نهایی باشد.

نمونه‌هایی از اشیایی که با چاپ سه‌بعدی ساخته شده‌ان

نتیجه‌گیری

پرینت سه بعدی انقلابی در دنیای تولید و ساخت ایجاد کرده است و در حال تغییر شیوه طراحی، تولید و تحویل محصولات است. این فناوری با ارائه مزایایی مانند:

- امکان تولید اشکال پیچیده هندسی

- شخصی‌سازی آسان محصولات

- کاهش هزینه‌های تولید در مقیاس کوچک

- سرعت بالا در نمونه‌سازی

- کاهش اتلاف مواد

در صنایع مختلفی از جمله هوافضا، خودروسازی، پزشکی و رباتیک کاربرد پیدا کرده است.

با این حال، این فناوری همچنان با چالش‌هایی مانند محدودیت در تولید انبوه، استحکام کمتر برخی قطعات نسبت به روش‌های سنتی و نیاز به پردازش نهایی روبرو است. با پیشرفت مداوم تکنولوژی و ظهور نسل‌های جدید مانند پرینت چهار بعدی و پنج بعدی، آینده این صنعت بسیار امیدوارکننده به نظر می‌رسد.

پرینت سه بعدی در حال حاضر به عنوان مکمل روش‌های تولید سنتی عمل می‌کند و با توجه به مزایا و محدودیت‌های خاص خود، در موارد مناسب می‌تواند جایگزین مناسبی برای روش‌های تولید متداول باشد. با کاهش هزینه‌ها و بهبود تکنولوژی، انتظار می‌رود که این فناوری نقش مهم‌تری در آینده صنعت تولید ایفا کند.