Everything about 3D printing
_ مقدمه
همانطور که در مطالب قبلی مشاهده کردید در ارتباط با انواع روش‌های ساخت و به طور خاص روش چاپ سه بعدی به عنوان یک فناوری افزودنی برای تولید قطعات صحبت کردیم. همچنین اشاره کردیم که منظور از یک فناوری افزودنی به این معنا است که برای تولید قطعات به یک بلوک از مواد و یا قالب احتیاجی ندارد بلکه به سادگی مواد را لایه‌لایه روی هم چیده و جوش می‌دهد. اکنون به بررسی کاربردهای این روش ساخت، متریال‌های مورد استفاده و همچنین مزایای آن می‌پردازیم.
_ متریال چاپ سه بعدی
هر ساله افزایش میزان تقاضای بازار برای یک متریال با ویژگی‌های مکانیکی خاص باعث افزایش تعداد متریال‌های مورد استفاده در چاپ سه‌بعدی می‌شود. این موضوع امکان بررسی تمام متریال‌های این فناوری را غیرممکن می‌سازد اما به این علت که هر یک از روش‌های چاپ سه بعدی با یک نوع متریال خاص سازگار هستند در نتیجه بررسی متریال‌ها به صورت کلی امکان‌پذیر است.
معمولا “Thermoplastic” و “Thermoset polymer” به عنوان متریال در چاپ سه بعدی بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرند. همچنین از فلز، سرامیک و کامپوزیت‌ها هم استفاده می‌شود.
روشی دیگر برای دسته‌بندی متریال چاپ سه بعدی بر اساس خواص و ویژگی‌های آن‌ها است. از جمله خواص آن‌ها میتوان به موارد زیر اشاره کرد: گران و ارزان بودن، مقاومت شیمیایی، مقاومت در بابر آب، مقاومت در برابر اشعه‌ی ماوراءبنفش، مقاومت در برابر حرارت، میزان سخت بودن و انعطاف‌پذیری.
در چاپ سه بعدی با کاربرد صنعتی از مواد پلاستیکی با دوام با نام “Nylon12” استفاده می‌کنند. همچنین در چاپ سه بعدی به روش “FDM” از متریال “PLA” و “ABS” استفاده می‌کنند.
“ABS” چیست؟ یک ترموپلاستیک معمولی است که در صنعت قالب‌سازی شناخته شده‌است که در ساخت بدنه و قطعات خودرو و ساخت “LEGO” کاربرد دارد.
“PLA” چیست؟ یک ترموپلاستیک زیست تخریب‌پذیر است که از منابع تجدید پذیری مانند نشاسته ذرت یا نیشکر ساخته می‌شود که در بسیاری از موارد مانند لیوان‌های پلاستیکی یا ایمپلنت‌های پزشکی کاربرد دارد.
_ نرم‌افزار‌های مورد استفاده چاپ سه بعدی
چاپ سه بعدی با نرم‌افزار آغاز شده‌است و تعداد زیادی نرم‌افزار‌های مختلف برای کمک رسانی در این مسیر وجود دارد همانند نرم افزار‌های مدل‌سازی سه بعدی و نرم‌افزار‌های چاپ. این فناوری به طور کلی به دو دسته تقسیم بندی می‌شود “Solid modeling” و “Surface modeling”. برای هر کدام از این روش ها نرم‌افزار های “CAD” مختلفی وجود دارد. در هر دو روش فوق در نهایت به یک خروجی می‌رسیم ولی”Solid modeling” برای فرم‌های غیر‌ارگانیک و پیچیده مناسب‌تر است و روش دیگر برای فرم های ارگانیک مناسب است. نرم‌افزار‌های “Fusion 360” و “Rhino 3D” در بین افراد حرفه‌ای متداول هستند و تعداد زیادی نرم‌افزار رایگان دیگر برای افراد مبتدی وجود دارد.
“Solid modeling” چیست؟ منظور از این مدل‌سازی تولید اشکال جامد مجازی به وسیله‌ی به هم پیوستن اشکال سه بعدی است که قبلا تعریف شده‌اند که بعدا جزییات به آن‌ها اضافه می‌شود. “Surface modeling” چیست؟ در این مدل‌سازی طراحان ابتدا با صفحات دو بعدی شروع می‌کنند و سپس به اشکال سه بعدی می‌رسند.
_ کاربردهای چاپ سه بعدی
همانطور که در مقالات قبلی گفته‌شد چاپ سه بعدی کاربردهای فراوانی دارد که در این قسمت به بخشی از آن‌ها از جمله استفاده از چاپ سه بعدی در صنعت خودروسازی و پزشکی و طراحی و تولید جواهرات اشاره می‌کنیم.
_ چاپ سه بعدی در پزشکی
چاپ سه بعدی در صنعت پزشکی کاربردهای فراوانی دارد و هر ساله پزشکان و دانشمندان روش‌های جدید و خلاقانه‌ای را برای استفاده از این فناوری در حال رشد ارائه می‌کنند. چاپ سه بعدی به علت سرعت بالا و تنوع زیاد برای توسعه و تولید انواع پروتز‌ها، ایمپلنت‌ها و تولید اندام های مختلف بسیار عالی و مناسب است. همچنین از این تکنولوژی در تولید ابزار های جراحی، مدل‌های تشریحی و سایر تجهیزات پزشکی استفاده می‌کنند.
_ چاپ سه بعدی در طراحی و تولید جواهرات
امروزه طراحان زیادی از چاپ سه بعدی در طراحی و ساخت جواهرات استفاده می‌کنند چرا که این فناوری به طراحان اجازه می‌دهد طرح‌های بسیار پیچیده و غیرممکن را نیز تولید کنند و دیگر برخی از محدودیت‌های طراحی و تولید جواهرات به صورت سنتی از جمله استفاده از دستگاه‌های “CNC” و کار با موم و … را نداشته‌باشند. همچنین میتوان فلزات گرانبها را به صورت سه بعدی در طرح‌ها و الگو‌های مختلف به سرعت و مقرون به صرفه چاپ کرد. چاپگرها به طراحان این امکان را می‌دهد که چندین الگو و طرح را در یک زمان و در بازه‌ی زمانی بسیار کوتاه تولید کرد.
_ چاپ سه بعدی در صنعت خودروسازی
در صنعت خودروسازی طراحی‌ها اغلب با تولید مدل‌هایی که شکل یک وسیله نقلیه به صورت کلی نشان می‌دهند آغاز می‌شوند که برای تولید این مدل‌ها از چاپ سه بعدی استفاده می‌کنند. خودروسازان برای آزمایش و اطمینان از عملکرد صحیح تمام قطعات به صورت مورد نظر از این فناوری استفاده می‌کنند. همچنین شرایط را برای طراحی‌های جدیدتر و قوی‌تر مناسب کرده‌است چرا که باعث تولید قطعات سبک‌تر و قوی‌تر و ایمن‌تر شده‌است.
_ فواید چاپ سه بعدی چیست؟
احتمال کمی دارد که چاپ سه بعدی بتواند جایگزین بسیاری از روش‌ها تولید سنتی بشود، اما کاربردهای زیادی دارد که در آن می‌تواند یک طرح را با سرعت و دقت بالا تولید کند.
برای جمع بندی به بررسی برخی از مزایای چاپ سه بعدی می‌پردازیم: 1)سرعت بالا 2)تولید تنها در یک مرحله 3)هزینه‌ی پایین 4)کاهش ریسک در تولید 5)تولید قطعات پیچیده 6)دسترسی آسان 7)پایداری
_ سرعت بالا
یکی از مزایای چاپ سه بعدی سرعت تولید قطعات در مقایسه با روش‌های سنتی ساخت است. طرح‌های پیچیده را میتوان به صورت مدل سازی شده در نرم‌افزار “CAD” در چند ساعت چاپ کرد. در حالی که ممکن بود در گذشته برای تولید نمونه اولیه از یک طرح روزها و حتی هفته‌ها زمان صرف شود.
_ تولید تنها در یک مرحله
یکی از بزرگ‌ترین دغدغه‌ی طراحان این است که یک قطعه را تا حد ممکن کار‌آمد بسازند. اکثر قطعات برای ساخت به روش‌های سنتی باید مراحل زیادی را طی کنند که ترتیب انجام این مراحل بر روی کیفیت و قابلیت ساخت طرح اثر می‌گذارد. این فناوری ساخت را تنها در یک مرحله کامل می‌کند و به محض این‌که طرح “CAD” نهایی شد میتوان آن را در دستگاه بارگذاری کرد و تنها در چند ساعت چاپ کرد.
_ هزینه
در این فرایند هزینه‌ها را در سه دسته تقسیم بندی می‌کنند: هزینه عملیات دستگاه، هزینه متریال و هزینه نیروی‌کار
_ هزینه دستگاه: بیشتر چاپگرهای سه بعدی کوچک به اندازه یک کامپیوتر و یا لپتاب انرژی مصرف می‌کنند اما چاپگرهای صنعتی مقدار بیشتری انرژی مصرف می‌کنند و توانایی تولید طرح‌های پیچیده در یک مرحله و چرخش بیشتر را دارند. در هر حال هزینه های دستگاه معمولا کمترین سهم در کل هزینه‌ها دارند.
_ هزینه متریال: هزینه‌ی متریال مورد استفاده در این فرایند بستگی به دستگاه مورد استفاده دارد. به طور مثال متریال چاپگرهای رومیزی حدود 25 دلار در هر کیلوگرم هستند در حالی که متریال چاپگرهای رزینی حدود 150 دلار در هر لیتر قیمت دارند. تهیه‌ی متریال بیشترین سهم در هزینه‌های چاپ دارد.
_ هزینه نیروی کار: از مزایای چاپ سه بعدی میتوان به هزینه‌ی پایین نیروی کار آن اشاره کرد چرا که اکثر چاپگرها تنها به یک اپراتور برای فشار دادن یک دکمه احتیاج دارند. سپس دستگاه به صورت خودکار فرایند ساخت را انجام می‌دهد. در مقایسه با روش‌های ساخت سنتی که به نیروی ماهر نیاز دارد هزینه نیروی کار برای این چاپگرها صفر است. در این فرایند تولید نمونه‌های اولیه برای تایید فرم و تناسبات طرح به مقدار قابل توجهی ارزان تر از سایر روش‌ها است.
_ کاهش ریسک در تولید
سفارش دادن یک نمونه‌ی اولیه معیوب و یا حتی ایجاد تغییرات کوچک می‌تواند هزینه‌ی بالایی داشته باشد. در تولید قطعات گران قیمت امکان تایید طرح به وسیله یک طرح اولیه چاپ شده امکان اشتباه و ایجاد ضرر مالی را کاهش می‌دهد.
_ تولید قطعات پیچیده
محدودیت‌هایی که برای تولید قطعات به روش‌های سنتی وجود داشت برای چاپ سه بعدی وجود ندارد اما محدودیت‌های کوچکی هم وجود دارد که مربوط می‌شود به چگونگی جهت‌گیری چاپ به صورت بهینه، برای کاهش میزان وابستگی به پشتیبانی و احتمال این که چاپ خراب باشد. چاپ سه بعدی به طراحان این امکان را می‌دهد که هندسه‌های بسیار پیچیده را به راحتی تولید کنند.
_ دسترسی آسان
درحالی که این فناوری بیشتر از سی سال است که وجود دارد اما بیشترین میزان رشد از سال “2010” رخ داد. این امر باعث ورود تعداد زیادی چاپگر سه بعدی به صنعت شد در نتیجه امکان دسترسی طراحان به این فناوری بسیار آسان‌تر شد. تنها در سال “2015” بیش از “278000” چاپگر در سراسر جهان فروخته شد و این تعداد همواره در حال افزایش است. این فناوری که در ابتدا فقط برای بخش کوچکی از صنعت در دسترس بود اکنون به آسانی در دسترس طیف وسیعی از صنعت است.
_ پایداری
روش های سنتی ساخت مانند دستگاه‌های “CNC” برای تولید قطعات مقدار قابل توجهی از یک بلوک اولیه را حذف می‌کنند در نتیجه مقدار قابل توجهی از مواد ادلیه از بین می‌روند. فناوری چاپ سه بعدی فقط از مواد مورد نیاز برای ساخت استفاده می‌کند و اکثرا از مواد خامی استفاده می‌کنند که می‌توانند بازیافت شوند و دوباره استفاده شوند. پس این فناوری ضایعات بسیار کمی تولید می‌کند.
