بررسی کاربرد پرینترهای سه بعدی و نحوه کار با آنها

فرشاد مراحم

کاربرد پرینترهای سه بعدی و چگونکی کارکرد آنها

در این مقاله سعی داریم تا در مورد فناوری های مختلفی که در خصوص پرینترهای سه بعدی وجود دارند توضیحاتی ارائه بدهیم و کاربرد آن در صنعت و نحوه ی کارکرد آن را تشریح کنیم و تاثیر آن بر پیشرفت علم پزشکی را مورد بحث و بررسی قرار بدهیم.

توضیحاتی در مورد پرینترهای سه بعدی 3D Printers

ﻓﺮآﯾﻨﺪ ﭼﺎپ ﺳﻪ ﺑﻌﺪی، ﻓﺮآﯾﻨﺪی اﺳﺖ ﮐﻪ ﮐﺎرﺑﺮ راﯾﺎﻧﻪ را ﻗﺎدر ﺑﻪ ﺳﺎﺧﺖ ﻃﺮح ﻣﻮﺟﻮد در ﺳﯿﺴﺘﻢ ﻣﯽ ﮐﻨﺪ. در ﺣﺎل ﺣﺎﺿﺮ ﭼﻨﺪﯾﻦ روش و ﺗﮑﻨﻮﻟﻮژی ﺑﺮای ﺳﺎﺧﺖ ﺷﯽ ﺳﻪ ﺑﻌﺪي وﺟﻮد دارد ﮐﻪ ﻫﺮ ﮐﺪام دارای ﻣﺰاﯾﺎ و ﻣﻌﺎﯾﺐ ﻣﻨﺤﺼﺮ ﺑﻪ ﺧﻮد ﻫﺴﺘﻨﺪ. ﺑﺎ وﺟﻮد ﭘﯿﺸﺮﻓﺖ ﻫﺎی زﯾﺎد در ﺳﺎﺧﺖ اﯾﻦ ﻣﺎﺷﯿﻦ ﻫﺎ ﻫﻤﭽﻨﺎن ﺳﺮﻋﺖ اﯾﺠﺎد ﯾﮏ ﺷﯽ ﺳﻪ ﺑﻌﺪی ﺑﻪ ﻋﻠﺖ ﺳﺎﺧﺖ ﻻﯾﻪ ﺑﻪ ﻻﯾﻪ ﺷﯽ، ﮐﻤﯽ ﮐﻨﺪ اﺳﺖ ﮐﻪ ﺑﺎ ﺗﻼش ﺷﺮﮐﺖ ﻫﺎی ﺳﺎزﻧﺪه در ﺑﺎزار رﻗﺎﺑﺘﯽ ﻣﻮﺟﻮد ﭼﺎﭘﮕﺮﻫﺎی ﺳﻪ ﺑﻌﺪی، ﻗﺎﺑﻞ ﺑﻬﺒﻮد اﺳﺖ. ﻟﺰوم اﺳﺘﻔﺎده از اﯾﻦ ﻓﺮآﯾﻨﺪ در ﻋﺼﺮ ﺣﺎﺿﺮ ﮐﻪ ﻋﺼﺮ ﺳﺮﻋﺖاﺳﺖ ﺑﻪ ﺧﻮﺑﯽ اﺣﺴﺎس ﻣﯽ ﺷﻮد. اﯾﻦ ﻓﺮآﯾﻨﺪ ﻋﻼوه ﺑﺮ ﺻﺮﻓﻪ ﺟﻮﯾﯽ در زﻣﺎن ﻣﻨﺠﺮ ﺑﻪ ﺻﺮﻓﻪ ﺟﻮﯾﯽ ﻫﺰﯾﻨﻪ ﻧﯿﺰ ﻣﯽ ﺷﻮد ﮐﻪ ﺑﺮای ﺗﻮﻟﯿﺪ ﮐﻨﻨﺪﮔﺎن ﻗﺎﺑﻞ ﺗﻮﺟﻪ اﺳﺖ. 

اگر بخواهیم فناوری چاپ سه بعدی را در چندین جمله ساده تشریح بکنیم :

چاپ سه بعدی فرآیند ساخت فیزیکی یک شی سه بعدی از یک فایل دیجیتال بوسیله دستگاهی که با استفاده از یک متریال، لایه هایی را در سه بعد مختصات با دقت در کنار قرار میدهد تا ساخت یک شی به طور کامل تکمیل شود.

مزیت پرینترهای سه بعدی در این است که برای ساخت هر شی، کمترین مواد اولیه استفاده می‌شود و دیگر نیازی به کنده‌کاری و برش نیست. زیرا با توجه به تصویری که به آن می‌دهید، مواد اولیه مصرف خواهد شد و دقت و ظرافت در این طرح‌ها بسیار بالاست.

اساس کار چاپگر سه بعدی با یک مثال ساده

اگر به چیدمان دیوار یک بنا یا ساختمان توجه کرده باشید، متوجه خواهید شد که کارگران ابتدا یک لایه آجر می چینند سپس مخلوط سیمانی روی آن می ریزند و بعد یک لایه آجر دیگر روی لایه قبلی قرار می دهند. این روند تا اتمام ساخت دیوار ادامه پیدا میکند.

اساس کار تکنولوژی چاپگر سه بعدی نیز به همین منوال است. مواد داخل اکسترودر در اثر حرارت ذوب شده سپس به صورت لایه لایه برروی میز کار قرار گرفته و بلافاصله سرد می شود. این کار آن قدر تکرار می شود تا فایل مورد نظر ما به صورت جسمی ملموس در آید.

نرم افزارهای موجود جهت آماده سازی پرینترهای سه بعدی :

برای اینکه مدل اولیه سه بعدی را برای پرینت گرفتن آماده کنید، باید با استفاده از نرم افزار این کار را انجام دهید. در ادامه بهترین نرم افزارهای رایگانی که برای طراحی سه بعدی کاربرد دارند را معرفی می‌کنیم.

TinkerCAD: این نرم افزار، با کاربری بسیار آسانی که دارد، برای افراد مبتدی طراحی شده‌است. در این نرم افزار، شما ابتدا مدل دو بعدی خود را طراحی کرده و سپس آن را به مدل سه بعدی تبدیل می‌کند.

۳D Slash: با استفاده از این نرم افزار قادر هستید با قرار دادن بلوک‌هایی با طرح و ابعاد مختلف، اشکال هندسی و مدل‌های سه بعدی را طراحی کنید. همچنین شما قادر هستید با استفاده از چکش، بک بلوک بزرگ را خرد کرده و به ابعادی که مدنظرتان است تبدیل کنید.

Sculptris: اگر علاقه زیادی به ساخت ماکت و پیکره اشخاص دارید، این نرم افزار برای کار شما مناسب است. این ابزار ساخت مجسمه مجازی، روی مدلسازی گِل تمرکز دارد.

SketchUp: این نرم افزار با رابط کاربری بسیار خوبی که دارد، در بین نرم افزارهای رایگان، مورد توجه طراحان زیادی قرار گرفته است.

این چند نرم افزار و نرم افزارهای دیگری از قبیل: Fusion 360، FreeCAD، Blender، Onshape، Netfabb، MakePrintable، NeshLab، Meshmixer محصولات رایگانی هستند که برای طراحی سه بعدی می‌توانید از آنها استفاده کنید.

معرفی انواع پرینترهای سه بعدی و نحوه کارکرد آنها :

1) پرینتر سه بعدی SLS

فناوری ساخت مدل با استفاده از پرینتر سه بعدی SLS، به واسطه ذوب ذرات پودر پلیمر و چسبیدن آنها به یکدیگر ایجاد می‌شود. ساخت مدل با این نوع پرینتر هم به صورت لایه‌ای است و بعد از ساختن یک لایه، لایه بعدی روی آن ساخته می‌شود.دقت ساخت این پرینتر نسبت به FDM و SLA بیشتر است و نمونه‌های دقیق‌تری تولید می‌کند. اما تعداد قطعاتی که با آن ساخته می‌شود دارای تیراژ کم است.مدل‌هایی که با این پرینتر ساخته می‌شوند، دارای پیچیدگی هندسی بوده و کاربر آزاد است که هر طرحی را با آن پیاده کند.

2) پرینتر سه بعدی SLA

پرینتر سه بعدی SLA که مخفف استریولیتوگرافی یا همان Stereo Lithography است، هم به صورت لایه‌ای چاپ می‌کند، اما تفاوت آن با FDM در این است که مدل را از بالا به پایین می‌سازد.پرینترهای SLA، از رزین مایع برای سخت کردن مدل ساخته شده استفاده می‌کند و با تاباندن نور فرابنفش این عمل انجام می‌شود. از این پرینتر برای ساخت محصولات مهندسی و نمونه سازی صنعتی استفاده می‌شود.

با توجه به اینکه در پرینتر SLA، مدل از بالا به پایین ساخته می‌شود، سینی ساخت مدل داخل مخزن رزین قرار دارد. با تابش لیزر UV به مایع رزین، مدل سخت و یک لایه تشکیل می‌شود و به دنبال آن لایه‌های بعدی هم تشکیل می‌شوند.مواد موردنیاز برای ساخت مدل با پرینتر SLA، رزین است و قطعاتی که با آن ساخته می‌شوند مقاوت زیادی نداشته و برای کارهای سخت توصیه نمی‌شوند.تنظیمات پرینتر SLA توسط شرکت سازنده انجام می‌شود و کاربر این پرینتر قادر به تغییر تنظیمات نیست.

3) پرینتر سه بعدی FDM 

یکی از متداول‌ترین پرینترهایی که در بازار وجود دارد و به راحتی هم در دسترس کاربران است، پرینترهای FDM هستند که قیمت بسیار مناسبی داشته و مواد اولیه آنها هم به راحتی و با هزینه کم در دسترس هستند.با وجود این نوع پرینترها، کسانی که علاقه زیادی به صنعت چاپ سه بعدی دارند، می‌توانند مدل‌های مدنظر خود را با سرعت بالایی بسازند. 

زیرا قیمت این نوع پرینترها از سایر مدل‌ها بسیار کمتر است و آموزش آن هم بسیار ساده‌تر است.نحوه عملکرد پرینتر FDM 3D که به آن فیلامنت هم میگویند، به این صورت است که با ذوب کردن پلاستیک و اکسترود آن، مدل شما را به صورت لایه‌های برش خورده افقی ایجاد می‌کند و رزولوشنی بین ۵۰ تا ۴۰۰ میکرومتر دارد.ابتدا یک رول از فیلامنت را روی پرینتر قرار می‌دهند و زمانی که دمای پرینتر به حد موردنظر رسید، فیلامنت وارد نازل شده و در اثر گرما ذوب می‌شود. اکسترودر پرینتر این امکان را دارد که در سه جهت محورهای X، Y و Z حرکت کند و لایه لایه مواد را روی سطح موردنظر خالی کند. درنهایت با وجود فن پرینتر، مواد خشک خواهند شد.

4) پرینتر سه بعدی DMLS

پرینتر سه بعدی DMLS، برای ذوب آلیاژ از لیزر استفاده می‌کند و فرایند ساخت مدل هم به صورت لایه‌ای انجام می‌شود. فرایند ساخت مدل در این پرینتر در یک محیط بسته و خالی از اکسیژن انجام می‌شود که از گاز نجیب پر شده‌است. پودر مورد استفاده برای چاپ توسط پرینتر DMLS، پخته شده و تنها با آلیاژهای نیکل تیتانیوم ۶۵ کار می‌کند.لازم به ذکر است که، با استفاده از این پرینتر قادر هستید قطعات بزرگی را تولید کنید و دقت بالایی هم دارد.

فناوری ساخت قطعات با این پرینتر به این صورت است که ابتدا لایه‌ای پودر روی سطح قرار می‌گیرد و با تابش لیزر به آن، ذرات فلز پخته شده و به یکدیگر میچسبند و در نهایت یک لایه ساخته می‌شود. به همین ترتیب لایه‌های بعدی هم شکل می‌گیرند.

5) پرینتر سه بعدی DLP

پرینترهای سه بعدی DLP هم مانند پرینترهای سه بعدی SLA عمل می‌کنند. با این تفاوت که نور UV در پرینتر DLP، توسط ویدئو پروژکتور تابیده می‌شود و در پرینترهای SLA، نور UV توسط لیزر به مدل تابیده می‌‎شود.مواد اولیه برای ساخت مدل در این پرینتر از رزین سرامیکی و رزین قابل ریخته‌گری بوده و فناوری چاپ هم به صورت لایه‌ای عمل می‌کند.از پرینترهای DLP، بیشتر در صنعت پزشکی، دندانپزشکی و ساخت جواهرات استفاده می‌شود.

برای ساخت ارتودنسی‌های شفاف، این نوع پرینتر کاربرد زیادی دارد.در صنعت طلا و جواهر هم ابتدا مدل سه بعدی را ساخته و وارد پروسه ریخته‌گری می‌شود. در نهایت هم قطعه فلزی ساخته می‌شود.

کاربرد پرینترهای سه بعدی در زمینه های مختلف :

1) کاربرد در علم پزشکی : استفاده از پرینترهای سه بعدی در علم پزشکی تاثیرات بسیار مثبتی در نتایج تحقیقات ، شناسایی و درمان انواع بیماری ها و عمل جراحی ها خواهد داشت که عبارت اند از :

• پرینت سه بعدی surgical guide و راهنماهای عمل جراحی و تشخیص بیماری
• پرینت سه بعدی قطعات کنترلی در عمل زیبایی
• پرینت سه بعدی خروجی های MRI و سی تی اسکن و تصویرهای پزشکی سه بعدی
• پرینت سه بعدی استخوان، فک جمجمه و اعضا بدن
• ساخت قطعات منعطف جهت کستینگ و استفاده در فرایند پزشکی
• ساخت مدل های اندام جهت استفاده در فرایند ریخته گیری مستقیم و یا ریخته گری دقیق
• پرینت سه بعدی دندان جهت استفاده در فرایند ساخت قالب های اصلاحی و ارتودونسی
• پرینت سه بعدی بافت ها و شبکه های خاص جایگزین بافت طبیعی
• پرینت سه بعدی اندام و اعضا بدن جهت مباحث آموزشی
• پرینت سه بعدی مدل های اینسرت جهت ریخته گری مستقیم و غیر مسقیم
• پرینت سه بعدی و اصلاح انواع آتل ، پروتز و ارگان های مصنوعی

2) کاربرد پرینتر سه بعدی در علم شیمی : چاپگر سه بعدی برای مواد شیمیایی می تواند مولکول های پیچیده را به سازه های اصلی شیمیایی آن تجزیه کند. دستگاه قادر به شناسایی و تجزیه و تحلیل هر یک از بلوک های مختلف مولکول است که اجازه می دهد ماشین تجزیه ساختار پیچیده مولکول را انجام دهد.

سپس دستگاه قادر به اتصال همه ی بلوک های شیمیایی به یکدیگر می باشد، در حالی که تولیدات جانبی ناخواسته را به طور همزمان برای مدیریت بیش از 200 بلوک ساختمانی شیمیایی آزاد می کند. توانایی دستگاه برای مدیریت این بلوک ها، آن را قادر می سازد تا هزاران مولکول را کنترل کند، به این ترتیب می توان ماشین را برای چاپ میلیاردها ترکیب آلی آماده کرد.

3) کاربرد پرینتر سه بعدی در آموزش : طور کلی از پرینترهای 3 بعدی برای پرینت سه بعدی مدل های مفهومی جهت آموزش دروس مفهومی پیچیده در کلاس درس و انجام پروژه های درسی مرتبط و تبدیل ایده های دانش آموزی به واقعیت استفاده می شود.دانش آموزان بسیاری در واحدهای آموزشی و مدارس، بخصوص مدارس کار و دانش و فنی و حرفه ای از چاپگرهای سه بعدی استفاده می نمایند.این کار باعث می شود تا قوه خلاقیت پرورش یافته و ایده جدید ارائه گردد و راه ورود به بازار کار فراهم و هموار گردد.

4) کاربرد پرینتر سه بعدی در مصارف خانگی : ایده وجود پرینتر سه بعدی در هر خانه برای آن که با آن بتوان اشیاء ساده پلاستیکی را ساخت جذاب است ولی تا به حال به صورت فراگیر در سراسر جهان شاهد آن نیستیم. چاپگرهای سه بعدی قیمت بالایی دارند و ساختن مدل های مختلف با استفاده از این فناوری حتی مدل های ساده- چند دقیقه تا چند ساعت به طول می انجامد و البته قبل از آغاز پرینت سه بعدی شما باید مدل سه بعدی قطعه مورد نظر را در نرم افزارهای طراحی سه بعدی طراحی کنید . ضمن این که باید مبلغی را هم که برای خرید ماده اولیه دستگاه های نمونه سازی سریع می پردازید در نظر داشته باشید.