همه چیز درباره چاپ سه بعدی

آخرین به روزرسانی

مقدمه

چاپ سه بعدی (به انگلیسی 3D Printing ) به یک روش متداول برای تولید طیف وسیعی از قطعات، از گجت‌ها و اسباب‌بازی‌های پلاستیکی گرفته تا قطعات پیچیده هوافضا، تبدیل شده است. چاپ سه‌بعدی مجموعه‌ای گسترده از فناوری‌ها، تکنیک‌ها و مواد را دربرمی‌گیرد. در این مطلب قصد داریم ضمن معرفی این فناوری به شما بگوییم چاپ سه‌بعدی چیست، چگونه کار می‌کند، با آن چه چیزهایی می‌توان ساخت، نقاط ضعف و قوت آن چیست، و چه کاربردهایی دارد. همچنین نکات کلی برای بهینه‌سازی چاپ و تولید قطعات باکیفیت را نیز معرفی می‌کنیم.

در این مطلب قصد داریم به طور جامع به بررسی چاپ سه‌بعدی بپردازیم. از تعریف و تاریخچه این فناوری گرفته تا انواع روش‌های چاپ، مهارت‌های لازم، نرم‌افزارها، مزایا و معایب، و نکات مربوط به تولید قطعات باکیفیت، همه چیز را در این مطلب خواهید یافت.

چاپ سه بعدی چیست؟

چاپ سه‌بعدی(3D Printing) یا ساخت افزایشی(Additive Manufacturing یا AM) به یک روش متداول برای تولید طیف وسیعی از قطعات، از اقلام پلاستیکی سطح پایین گرفته تا قطعات پیچیده هوافضا، تبدیل شده است. مفهوم پایه در این روش‌ها شکل‌دهی تدریجی قطعه، لایه به لایه است.

پیدایش چاپ سه بعدی

در این بخش پست یا فرسته به تاریخچه و پیدایش پرینتر های سه بعدی نگاهی مختصر می اندازیم.

چه کسی اولین بار چاپ سه بعدی را اختراع کرد؟

بر اساس تاریخچه پذیرفته‌شده چاپ سه بعدی، چارلز هال مخترع چاپ سه بعدی است. او فرایند استریولیتوگرافی را در سال 1986 ایجاد کرد و حق ثبت اختراع آن را نیز به نام خود کرد. چارلز هال همچنین یکی از بنیانگذاران شرکت DTM Inc است که بعداً به 3D Systems تغییر نام داد. این شرکت تا به امروز یکی از تولیدکنندگان مطرح دستگاه‌های چاپ سه بعدی در جهان است. لازم به ذکر است که هیدئو کوداما اولین بار در سال 1980 مقاله‌ای در مورد استفاده از فوتوپلیمرها برای ساخت سریع قطعات پلاستیکی منتشر کرد اما نتوانست حق ثبت اختراع آن را کسب کند.

پرینترهای سه‌ بعدی از چه زمانی ظهور کردند؟

شرکت 3D Systems در سال 1986 توسط چارلز هال برای تجاری‌سازی دستگاه‌های چاپ سه بعدی تأسیس شد. در سال 1987 این شرکت نمونه اولیه SLA-1 را توسعه داد. این اولین چاپگر سه بعدی بود و بر اساس فرآیند استریولیتوگرافیِ ثبت اختراع‌شده توسط هال کار می‌کرد. در این پرینتر، از یک لیزر ماوراءبنفش برای سخت کردن فوتوپلیمر و ایجاد قطعه نهایی استفاده می‌شود.

با چاپگر سه بعدی چه می‌توان ساخت؟

چاپگرهای سه بعدی مدرن می‌توانند تقریباً هر نوع قطعه‌ای را بسازند. در اینجا چند نمونه مهم ارائه شده‌اند تا نشان دهند با چاپگرهای سه‌بعدی چه چیزهای پیشرفته‌ای می‌توان تولید کرد:

• بدنه موشک: یک شرکت فضایی آمریکایی به نام Relativity Space از روش چاپ سه‌بعدی فلزات به نام SLM(Selective Laser Melting) استفاده می‌کند. این شرکت قطعات موشک مانند نازل موتور، مخازن سوخت و حتی بدنه موشک را با چاپگر سه‌بعدی تولید می‌کند.‌
• ایمپلنت پزشکی: بیمارستان دانشگاه Skåne در سوئد یکی از اولین مراکزی بود که با چاپ سه‌بعدی، ایمپلنت جمجمه از جنس پلیمر PEEK (یک ترموپلاستیک مهندسی پیشرفته) ساخت.
• بدنه قایق: دانشگاه مِین از یک پرینتر سه‌بعدی FDM بزرگ که بر روی یک دروازه متحرک نصب شده بود، موفق شد بدنه کامل یک قایق را چاپ کند. این بدنه پس از چاپ کاملاً آب‌بند بوده و نیازی به درزگیری نداشته است.

کاربردهای صنعتی موارد مهمی هستند که هزینه‌های قابل‌توجهی به همراه دارند اما با چاپگرهای سه‌بعدی خانگی هم می‌توانید تعداد زیادی قطعه کاربردی و تزئینی بسازید. پلتفرم‌های آنلاین مانند Thingiverse دارای کاتالوگ‌های گسترده‌ای از فایل‌های قابل چاپ هستند.

چه مهارت‌هایی برای چاپ سه بعدی موردنیاز است؟

چاپ سه‌بعدی، انقلابی در صنعت تولید ایجاد کرده است. این فناوری به شما اجازه می‌دهد تا ایده‌های خود را به واقعیت تبدیل کرده و نمونه‌های اولیه، قطعات سفارشی و حتی محصولات نهایی را تولید کنید. اما برای تسلط بر این فناوری و استفاده حداکثری از آن، به مجموعه خاصی از مهارت‌ها نیاز دارید. در ادامه، به برخی از مهم‌ترین مهارت‌های مورد نیاز برای چاپ سه‌بعدی می‌پردازیم.

مهارت‌های پایه

• تسلط بر نرم‌افزارهای برش: این نرم‌افزارها نقش پل ارتباطی بین مدل‌های سه‌بعدی و پرینتر را ایفا می‌کنند. با استفاده از این نرم‌افزارها، مدل‌های سه‌بعدی به لایه‌های نازکی تقسیم شده و دستورالعمل‌های چاپ برای پرینتر ایجاد می‌شود. نرم‌افزارهایی مانند Cura، PrusaSlicer و Simplify3D از محبوب‌ترین گزینه‌ها هستند.
• آماده‌سازی مدل‌های سه‌بعدی: قبل از چاپ، مدل‌های سه‌بعدی باید آماده‌سازی شوند. این شامل بررسی و رفع مشکلات هندسی، بهینه‌سازی ضخامت دیواره‌ها و پشتیبانی‌ها و اطمینان از کیفیت بالای مدل است.
• کالیبراسیون پرینتر: برای دستیابی به بهترین نتایج، کالیبراسیون دقیق پرینتر ضروری است. این شامل تنظیمات اولیه، کالیبراسیون محورها و تنظیمات حرارتی است.

مهارت‌های پیشرفته

• طراحی برای تولید (DFM): طراحی قطعاتی که به راحتی قابل چاپ باشند، نیازمند درک اصول DFM است. این اصول شامل رعایت محدودیت‌های هندسی، به حداقل رساندن سطوح آویزان و انتخاب مواد مناسب است.
• مدل‌سازی سه‌بعدی: توانایی ایجاد مدل‌های سه‌بعدی از ابتدا با استفاده از نرم‌افزارهای CAD مانند SolidWorks، Fusion 360 یا Blender، به شما امکان می‌دهد تا خلاقیت خود را به نمایش بگذارید.
• انتخاب مواد و فرآیندهای چاپ: با توجه به نوع پروژه و کاربرد قطعه، انتخاب مواد و فرآیند چاپ مناسب بسیار مهم است. هر ماده و فرآیند، ویژگی‌ها و محدودیت‌های خاص خود را دارد.
• تعمیر و نگهداری پرینتر: آشنایی با اجزای مختلف پرینتر و نحوه تعمیر و نگهداری آن‌ها، به افزایش طول عمر دستگاه و کاهش مشکلات کمک می‌کند.

مهارت‌های جانبی مفید

• حل مسئله: در چاپ سه‌بعدی، مشکلات مختلفی ممکن است پیش بیاید. توانایی تحلیل مشکلات و یافتن راه حل‌های خلاقانه، یک مهارت ارزشمند است.
• کار گروهی: در بسیاری از پروژه‌ها، همکاری با افراد دیگر ضروری است. توانایی کار در تیم و ارتباط موثر، به موفقیت پروژه کمک می‌کند.

چاپ سه بعدی چگونه کار می‌کند؟

چاپ سه‌بعدی با تبدیل یک مدل سه‌بعدی به مجموعه‌ای از دستورالعمل‌های کامپیوتری برای ساخت تدریجی قطعه، لایه به لایه، کار می‌کند. اکثر فناوری‌های چاپ سه‌بعدی از همین اصل پایه برای تولید اشیاء سه‌بعدی استفاده می‌کنند.

انواع چاپ سه بعدی

اکثر پرینترهای سه‌بعدی با ساخت قطعه به صورت لایه به لایه کار می‌کنند. تفاوت این روش‌ها در نوع مواد اولیه و نحوه‌ی اتصال لایه‌ها به یکدیگر برای ساخت قطعه نهایی است. 3 نوع اصلی پرینترهای سه‌بعدی عبارتند از:

1. استریولیتوگرافی (SLA)

در این روش، یک لیزر پرتوان به سطح یک مخزن مایع که حاوی فوتوپلیمر است تابانده می‌شود. این لیزر با تابش به نقاط مشخص، باعث سخت شدن و پلیمریزاسیون مایع در آن نقاط می‌شود. به این ترتیب، هر لایه از قطعه به صورت جداگانه ساخته می‌شود و پس از اتمام چاپ، قطعه از مخزن خارج می‌شود.

2. پخت لیزری گزینشی (SLS)

در این روش، یک لیزر پرتوان به سطح یک پودر پلیمری یا فلزی تابانده می‌شود. لیزر با ذوب کردن ذرات پودر در نقاط مشخص، باعث اتصال آنها به یکدیگر و ایجاد یک لایه از قطعه می‌شود. سپس یک لایه جدید از پودر روی سطح قبلی پخش شده و این فرآیند تکرار می‌شود تا قطعه نهایی ساخته شود.

3. مدل‌سازی رسوب مذاب (FDM)

در این روش، فیلامنت پلیمری (معمولاً از جنس ABS یا PLA) به داخل یک نازل گرم هدایت می‌شود. نازل با ذوب کردن فیلامنت و هدایت آن به نقطه‌ای مشخص، لایه‌های قطعه را به صورت جداگانه می‌سازد. پس از اتمام چاپ، قطعه از روی صفحه ساخت جدا می‌شود.

معروف‌ترین فناوری چاپ سه‌بعدی کدام است؟

معروف‌ترین فناوری چاپ سه‌بعدی FDM (مدل‌سازی رسوب مذاب) است. این روش به دلیل محبوبیت در بین علاقه‌مندان به چاپ سه‌بعدی و همچنین ارزان‌تر بودن پرینترهای FDM، به عنوان شناخته‌شده‌ترین روش شناخته می‌شود.

چه نرم‌افزاری برای چاپ سه‌بعدی نیاز دارم؟

نوع نرم‌افزار چاپ سه‌بعدی در درجه اول توسط فناوری چاپ سه‌بعدی مورد استفاده تعیین می‌شود. در ادامه به برخی از رایج‌ترین نرم‌افزارها برای هر فناوری چاپ سه‌بعدی اشاره می‌کنیم:

• Ultimaker Cura: این نرم‌افزار توسط شرکت Ultimaker توسعه داده شده و برای آماده‌سازی مدل‌های سه‌بعدی برای چاپ با پرینترهای FDM به طور گسترده استفاده می‌شود. این نرم‌افزار را می‌توان با هر برند پرینتر FDM استفاده کرد.
• PreForm: این نرم‌افزار برای آماده‌سازی مدل‌های SLA برای چاپ با هر نوع پرینتر SLA شرکت Formlabs استفاده می‌شود.
• 3D Sprint: این نرم‌افزار توسط شرکت 3D Systems برای آماده‌سازی مدل‌ها برای چاپ با طیف وسیعی از پرینترها شامل FDM، SLA و SLS طراحی شده است.

برای تولید قطعات باکیفیت با چاپ سه‌بعدی چه باید کرد؟

توانایی شما در تولید قطعات باکیفیت با چاپ سه‌بعدی تا حد زیادی به رعایت اصول DFM (طراحی برای تولید) در این فناوری بستگی دارد. نکات مهم در این زمینه عبارتند از:

• محدود کردن سطوح معلق: چاپ بسیاری از اشیاء سه‌بعدی با سطوح معلق بزرگ (Overhang) با مشکل روبرو می‌شود. سطوح معلق به ساختارهای پشتیبانی نیاز دارند که بعداً باید جدا شوند و این کار به مراحل اضافی و کاهش کیفیت سطح قطعه منجر می‌شود.
• کاهش ارتفاع لایه: ارتفاع لایه، ضخامت هر لایه در چاپ را تعیین می‌کند. هرچه ارتفاع لایه کمتر باشد، وضوح و کیفیت سطح قطعه بیشتر می‌شود.
• کاهش سرعت: کاهش سرعت چاپ، زمان تولید قطعه را افزایش می‌دهد اما معمولاً به افزایش کیفیت چاپ قطعه منجر می شود.

مزایای چاپ سه بعدی

• انعطاف‌پذیری در طراحی: چاپ سه‌بعدی به شما امکان می‌دهد تا تقریباً هر چیزی را که می‌توانید تصور کنید، طراحی و تولید کنید.
• کاهش هزینه‌ها: چاپ سه‌بعدی می‌تواند در تولید انبوه قطعات پیچیده، مقرون به صرفه‌تر از روش‌های سنتی مانند قالب‌گیری باشد.
• تولید سریع: چاپ سه‌بعدی به شما امکان می‌دهد تا نمونه‌های اولیه را سریع‌تر و آسان‌تر از روش‌های سنتی تولید کنید.
• کاهش ضایعات: چاپ سه‌بعدی به دلیل استفاده بهینه از مواد اولیه، ضایعات کمتری تولید می‌کند.

معایب چاپ سه بعدی

• سرعت کم: چاپ سه‌بعدی در مقایسه با روش‌های سنتی تولید انبوه، سرعت پایینی دارد.
• هزینه بالای مواد: برخی از مواد اولیه چاپ سه‌بعدی مانند فلزات، می‌توانند بسیار گران باشند.
• کیفیت سطح: کیفیت سطح قطعات چاپ شده به اندازه قطعات تولید شده با روش‌های سنتی مانند ماشینکاری، صاف و صیقلی نیست.
• نیاز به مهارت تخصصی: برای استفاده از چاپگر سه‌بعدی و تولید قطعات باکیفیت، به مهارت و دانش تخصصی نیاز دارید.

آینده چاپ سه بعدی

چاپ سه‌بعدی به سرعت در حال تحول و پیشرفت است. انتظار می‌رود در سال‌های آینده شاهد پیشرفت‌های قابل‌توجهی در این زمینه باشیم. این پیشرفت‌ها شامل افزایش سرعت چاپ، کاهش هزینه‌ها، توسعه مواد جدید و کاربردهای جدید در صنایع مختلف خواهد بود.

خلاصه

چاپ سه بعدی روشی نوین برای ساخت اشیا به صورت لایه به لایه است. این فناوری از یک مدل دیجیتال سه بعدی، شیء فیزیکی را تولید می‌کند. با چاپ سه بعدی می‌توان طیف وسیعی از محصولات را از اسباب‌بازی گرفته تا قطعات صنعتی ساخت. مزایای این روش شامل انعطاف‌پذیری در طراحی، کاهش هزینه‌ها و تولید سریع است. با این حال، سرعت پایین، هزینه بالای مواد و نیاز به مهارت تخصصی از جمله چالش‌های این فناوری محسوب می‌شوند. چاپ سه بعدی به سرعت در حال توسعه است و انتظار می‌رود در آینده کاربردهای گسترده‌تری پیدا کند.این مقاله برای اولین بار در سایت بازارگاه ساخت و تولید ایران به نشانی Digimfg.ir منتشر شده است.

منابع

xometry.com/resources/3d-printing/3d-printing-guide

سلب مسئولیت

محتوای ارائه شده در این صفحه وب صرفا جنبه اطلاع رسانی دارد. DIGIMFG هیچگونه ضمانت یا مسئولیتی، چه به صورت صریح یا ضمنی، در خصوص صحت، کامل بودن یا اعتبار اطلاعات بر عهده نمی گیرد. پارامترهای عملکرد، تلرانس های هندسی، ویژگی‌های طراحی خاص، کیفیت یا نوع مواد، یا فرایندها را نباید نمایانگر آنچه توسط تأمین کنندگان یا تولیدکنندگان شخص ثالث در شبکه DIGIMFG ارائه می‌شود، دانست. خریدارانی که به دنبال دریافت قیمت هستند موظفند تا الزامات فنی ویژه موردنیاز برای قطعات را تعریف کنند. برای کسب اطلاعات بیشتر، لطفاً به شرایط و ضوابط ما مراجعه کنید.