راهنمای پرینتر سه بعدی

یکی از جدیدترین فناوری های روز دنیا همین پرینتر های سه بعدی است که با استقبال خیلی زیادی رو به رو شده است. خصوصا از طرف کسانی که خلاقیت های زیادی برای ساخت اشیا و یا خلق ایده های جدید دارند و باعث شد تا خیلی از موانع ها از سر راه این افراد برداشته شود.

در این روزها شاهد هستیم که علاوه بر دنیای بزرگ صنعت که وجود پرینترهای سه بعدی باعث رشد آنها و کم کردن هزینه های آنها شد، در بیمارستان ها و آزمایشگاه ها برای تحقیقات بر روی اکتشافات جدید نیز مورد استفاده قرار میگیرد.

.

پرینتر سه بعدی چیست؟

دستگاه پرینتر سه بعدی Three-Dimensional Printingیا به اختصار 3D Printing در واقع دستگاهی شبیه به دستگاه های سی ان سی است که می تواند یک فایل سه بعدی طراحی شده با استفاده از نرم افزارهای سه بعدی و یا اسکنر سه بعدی را با استفاده از یک متریال، لایه هایی را در سه بعد مختصات با دقت در کنار قرار دهد و به یک شیء فیزیکی قابل لمس تبدیل کند.

.

نحوه کار پرینتر سه بعدی چگونه است؟

نحوه کار پرینترهای سه بعدی بدین صورت است که فایل سه بعدی بعد از اسلایس شدن و اعمال تنظیمات نحوه پرینت و انتقال آن به دستگاه و بارگذاری مواد مصرفی و یا همان فیلامنت، دستگاه شروع به کار نموده و مدل فیزیکی را بصورت لایه به لایه پرینت نموده و می سازد.یکی از کاربردهای پرینترهای سه بعدی، مدلسازی های اولیه و در پاره ای از موارد ساخت محصول نهایی است.

بطور کلی می توان گفت که مهمترین کاربرد این دستگاه، نمونه سازی اولیه محصول جهت کنترل و ایراد یابی محصول طراحی شده و رفع ایرادهای احتمالی و در نهایت تولید انبوه محصول توسط روشهای تولید دیگر مانند ریخته گری و یا تزریق پلاستیک است.

.

اساس کار پرینتر سه بعدی

بر خلاف دستگاه های تولید سنتی مانند دستگاه تراش و یا دستگاه فرز که قطعه سه بعدی با براده برداری و یا تراش فلز تولید می شود، در چاپگر سه بعدی، مدل سه بعدی با بارگذاری و یا افزودن مواد بر روی همدیگر تولید می شود.

این کار شباهت بسیار زیادی به کار ساختمان سازی و یا دیوار سازی توسط یک بنا دارد. همانطور که بنا برای ساخت دیوار آجرها را لایه به لایه بر روی هم می چیند، در پرینترهای سه بعدی نیز مواد بصورت لایه به لایه روی همدیگر چیده می شوند تا در نهایت مدل سه بعدی ساخته شود.در پرینترهای سه بعدی با تکنولوژی FDM، مواد و یا همان فیلامنت توسط اکسترودر به داخل هیتر و یا گرم کن هدایت شده و در آنجا ذوب شده و از طریق نازل تزریق می گردد.

مواد تزریق شده توسط یک سیستم حرکتی بر روی صفحه و بر اساس یک برنامه از پیش تعریف شده تزریق می گردد و این کار آنقدر تکرار می گردد تا قطعه سه بعدی ساخته شود. به همین دلیل به آن تکنولوژی ساخت افزایشی و یا additive manufacturing گفته می شود. لازم به ذکر است که انواع مختلفی از پرینترهای سه بعدی با تکنولوژی های مختلف وجود دارد که در این جا به بررسی برخی از آنها پرداخته می شود.

.

انواع تکنولوژی و فناوری های پرینتر سه بعدی

پرینتر سه بعدی FDM (fused deposition modeling) یا FFF (fused filament fabrication):

معروف ترین و پر کاربردترین تکنولوژی پرینتر سه بعدی است. در این تکنولوژی مواد پلاستیکی (ترموپلاستیک که فیلامنت نامیده میشود) به صورت رشته وارد دستگاه شده و بعد از ذوب در نازل، بر روی صفحه تزریق شده و لایه های یک جسم روی هم گذاشته میشود و مدل سه بعدی پرینت می گردد.

پرینتر سه بعدی FDM برای نمونه سازی سریع و کم هزینه قطعات ساده ، مانند قطعاتی که معمولاً ماشینکاری می شوند ، مناسب می باشد.

پرینتر سه بعدی رزینی (DLP – digital light processing) :

در این نوع از پرینترهای سه بعدی، از مواد رزین حساس به نور استفاده می شود که توسط نور UV جامد می شوند. به طور کلی سه مدل سیستم تابش نور وجود دارد که نام تکنولوژی بر اساس نوع نور مورد استفاده تغییر می کند.

فناوری SLA (Setereo Lithography Aparatu)

در صورتی که نور با استفاده از لیزر نقطه ای بر روی صفحه ساخت تابیده شود به آن پرینتر سه بعدی SLA گفته می شود. اولین پرینتر های سه بعدی ، از این روش استفاده می کردند و به عبارتی فناوری SLA نخستین فناوری در چاپگر های 3 بعدی می باشد.

در این روش از رزین فوتوپلیمر برای ساخت اجسام به صورت نرم استفاده می گردد که آن را به صورت انتخابی توسط لیزری با طول موج معین ، سفت و جامد می کنند.

در روش SLA میتوان اجسام به صورت شفاف نیز تولید کرد که دقت بالایی نیز دارند. در این فناوری نیاز است تا در زیر قسمت هایی از جسم که دارای زاویه منفی هستند ، ساپورت گذاری انجام شود که این کار توسط نرم افزار های مربوطه انجام می گردد. نیاز به فرایند ساپورت گذاری در روش چاپ SLA ، برخی محدودیت ها را در چاپ اجسام ایجاد می کند.

LCD وDLP

در صورتی که نور UV با استفاده از پروژکتور تابیده شود به آن پرینتر سه بعدی DLP گفته می شود و در نهایت در صورتی که نور توسط ال سی دی ایجاد شود به آن پرینتر سه بعدی LCD گفته می شود که مورد سوم ارزان ترین و پرکاربردترین نوع است.

پرینترهای سه بعدی فلزی یا پودری

این نوع پرینترهای سه بعدی از پودر پلیمر و یا فلز جهت ساخت قطعه استفاده می کنند و از دقت و کیفیت بسیار خوبی برخوردار هستند.

در صورتی که پودر از نوع پلاستیک و یا پلیمری باشد به آن پرینتر سه بعدی SLS گفته می شود و برای پودرهای فلز از پرینتر سه بعدی SLM استفاده می شود که توان لیزر بالاتری دارند و همچنین مجهز به محفظه خلاء و یا گاز خاص می باشند.

این چاپگرها کاربرد بسیار خوبی در صنعت دارند و هم اکنون کمپانی های بزرگ کشورهای صنعتی از آن استفاده میکنند.

فناوری PolyJet :

PolyJet یک فناوری پرینت 3 بعدی قدرتمند است که قادر است قطعاتی صاف، دقیق، نمونه های اولیه و انواع ابزارآلات را با دقتی تا 0.014 میلی متر، تولید کند. پرینتر سه بعدی PolyJet قادر است دیواره های نازک و هندسه های پیچیده را با استفاده از وسیع ترین طیف مواد و همچنین رنگ های موجود با هر فناوری تولید کند.

در این تکنولوژی از سفت شدن قطرات رزین فوتوپلیمر با استفاده از نور فرابنفش استفاده می شود. هر چند گفتنی است که هزینه ی پرینت با این دستگاه ها بالا است و قطعات تولیدی نیز شکننده هستند.

.

فیلامنت چیست؟

پرینتر های سه بعدی برای ساخت قطعات سه بعدی به فیلامنت (Filament)، که موادی پلاستیکی که شبیه به رشته های ماکارونی هستند نیاز دارند. فیلامنت در واقع ماده اصلی مورد استفاده در پرینتر های 3 بعدی می باشد. پرینتر 3 بعدی یا چاپگرهای سه بعدی بدون فیلامنت کاربردی ندارند و مثل خودکار بدون جوهر هستند.

.

مراحل چاپ سه بعدی

با اینکه روش های مختلفی برای چاپ سه بعدی وجود دارد، اما مراحل اصلی همهٔ آن ها مشترک است:

1. ساخت فایل سه بعدی: اولین مرحله در چاپ سه بعدی ساخت مدل سه بعدی آن در رایانه است. این کار به کمک تمامی نرم افزارهای مدل سازی سه بعدی مرسوم یا CAD انجام می شود. از مهندسی معکوس و اسکن سه بعدی قطعه ای که موجود است نیز در بعضی موارد می توان استفاده کرد.
2. ساخت فایل STL مدل: برای اینکه چاپگر سه بعدی، بتواند مدل سه بعدی طراحی شده را شناسایی کند، فرمت CAD این مدل باید تبدیل به فرمتی شود که برای چاپگر3بعدی قابل خواندن باشد؛ برای این منظور، فایل باید تبدیل به فرمت اس تی ال (STL: STereoLithography) شود. فرمت های 3DP و OBJ نیز با محبوبیت کمتری کاربرد دارند. فرمت اس تی ال برای معرفی مدل به چاپگر از چندوجهی ها یا مثلث ها استفاده می کند. پس از ساخت فایل اس تی ال، آن را داخل یک برنامه ـ که عمل لایه گذاری فایل را انجام می دهد و «Slicer» نامیده می شود ـ در اصطلاح، Import یا واردسازی می کنیم. برنامهٔ «اسلایسر» مدل را می گیرد و آن را تبدیل به G-code می کند. جی کد زبان برنامه نویسی دستگاه های سی ان سی و چاپگرهای سه بعدی است.
3. چاپ مدل: دستگاه های مختلف وجود دارند که هر کدام با سازکارهای مختلفی قطعهٔ مدل را چاپ می کنند.
4. جدا کردن قطعهٔ چاپ شده: در بعضی دستگاه ها جدا کردن قطعهٔ کاملاً ساده و بدون مشکل انجام می شود. در بعضی مدل های صنعتی تر، این کار یک فرایند کاملاً فنی و دقیق است.
5. پس پردازش (Post-Processing): پس پردازش یا مرحلهٔ پس تولید در فناوری های مختلف متفاوت است. در بعضی موارد قطعه باید زیر اشعهٔ فرابنفش به عمل آید.

.

مزایای پرینتر سه بعدی

اگر بخواهیم از مزایای دستگاه پرینتر سه بعدی صحبت کنیم، می توانیم بگوئیم که این تکنولوژی باعث ایجاد تغییرات زیادی در زندگی امروزی شده است و دلیل این تغییرات عملکرد بالای این دستگاه در تولید مدلهای سه بعدی پیچیده و کاهش بسیاری از هزینه های پیش تولید و بخصوص نمونه سازی است.

علاوه بر موارد فوق، استفاده از پرینتر سه بعدی در پروسه تولید کالاهای خاص و سفارشی، باعث صرفه جویی بسیار بالایی در هزینه هایی مانند ساخت قالب که پیش از این به صورت سنتی انجام می شد و بسیار پروسه زمان بری بود می شود. با توجه به نوع ماده مصرفی جهت تولید کالا، در برخی موارد مانند مواد سیلیکون می توان به کمک پرینتر سه بعدی قالب را پرینت سه بعدی نموده و مستقیماً از آن جهت قالب گیری مواد مختلف استفاده نمود.

همچنین استفاده از پرینتر سه بعدی به جای روشهای سنتی تولید، باعث کاهش دور ریز و یا ضایعات می شود که این موضوع علاوه بر محیط زیست، باعث کاهش هزینه های تولید نیز میگردد.در پرینترهای سه بعدی، پیچیده بودن یک مدل زیاد حائز اهمیت نیست و دستگاه پرینتر سه بعدی می تواند یک مدل سه بعدی با پیچیدگی بسیار زیاد را پرینت نموده و آماده استفاده نماید.

به عبارت دیگر قطعات پیچیده ای که پیش از امکان تولید آنها به روشهای سنتی وجود نداشت، امروزه به کمک پرینتر سه بعدی قابل تولید است و این باعث می شود تا پروسه تولید یک محصول به دلیل ترکیب شدن چندین قطعه در همدیگر و ایجاد یک قطعه پیچیده کوتاهتر شود.

.

معایب پرینتر سه بعدی چیست؟

هر دستگاهی در کنار مزایای خود دارای معیبی نیز هست و می توان گفت که دستگاه بی عیب نداریم. برخی از معایب و یا نقاط ضعف عبارتند از:

• مقرون به صرفه نبودن تولید انبوه : دستگاه های پرینتر سه بعدی برای نمونه سازی و یا ساخت تعداد محدودی از قطعات کارایی دارند. در صورتی که هدف تولید انبوه یک محصول و یا قطعه باشد، استفاده از پرینتر سه بعدی مقرون به صرفه نخواهد بود.
• کند بودن پروسه تولید: بطور کلی سرعت این دستگاه ها در مقایسه با سایر روشهای تولیدی مانند دستگاه تزریق پلاستیک کند است و به همین دلیل دستگاه مناسبی برای تولید انبوه نیستند.
• مواد مصرفی محدود: بر خلاف روشهای سنتی تولید که تنوع مواد اولیه آن بسیار بالا است، در پرینترهای سه بعدی، تنوع مواد مصرفی محدود است و این موضوع در برخی موارد مانع از بکارگیری آن در تولید محصول خاصی با مواد خاص می شود.
• محدودیت ابعادی: هر دستگاه دارای محدودیت ابعادی است و نمی توان قطعات بزرگتر از حجم پرینت دستگاه پرینت نمود مگر آنکه آن را چندین تکه کرده و جداگانه پرینت شوند.

.

کاربردهای پرینتر سه بعدی

می توان گفت که از این دستگاه می توان تقریباً در تمامی صنایع استفاده نمود. برخی از صنایعی که به وفور از آن استفاده می شود عبارتند از

• هوا و فضا
• معماری و ماکت سازی
• صنایع اتومبیل سازی
• صنعت محصولات تجاری و کالاهای مصرفی
• تجهیزات الکترونیکی
• صنایع نظامی و انتظامی پزشکی و دندانپزشکی
• آموزش
• قالب سازی