پرینتر 3 بعدی چیست

پرینت سه بعدی یا چاپ سه بعدی فرایندی است که در آن قطعات و اشیاء سه بعدی با استفاده از یک دستگاه و یک فایل دیجیتال چاپ می‌شوند. در این فرایند، یک مدل سه بعدی از جسم مورد نظر با استفاده از نرم‌افزارهای طراحی سه بعدی ایجاد می‌شود و سپس به یک پرینتر سه بعدی منتقل می‌شود. سپس دستگاه پرینتر با استفاده از نور UV، لیزر یا حرارت، لایه‌های مختلف مواد را به هم متصل کرده و شکل جسم را بسیار دقیق و با جزئیات بالا می‌سازد. در این دستگاه‌ها مواد مختلفی مانند پلاستیک، فلزات، چوب، مصالح رزینی و … به صورت لایه‌ای به هم متصل می‌شوند تا شکل نهایی محصول حجمی ایجاد شود.

از این فناوری برای ساخت قطعات و اشیاء در صنایع مختلف مانند صنایع خودروسازی، هوافضا، پزشکی، ساختمانی و طراحی لوازم خانگی، طراحی گرافیکی و… استفاده می‌شود. همچنین، با پیشرفت فناوری، پرینت سه بعدی به عنوان یک ابزار خلاقیت و برای تولید شخصی نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد.

تاریخچه

اولین تجهیزات چاپ سه بعدی در دهه 1980 توسط Hideo Kodama توسعه داده شد تحقیقات او در چندین مقاله منتشر شد و منجر به ثبت اختراع خود در نوامبر 1981 شد، اما عدم علاقه کامل باعث شد که پروژه به جایی نرسد. در این دهه چارلز هال، مهندس آمریکایی اولین پرینتر 3 بعدی به نام Chuck Hull را با استفاده از فرایند استریولیتوگرافی اختراع کرد. این روش اولین فرآیند چاپ سه‌بعدی بود که از نور ماوراء بنفش برای ساختن لایه‌های نازک از مواد پلاستیکی استفاده می‌کرد. هال در سال 1986 این تکنولوژی را ثبت اختراع کرد. بر اساس حق ثبت اختراع او برای پخت فتوپلیمرها با استفاده از تشعشع، ذرات، واکنش شیمیایی یا لیزر، طراحی او  داده­های مکانی را از یک فایل دیجیتالی به اکسترودر یک چاپگر سه بعدی فرستاد تا جسم را یک لایه در یک زمان بسازد.

شرکت هال، 3D Systems Corporation، اولین دستگاه استریولیتوگرافی (SLA) جهان را در سال 1987 منتشر کرد. این دستگاه قادر به تولید قطعات پیچیده، به صورت لایه به لایه، در کسری از زمانی که به طور معمول طول می‌کشد، بود. هال در ادامه بیش از 60 حق ثبت اختراع را در مورد این فناوری ثبت کرد و پدرخوانده جنبش نمونه­سازی سریع و اختراع فرمت فایل STL شد که هنوز هم از این فرمت فایل استفاده می­شود.

در این دوره، پرینت سه بعدی یک فناوری نوظهور بود و اگر محصول از پلیمرهای محبوب ساخته شده بود، در هنگام گیرش تمایل به تاب برداشتن داشتند. در آن زمان، دستگاه‌های پرینت سه بعدی فقط در کارخانه‌های تولید سنگین نصب می‌شدند و صدها هزار دلار قیمت داشتند.

 در دهه 2000 فناوری چاپ سه‌بعدی به سرعت پیشرفت کرد و برای کاربردهای صنعتی و تجاری گسترش یافت. پرینترهای سه‌ بعدی در آن زمان از مواد مختلفی از جمله پلاستیک‌ها، مواد فلزی و کامپوزیت‌ها استفاده می‌کردند.

در سال 2005، پروژه RepRap Adrian Bowyer یک ابتکار منبع باز را برای ساخت یک چاپگر سه بعدی راه اندازی کرد که بتواند خودش را بسازد یا حداقل بیشتر قطعات خود را چاپ کند.

ماشین 1.0 داروین اولین کاربرد عملی فلسفه RepRap بود و ناگهان هر کسی این قدرت را پیدا کرد که هر چیزی را که می‌توانست بسازد. کیک استارتر نیز تقریباً در همان زمان راه اندازی شد و به پرینت سه بعدی خانگی رونق بزرگ دیگری داد. به طوری که پروژه های سرمایه گذاری جمعی در همه جا به وجود آمدند.

اما در دهه 2010 ، پرینترهای سه‌بعدی به بازار مصرف‌کننده وارد شدند و قیمت آن‌ها کاهش یافت. این امر باعث شد که استفاده از پرینترهای سه‌بعدی در خانه‌ها، مدارس و کارگاه‌های کوچک ترویج پیدا کند. همچنین، تکنولوژی‌های جدیدی مانند چاپ سه‌بعدی رنگی و چاپ با مواد زیستی معرفی شدند.

امروزه در دهه 2020 ، تکنولوژی چاپ سه‌بعدی در بسیاری از صنایع از جمله پزشکی، هوافضا، ساخت و ساز و خودروسازی کاربرد یافته است. اما همچنان، تحقیقات بر روی استفاده از چاپ سه‌بعدی در تولید انبوه و ساخت قطعات پیچیده ادامه دارد.

به طور کلی، فناوری چاپ سه‌بعدی از ابتدای دهه 1980 تا کنون پیشرفت‌های چشمگیری داشته و به سرعت در حال توسعه است. این فناوری در آینده نقش بزرگتری در صنعت و زندگی روزمره انسان‌ها ایفا خواهد کرد.

کاربردهای پرینتر سه بعدی

پرینترهای سه بعدی به دلیل توانایی تولید اجسام سه بعدی با کیفیت بالا و در زمان کوتاه‌تر و همچنین کاربردهای متنوعی که دارند، به یکی از ابزارهای مفید در صنایع مختلف تبدیل شده‌اند.

به دلیل کم هزینه شدن فناوری چاپ سه بعدی، از آن برای مقاصد مختلفی استفاده می‌شود. تعدادی از این کاربردهای پرینتر سه بعدی عبارتند از:

• تولید پروتوتایپ: آزمایش قطعات جدید در صنایع مختلف یکی از کاربردهای پرینت سه بعدی است. با استفاده از پرینترهای سه بعدی، مهندسان و طراحان می‌توانند به سادگی طرح‌های خود را به شکل اجسام سه بعدی تبدیل و آنها را بررسی کنند. این کار به آنها کمک می‌کند تا قبل از اینکه محصول را به تولید انبوه برسانند، بتوانند طرح را به طور دقیق ارزیابی کرده و بهبود ببخشند.
• آموزش: پرینترهای سه بعدی می‌توانند به عنوان یک ابزار کمک آموزشی مفید مورد استفاده قرار بگیرند. به این صورت که با استفاده از این پرینترها، دانشجویان و دانش‌آموزان می‌توانند مدل‌های سه بعدی را ایجاد کرده و به بررسی آن بپردازند.
• صنعت غذا: این پرینترها برای ساخت غذاهای سفارشی با طرح‌ها و شکل‌های متنوع نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند.
• تجهیزات نظامی: ساخت قطعات نظامی همچون تفنگ‌ها، گلوله‌ها، لباس‌های ضد گلوله و غیره از دیگر کارهایی است که پرینت سه بعدی برای داشتن ابزارهای دقیقتر و پیچیده­تر به کمک ما آمده است.
• تولید قطعات صنعتی: از پرینترهای سه بعدی می‌توان برای تولید قطعات صنعتی استفاده کرد. این دستگاه می‌تواند قطعات و قالب‌های پیچیده را با کیفیت بالا در مدت زمان کوتاهی تولید کند. مانند چاپ سه بعدی اجسام قابل استفاده در صنایع مختلف مانند خودروسازی، هواپیماسازی و صنایع الکترونیکی
• تولید اشیاء هنری و زیورآلات: این دستگاه‌های پیشرفته به طراحان و هنرمندان نیز کمک می‌کنند تا اشیاء هنری و زیورآلات را با دقتی بالا و با کمترین هزینه تولید کنند.حتی می‌تواند کمک کند تا طرح‌های خلاقانه‌تری ایجاد کنند.
• تولید مدل‌های معماری: پرینترهای سه بعدی این امکان را به معماران و مهندسان عمران می‌دهد تا مدل‌های سه بعدی ساختمان‌ها و پل‌ها را با دقت بالا تولید کنند. این کار به آنها کمک می‌کند، تا قبل از شروع به ساخت، مطمئن شوند مدل‌هایی که طراحی کرده‌اند به درستی عمل می‌کند.
• هوافضا: این پرینترها برای ساخت قطعات سبک و مقاوم فضاپیماها و ایستگاه‌های فضایی و ماهواره‌ها و راکت‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند که یکی از کاربردهای مهم آن به شمار می‌رود.
• روباتیک: ساخت قطعات پیچیده و حساس برای ربات‌های صنعتی، خانگی، آموزشی و تفریحی از کاربردهای دیگر این فناوری می‍‌باشد.
• پزشکی: به دلیل اینکه پرینترهای سه بعدی در پزشکی توانایی تولید قطعات پزشکی دقیق و با کیفیت بالا و نیز تولید اعضای بدنی مصنوعی را دارند، در حوزه پزشکی از آن بسیار استفاده میشود. این پرینترها به عنوان ابزاری برای ساخت ایمپلنت‌های استخوانی و همچنین قطعات پروتزی، تجهیزات پزشکی و حتی بافت‌های بیولوژیکی به کار می‌روند.
• سرپناه اضطراری :از پرینت سه بعدی به عنوان ابزاری برای ساخت سرپناه اضطراری در مناطق بحران زده و مسکن های مقرون به صرفه در کشورهای در حال توسعه استفاده می شود.

معرفی انواع پرینترهای سه بعدی

پرینترهای سه بعدی در چندین نوع مختلف وجود دارند که هر کدام از آن‌ها بر اساس روش‌ها و مواد مختلفی کار می‌کنند. در اینجا به معرفی برخی از انواع رایج پرینترهای سه بعدی می‌پردازیم:

پرینتر سه بعدی FDM (Fused Deposition Modeling) یا FFF (Fused Filament Fabrication)

این نوع پرینترها از از یک فیلامنت پلاستیکی ذوب شده برای ساخت لایه های مواد استفاده می‌کند و به تدریج شکل قطعه‌ی سه بعدی را می‌سازند. از این نوع پرینتر سه بعدی در صنعت چاپ سه بعدی بیشتر استفاده می‌شود.

پرینتر سه بعدی SLA (Stereolithography)

در این نوع پرینترها برای تبدیل ماده محلول به یک ماده سخت، از لیزر استفاده می‌شود و قالب یا قطعات سه بعدی با لایه گذاری مشابه پرینتر‌های FDM ساخته می‌شوند.

پرینتر سه بعدی SLS (Selective Laser Sintering)

در این نوع پرینترها از پودرهای حرارتی مانند پلی‌آمید، پلی‌پروپیلن و… برای ساخت قطعات یا قالب‌های سه بعدی استفاده می‌شود. در این روش پودرها با استفاده از لیزر به یکدیگر می‌چسبند و به تدریج قطعه‌ی سه بعدی را شکل می‌دهند.

پرینتر سه بعدی DLP (Digital Light Processing)

در این نوع پرینترها شبیه به SLA است که به جای نور مستقیم از یک پروژکتور دیجیتال برای تصویربرداری لایه‌ای استفاده می‌کند و قزعات را به یکدیگر می‌چسباند. این نوع پرینترها برای چاپ اشیاء با جزئیات بالا و همچنین سطوح صاف به کار برده می‌شوند.

پرینتر سه بعدی Direct Metal Laser Sintering (DMLS)

این روش‌ مشابه SLS می‌باشد، با این تفاوت که به جای پودرهای معدنی یا پلاستیکی، از پودرهای فلزی قابل ذوب مانند آلومینیوم، استنلس استیل، تیتان و غیره استفاده می‌کند. این پرینترها برای ساخت قطعات فلزی با دقت بالا کاربرد دارند.

پرینتر سه بعدی Electron Beam Melting (EBM)

در این پرینترها، از یک پرتو الکترونی به جای لیزر برای ذوب و اتصال پودرهای فلزی استفاده می‌شود. این روش برای ساخت قطعات فلزی با استحکام بالا و همچنین کاربردهای صنعتی مناسب است.

این موارد تنها بعضی از پرینترهای سه بعدی و روش کار آنها بود. موارد دیگری مانند Material Jetting و Binder Jetting و… نیز وجود دارند که در چاپ سه بعدی استفاده می‌شوند. هریک از این روش‌ها دارای ویژگی‌ها و مزایای خاص خود هستند و برای کاربردهای مختلف مناسب می‌باشند.

جدیدترین پرینتر سه بعدی چیست و از چه روشی استفاده میکند

با توجه به پیشرفت روز افزون فناوری پرینترهای سه بعدی، پرینترهای جدیدی با قابلیت‌ها و ویژگی‌های منحصر معرفی شده‌اند. اما به دلیل تغییرات مداوم در بازار پرینترهای سه بعدی، به سختی می‌توان اظهار کرد که یک پرینتر به‌صورت قطعی به‌عنوان جدیدترین پرینتر سه بعدی شناخته می‌شود.

3 پرینتر پیشرفته و جدید سه بعدی

1. Ultimaker S5 : یک پرینتر سه بعدی با رزولوشن بالا و با دقت بسیار بالا است و از روش FDM برای چاپ استفاده می‌کند. این پرینتر ویژگی‌هایی مانند سرعت چاپ بالا، زمان چاپ کوتاه و همچنین دارای سنسورهای دما و ایمنی است.
2. Formlabs Form 3 : یک پرینتر سه بعدی با روش SLA است که با استفاده از فناوری لیزر با دقت بالا قطعات را چاپ می‌کند. از ویژگیهای مهم این پرینتر سرعت چاپ بالا، قابلیت چاپ با مواد مختلف و دقت بسیار بالا می‌باشد.
3. Prusa i3 MK3S+ : یک پرینتر سه بعدی با روش FDM است که دارای دقت و سرعت چاپ بالا است. ویژگی‌هایی مانند خودکارسازی تنظیمات چاپ، قابلیت چاپ با مواد مختلف و رابط کاربری کاربرپسند از ویژگی‌هایی است که این پرینتر را از سایر پرینترها متمایز می‌کند.

اساس کار پرینتر سه بعدی

فرایند کار پرینتر سه بعدی به صورت کلی به چند مرحله تقسیم می‌شود:

1. مدل سازی: در مرحله اول یک طرح سه بعدی در نرم‌افزار مدل‌سازی سه بعدی مانند SolidWorks، Fusion 360 یا SketchUp ایجاد می‌کنید. این امکان وجود دارد که از طرح‌هایی که قبلاً ساخته شده‌اند، استفاده کنید و یا خودتان طرح جدیدی را طراحی کنید. ابتدا مدل سه بعدی مورد نظر به صورت یک فایل دیجیتالی در نرم افزار طراحی CAD طراحی شده و به فرمت STL تبدیل می‌شود.
2. آماده‌سازی فایل: بعد از اینکه طراحی را انجام دادید، فایل طراحی شده را باید برای چاپ به فرمت مناسبی تبدیل کنید. این فایل شامل اطلاعات لایه به لایه قطعه سه بعدی است که برای چاپ استفاده می‌شود.
3. تنظیمات چاپ: قبل از شروع چاپ، دمای پرینتر، سرعت چاپ، ضخامت لایه و مواد چاپی به طور دقیق تنظیم شوند.
4. چاپ: بعد از تنظیم تمامی پارامترهای لازم، در این مرحله، پرینتر به صورت لایه به لایه قطعه سه بعدی را چاپ می‌کند.
5. پس از چاپ: بعد از به پایان رسیدن عملیات چاپ، قطعه سه بعدی از پرینتر خارج می‌شود. در این مرحله، قطعه باید از پایه پرینتر جدا کرده و هر گونه پشتیبانی و فرایند بعدی روی قطعه سه بعدی انجام ‌شود.

مزایای و معایب پرینترهای سه بعدی 

پرینترهای سه بعدی، مانند هر دستگاه دیگری، دارای مزایا و معایبی هستند که این مزایا و معایب می‌تواند به ما کمک کند درک بهتری از این فناوری داشته باشیم.

مزایا:

– تولید سریع: یکی از بزرگترین مزایای چاپ سه بعدی، تولید نمونه اولیه با سرعت بالاست. به این معنی که فرایند ساخت محصول در کمترین زمان ممکن اتفاق می‌افتد. در صورت لزوم، حتی می‌توان طراحی را تغییر داد بدون اینکه بر سرعت فرایند تولید تأثیر منفی داشته باشد.

– کیفیت بهتر:  امکان تولید قطعات سه بعدی به ابعاد و شکل‌های مختلف با جزئیات و پایان کار بالا را فراهم می کند و باعث کاهش خطاهای ناشی از فرآیندهای سنتی تولید می شود.

– امکان تولید قطعات با مواد مختلف از جمله پلاستیک، فلز، سرامیک ، رزین، چوب و غیره

– کاهش هزینه : پرینترهای سه بعدی برای شما این امکان را فراهم می‌کند تا از هزینه‌های بالایی که در ساخت قطعات پیچیده با روش‌های سنتی وجود دارد، جلوگیری کنید. زیرا نیاز به نیروی کار و تجهیزات را تا حدودی کاهش می‌دهد.

– شخصی‌سازی : امکان شخصی‌سازی قطعات و اشیاء را براساس نیاز خود با استفاده از پرینترهای سه بعدی دارید. از طرح‌های پیچیده و با شخصی سازی بالا گرفته تا طرح‌های ساده. این امکان با روش های سنتی تولید برای طرح‌های پیچیده تقریباً غیر ممکن است.

– پرینترهای سه بعدی در صنایع مختلف از جمله خودروسازی، هوافضا، پزشکی و صنایع تولید قطعات الکترونیکی به کار می‌روند.

– دسترسی آسان: رشد چاپ سه بعدی باعث شده است که نرم افزار و سخت افزار آسان تر به کار بروند. همچنین، پرونده های طراحی رایانه ای را می توان به راحتی به پرینترهای سه بعدی منتقل کرد

– تاثیرات زیست محیطی: چاپ سه بعدی این امکان را فراهم می‌کندتا فضای کمتری برای نگهداری قطعات لازم باشد، حمل و نقل و آلودگی هوا را نیز می‌تواند کاهش دهد. همچنین، می‌تواند منجر به استفاده از مواد بازیافتی یا قابل تجزیه شود.

معایب:

– قیمت: پرینترهای سه بعدی صنعتی هنوز گران قیمت هستند و هزینه مواد اولیه و تعمیرات آنها نیز زیاد می‌باشد.

– اندازه: بعضی از این دستگاه‌ها بسیار بزرگ هستند و نیاز به فضای زیادی برای قرارگیری دارند.

– پیچیدگی: نگهداری و استفاده از پرینترهای سه بعدی نیاز به تجربه و دانش فنی دارد. به دلیل اینکه تنظیمات مختلفی باید انجام شود و همچنین ممکن است خطاهای نرم افزاری یا سخت افزاری بوحود بیاید.

– زمان: پرینت کردن یک شیء سه بعدی به صورت لایه به لایه ممکن است در بعضی مدل‌های پرینتر سه بعدی زمان‌بر باشد، مخصوصاً برای قطعات بزرگ یا با رزولوشن بالا و یا حتی تولید انبوه

– نیاز به تجهیزات و ماشین آلات دیگر برای زمان بعد از پرینت قطعات مانند خشک کردن و پالیش کردن

– مصرف انرژی بالا: برای ذوب و سخت کردن مواد در پرینترهای سه بعدی، به انرژی زیادی نیاز است که حدود 50 تا 100 برابر مصرف انرژی روش های سنتی تولید می‌باشد.

– تاثیرات زیست محیطی: این پرینترها ممکن است زباله های پلاستیکی، گازهای گلخانه ای، صدا و امواج الکترومغناطیس تولید کنند که به سلامت انسان و محیط زیست آسیب می رساند.

به طور کلی، پرینتر سه بعدی یک ابزار پیشرفته است که با اینکه مزایای زیادی دارد، اما برای استفاده موثر از آن، نیاز به تجربه و آموزش دارد. همچنین، هزینه‌های پرینتر و مواد چاپی بالاست و برای برخی کاربران ممکن است توجیه پذیر نباشد.