منظور از چاپ ۳ بعدی، تکنیک ویژه‌ای از چاپ دو بعدی که به‌دلیل خطای دید و زاویه نادرست چشم به‌صورت سه‌بعدی دیده شود (مانند استریوگرام و هولوگرافی) نیست. حتی روش‌های اجرای تصاویر دو بعدی بر روی سطوح حجم‌دار و سه‌بعدی نیز هدف این بحث نیست.
تولید افزایشی یا همان چاپ ۳ بعدی، روشی برای ساخت یک جسم سه‌بعدی جامد با هر شکل مجازی از یک مدل دیجیتال است. در این روش لایه‌ها با اشکال متفاوت روی هم قرار داده می‌شوند و در حقیقت اجسام لایه به لایه ساخته می‌شوند. البته این روش از ساخت، به‌طور کامل با روش‌ها و ماشین‌آلات سنتی ساخت – که بیشتر مواقع با استفاده از متدهای کاهشی (مانند ماشین‌کاری، براده‌برداری، برش، سوراخ‌کاری و غیره)، اجسام را از مواد خام اولیه تولید می‌کنند – متفاوت است.
چاپگرهای اجسام، با بهره‌گیری از فن‌آوری دیجیتال، عملاً چاپ ۳ بعدی انجام می‌دهند. اولین چاپگر سه‌بعدی که به‌طور عملی کار کرد، به‌وسیله شخصی به نام «چارلز هال» از شرکت سیستم‌های سه‌بعدی (Charles w.Hull / 3D Systems Corp) در سال ۱۹۸۴ میلادی ساخته شد و به‌عنوان اختراع به ثبت رسید. از آغاز قرن ۲۱ تاکنون، فروش این چاپگرها روز‌به‌روز به‌شدت رشد یافته و قیمت آن‌ها نیز اساساً کاهش یافته است.
فن‌آوری چاپ ۳ بعدی همواره برای دست‌یابی به دو هدف «نمونه‌سازی» و «ساخت» با کاربردهایی در معماری، ساخت‌و‌ساز، طراحی صنعتی، اتومبیل‌سازی، هوا فضا، صنایع نظامی، علوم مهندسی، عمران، دندان‌پزشکی و صنایع پزشکی، بیوتکنولوژی (اعضای مصنوعی بدن انسان)، صنعت مد، کفش و پاپوش، جواهرات، عینک، صنایع آموزشی، سیستم‌های اطلاعات جغرافیایی، صنایع غذایی و بسیاری کاربردهای دیگر استفاده شده است.
این‌چنین برآورد می‌شد که خیلی زود بازار فروش چاپگرهای سه‌بعدی به یک بازار فراگیر تبدیل شود، چراکه منبع باز (Open Source) چاپ سه‌بعدی هزینه‌ها را می‌شکند و به هر مصرف‌کننده‌ای در گوشه‌گوشه جهان امکان می‌دهد تا از خرید بسیاری از ملزومات زندگی اجتناب کرده و نسبت به ساخت اشیاء در خانه اقدام نماید، اما در عمل این‌گونه نشد و حداقل می‌توان گفت این امر با سرعت پیش‌بینی‌شده محقق نگردید و در حال‌حاضر متخصصین، استفاده‌کننده اصلی چاپگرهای سه‌بعدی در سراسر دنیا هستند.
اصطلاحات و واژگان فنی
اگرچه دانشمندان و مهندسین همواره شیفته دست‌یابی به تکنولوژی‌های مشابه‌سازی بوده‌اند، اما تا قبل از سال ۱۹۸۰ میلادی ایده چاپ ۳ بعدی هرگز جدی گرفته نشده بود. در سال ۱۹۸۲ بود که اولین گزارشی از یک مدل جامد چاپ‌شده توسط هیدئو کوداما از انستیتو تحقیقات صنایع شهری ناگویا در ژاپن منتشر شد. البته کسی که اعتبار ثبت اختراع زبان مدرن چاپ ۳ بعدی را در اختیار دارد، کسی نیست جز چارلز هال. او کسی است که از سال ۱۹۸۴ مفهومی به نام «استریولیتوگرافی» با نام او شناخته می‌شود که درواقع «سیستمی است برای تولید اجسام سه‌بعدی به‌وسیله ایجاد الگویی از سطح مقطع آن جسم و شکل‌دادن به آن».
مفهوم ساخت افزایشی به گونه‌ای از فن‌آوری اشاره دارد که اجسامی را از طریق پروسه لایه‌گذاری مرحله به مرحله تشکیل می‌دهد. اجسامی که از این طریق ساخته می‌شوند قابلیت استفاده‌شدن به‌عنوان محصول را در مراحل مختلف چرخه حیات آن دارا می‌باشند؛ از پیش‌تولید (نمونه‌سازی سریع = Rapid Prototyping) تا محصول تولیدشده نهایی (تولید سریع = RapidMan) و همچنین کاربری‌های ابزاری و شخصی‌سازی‌های پس از تولید.
در بخش تولید و ماشین‌کاری، به‌طور ویژه روش‌های کاهشی نوعاً به‌عنوان متدهای سنتی شناخته می‌شوند. البته تولید کاهشی هم در سال‌های اخیر برای ایجاد تمایز با روش جدیدتر تولید افزایشی پیشرفت کرده است. اگرچه «ساخت» قرن‌هاست که شامل متدهایی است که به‌صورت ذاتی «افزایشی» هستند (مانند پیوستن صفحات، ورق‌ها، آهنگری و نورد، ریخته‌گری در دما و فشار بالا، روش‌های جدید ریخته‌گری فلز)؛ و البته ماشین‌کاری نوعاً کاهشی عمل می‌کند (مانند سوهان‌کاری، تراش‌کاری، فرز‌کاری، ساییدن و کوبیدن).
مـدل کردن
فن‌آوری تولید افزایشی، طرح‌های اولیه مجازی را از نرم‌افزار طراحی سه‌بعدی کامپیوتری (CAD = Computer Aided Design) یا نرم‌افزار مدل‌سازی انیمیشن می‌گیرد و آن‌ها را به برش‌های دیجیتال از سطح مقطع برای ماشین تقسیم کرده تا به‌عنوان راهنما از آن‌ها برای چاپ استفاده کند. بسته به نوع ماشین، مواد یا یک قرقره از مواد در یک سکو ذخیره می‌شود تا لایه‌گذارری مواد کامل شده و مدل سه‌بعدی نهایی «چاپ» شود.
واسط داده‌های استاندارد ما بین نرم‌افزار CAD و ماشین چاپگر، فرمت فایل STL است. فایل STL شکل یک قطعه را با تراشه‌های کوچک مثلثی‌شکل تخمین می‌زند. تراشه‌های کوچک‌تر سطوح با کیفیت بالاتر را تشکیل می‌دهند. PLY یک اسکنر است که می‌تواند فرمت فایل ورودی را ایجاد کند و فایل‌های VRML یاWRL معمولاً به‌عنوان ورودی برای تکنولوژی‌های چاپ ۳ بعدی استفاده می‌شوند که قابلیت چاپ تمام‌رنگی دارند.
عملیات چـاپ
برای انجام عملیات چاپ، ماشین طرح را از یک فایل STL می‌خواند و لایه‌های از مایع، پودر، کاغذ یا ورقی از مواد دیگر را پی‌در‌پی روی هم می‌خواباند تا این‌که مدلی از یک‌سری سطح مقطع به‌هم‌چسبیده تشکیل شود. این لایه‌ها که بر اساس سطح مقطع‌های مجازی به‌دست آمده، از مدل CAD ساخته شده‌اند که به هم متصل شده و یا به‌صورت اتوماتیک با هم ترکیب می‌شوند تا شکل نهایی ساخته شود.
مزیت ابتدایی این تکنیک، قابلیت خلق تقریباً همه اشکال است. وضوحیت هر چاپگر ضخامت هر لایه را مشخص می‌سازد و وضوحیت در محورهای عمودی و افقی (X-Y) در مقیاسdpi (نقطه بر اینچ) و یا میکرومتر اندازه‌گیری می‌شود. ضخامت لایه معمول نزدیک به ۱۰۰ میکرومتر است، گرچه ماشین‌هایی هم هستند که قادرند لایه‌هایی با ضخامت ۱۶ میکرومتر تولید کنند. وضوحیت X-Y با پرینترهای لیزری قابل مقایسه است. ذرات (نقاط سه‌بعدی) از لحاظ اندازه تقریباً ۵۰ الی ۱۰۰ میکرومتر هستند.
تولید یک مدل با روش‌های معاصر، بسته به متدی که استفاده می‌شود، اندازه و پیچیدگی مدل، می‌تواند ساعت‌ها و یا روزها به طول بیانجامد. روش‌های تولید افزایشی، می‌تواند این زمان را به ساعت‌ها کاهش دهد. تکنیک‌های سنتی مانند «قالب‌گیری تزریقی»، می‌توانند در تولید محصولات پلیمری در تعداد بالا مقرون‌به‌صرفه باشند، اما تولید افزایشی می‌تواند سریع‌تر، ارزان‌تر و منعطف‌تر باشد؛ به‌خصوص زمانی‌که تولید مربوط به تعداد محدودی قطعه باشد.
عملیات تکمیلی
با وجود این‌که وضوحیت محصول چاپگر برای بسیاری از کاربردها رضایت‌بخش می‌باشد، می‌توان کمی اندازه چاپ را در استاندارد وضوحیت، بزرگ‌تر گرفت و سپس در یک پروسه کاهشی با وضوحیت بالاتر به دقت بیشتر دست پیدا کرد. برخی تکنیک‌های تولید افزایشی قادرند از مواد متنوع در طول مدت‌زمان ساخت قطعات بهره بگیرند و برخی دیگر می‌توانند از رنگ‌های متنوع استفاده کرده و یا رنگ‌ها را به‌طور همزمان با یکدیگر ترکیب کنند. برخی می‌توانند ساپورت یا آرماتور را در ساخت به‌کار گیرند که می‌توانند پس از تکمیل چاپ، قابل خارج‌کردن و یا غیر قابل خارج‌کردن باشند و یا این‌که در زمان ساخت، به‌عنوان امکانات آویز از بالا استفاده شوند.
بسیاری از چاپگرهای سه‌بعدی در ابتدا بزرگ، گران‌قیمت و در زمینه چیزهایی که می‌توانستند بسازند، محدود بودند. در حال‌حاضر روش‌های متنوعی از تولید افزایشی در دسترس است. این چاپگرها در روش ذخیره‌سازی لایه‌ها و موادی که می‌توانند از آن‌ها استفاده کنند، با یکدیگر متفاوت‌اند.
برخی از آن‌ها برای تهیه لایه‌ها مواد را ذوب یا نرم می‌کنند، مانند:
– (SLM)Selective Laser Melting
– (DMLS) Direct Metal Laser Sintering
– (SLS) Selective Laser Sintering
– (FDM) Fused Deposition Modeling
در حالی‌که برخی دیگر روی مواد مایع کار می‌کنند تا لایه‌های دلخواه از آن‌را به جامد تبدیل کنند، مانند:
– (SLA)Stereolithography
با روش (LOM) laminated object manufacturing لایه‌های نازک مواد (مانند کاغذ، پلیمر و فلز) بریده شده و سپس به هم می‌پیوندند.
هرکدام از متدها مزایا و محدودیت خودشان را دارند. مسائل اصلی که باید در انتخاب ماشین چاپگر مورد توجه قرار گیرند عبارت‌اند از: سرعت تولید، قیمت چاپگر، هزینه تمام‌شده تولید، هزینه و نوع مواد اولیه و قابلیت استفاده از رنگ‌ها.
بیشتر بخوانید: رونمایی از پرینتر هوشمند استیکی نوت آمازون
قالباً پرینترهایی که مستقیماً با فلز کار می‌کنند، گران‌قیمت هستند. بعضی‌وقت‌ها از چاپگر سه‌بعدی برای تهیه قالب استفاده می‌شود تا به‌وسیله آن قطعات فلزی تولید کنند.
قطعات تولیدشده با چاپ ۳ بعدی می‌توانند به‌‌دقت مشابه طرح نهایی شما که احتمالاً قرار است به تولید انبوه برسد، رنگ‌آمیزی و تزئین شده و در نمایش سریع طرح نهایی شما مورد استفاده قرار گیرد. این کار با پرداخت سطوح، پوشاندن سطوح با صفحات مخصوص، جاگذاری مواد و در نهایت نقاشی و رنگ‌آمیزی سطوح صورت می‌گیرد که این خود، یک کار هنری محسوب می‌شود.
با چاپ ۳ بعدی به ایده‌های خود زندگی ببخشید
در سال‌های اخیر چاپ ۳ بعدی به‌عنوان یک راه‌حل ساده و مقرون‌به‌صرفه برای خلق قطعات واقعی از داده‌های 3D CAD به‌شدت و به‌صورت افزاینده، معمول شده است. چاپ ۳ بعدی مدتی است که به‌وسیله فن‌آوری‌های مختلف تولید افزایشی مانند پلی‌جت (PolyJet)، چاپ رنگی سه‌بعدی (Z-Corp)، استریولیتوگرافی (SLA)، تثبیت لیزر انتخابی (SLS)، تثبیت لیزر مستقیم فلزی (DMLS) و مدل‌سازی گداخت ته‌نشین (FDM) ارائه می‌شود.
این فن‌آوری‌های ساخت و تولید جدید، با دقت تمام نسبت به «چاپ» لایه به لایه مواد روی یکدیگر اقدام می‌کنند تا زمانی‌که یک فرم کامل سه‌بعدی شکل گیرد. فن‌آوری‌های ساخت افزایشی به‌سرعت قطعات قابل لمسی تولید می‌کنند که به افراد اجازه می‌دهد آن‌ها را لمس کرده، حس کنند و درک درستی از طراحی آن‌ها به‌دست آورند.
مواد و کاربردهای چاپ ۳ بعدی
بسیاری از موادی که می‌توان با آن‌ها اجسام سه‌بعدی چاپ کرد در دسترس همگان قرار دارد، مانند نایلون، پلاستیک‌های جامد و یا انعطاف‌پذیر نمونه‌سازی، فلز و ترموپلاستیک‌ها. هر‌یک از مواد و فن‌آوری‌ها به روش سعی و خطا برای اولین‌بار انتخاب شده و تحقیقات بسیار بر روی آن‌ها صورت گرفته است تا بتوانند به نیازهای مختلف بشر در عرصه‌های صنعت و هنر پاسخ دهند.
با این گستره وسیع مواد قابل استفاده، قطعات تولیدشده به روش چاپ ۳ بعدی می‌توانند در هر زمینه‌ای – از یک مدل آزمایشی برای صنایع آرایشی بهداشتی گرفته تا اجزای چندکاره یک اتومبیل مسابقه – به‌کار گرفته شوند. تقریباً می‌توان گفت که چاپ ۳ بعدی در تمامی صنایع موارد مصرف گوناگون دارد و به آن‌ها امکان می‌دهد تا سرعت گردش کار را بالا ببرند و با بودجه محدود نسبت به ساخت مدل‌های آزمایشی متعدد دست بزنند.
همچنین باید گفت کاربردهای متداول ساخت افزایشی عبارت‌اند از مدل‌های تخیلی، تحقیقات مربوط به علم ارگونومی، آنالیز دیداری، تست‌های فرم و قابلیت و ارزیابی مهندسی.
