چطور فناوری سه بعدی همه چیز را چاپ میکند؟

به باور بسیاری از پژوهشگران ، این تکنولوژی روز دنیا در آینده ای نزدیک ، تحولات زیادی را در عرصه صنایع و طراحی مواد ایجاد خواهد کرد. در حقیقت می توان این فناوری را دستگاه جادوئی دانست که قادر به تولید همه چیز هست و این موضوع می تواند به افرادی که نیاز به استفاده از وسایل خاصی را داشته و به آن دسترسی ندارند کمک کند تا تجهیزاشان را بسازند. برای نمونه سازمان فضائی ناسا به تازگی سه دستگاه چاپگر سه بعدی به ایستگاه بین المللی فضائی ارسال کرد تا فضانوردان بتوانند با استفاده از این دستگاه برخی از قطعات و ابزار مورد نیاز خود را بسازند.

این فناوری در بسیاری از حوزه های مختلف علم و صنعت دارای کاربرد بوده و از بخش های پزشکی ، ساخت اندام مصنوعی و پروتز ها گرفته تا آشپزی و طراحی و ساخت مواد غذائی و فعالیت های نجوم و فضا،خودرو سازی؛ هنر و …. قابل استفاده است .

این فناوری در بسیاری از  حوزه های مختلف علم و صنعت دارای کاربرد بوده و از بخش های پزشکی ، ساخت اندام مصنوعی و پروتز ها گرفته تا آشپزی و طراحی و ساخت مواد غذائی و فعالیت های نجوم و فضا،خودرو سازی؛ هنر و …. قابل استفاده است . به باور بسیاری از کارشناسان ، این تکنولوژی جدید می تواند انقلابی بزرگ در صنعت و هنر ایجاد کند.

چاپگرهای سه بعدی چگونه کار می کنند؟

چاپگرهای سه بعدی را می توان تجهیزاتی دانست که با کمک آن ها می توان تصاویر سه بعدی موجود در کامپیوتر را از مواد مختلف و متناسب با نیاز؛ تهیه کرد. در بسیاری از انواع چاپگرهای سه بعدی از انواع پلیمر های پلاستیکی استفاده می شود اما مواد مورد استفاده در این چاپگرها بسیار متنوع بوده و می توان شامل انواع مواد زیستی، خوراکی، فلزات ، سیمان و مصالح ساختمانی و الیاف و … باشد. چاپگرهای سه بعدی صنعتی با قابلیت پرینت با استفاده از فلزات، رزین های مایع، خمیر سرامیک و حتی مواد خوراکی ساخته شده اند. تفاوت اصلی چاپگرهای خانگی و صنعتی در صافی سطح، دقت ابعادی و همچنین تنوع متریال های قابل استفاده در قطعه خروجی آن ها است.

امروزه مدل سازی سه بعدی در رشته های گوناگونی همچون قطعه سازی، معماری، طراحی صنعتی، روباتیک، صنایع هوافضا و…رایج است. این مدل سازیها تا پیش از این به شکل تصاویر دو بعدی روی صفحه های نمایشگر یا روی کاغذ ارائه می شدند تا افراد با دیدن آن ها درکی از آن چه طراحان در ذهنشان دارند بدست آورند. پرینتر های سه بعدی توانایی تولید هر نوع قطعه ای با هر شکلی و زاویه ای که را دارند.

کارکرد این چاپگرها ساده و در عین حال پیچیده است ، در روند استریو لیتوگرافی، یك لیزر برای فراهم آوردن پرتوهای كنترلی انرژی كه مستقیماً بر لایه‌های نازك مواد اعمال می‌شوند، مورد استفاده قرار می‌گیرد. این انرژی منجر به اتصال لایه‌ها به یكدیگر یا واكنش شیمیایی مایع فتو ری اكتیو ، سپس مستحكم شدن و اتصال آن با لایه‌ی زیرین مواد می‌ شود. لازم به ذكر است، به دلیل پیچیدگی این فرایند، اشعه‌ی لیزر همواره به صورت كامپیوتری كنترل می‌شود.

امروزه اغلب مدلهای سه بعدی مبتنی بر لایه‌های ورقه‌ای نازك پوشیده شده از پلاستیك، رزین یا حتی نشاسته‌ی ذرت هستند. در واقع، شیوه دیگری كه به دلیل سرعت، دقت و صرفه انرژی آن، كاربرد گسترده‌ای در صنایع یافته ‌است، استفاده از مخزنی از پودر پلیمری است كه در آن هر لایه جسم نه با ذوب لیزری، بلكه به سادگی با یك ماده رزینی ساخته می‌شود. سیستمی شبیه به سر چاپگرهای دوبعدی جوهر افشان، رزین را نقطه به نقطه به سطح پودر افزوده و لایه‌ای از جسم را تشكیل می‌دهد. یك برتری این روش در آن است كه می‌توان رنگ‌های مختلفی را با رزین آمیخت و جسمی با رنگ‌بندی دلخواه را تولید كرد. اگرچه این روش بسیار كارا است، اما سیستم‌های چاپ آن و نیز مواد مورد استفاده از آن هنوز برای كاربردهای خانگی بسیار گران هستند. 

 برخی پرینترهای سه بعدی بر پایه پودر (نایلون، پلاستیک، سرامیک و فلز) که با استفاده از یک منبع حرارت نوری (لیزر) ذوب شده و سپس جامد می شوند و شکل نمونه مورد نظر را می گیرند عمل چاپ را انجام می دهند. در برخی دیگر رزین های پلیمری با استفاده از لیزر لایه به لایه سفت و سخت شده و شکل جامد به خود می گیرند. (این لایه ها بسیار نازک هستند).

جهش قطرات ریز از مواد به سطح پلت فرم نیز که بیانگر تکنولوژی جوهر افشان در چاپ دو بعدی هستند، در چاپ سه بعدی به عنوان تکنولوژی جهش چسب شناخته می شوند.

رایج ترین این تکنولوژی ها، روش FDM است که در آن مواد اولیه از جنس پلاستیک ABS و یا PLA به صورت رشته ای از طریق نازل دستگاه عبور کرده و پس از گرم شدن عمل لایه سازی را انجام می دهد از آنجا که چاپ سه بعدی امکان ساخت مستقیم و دقیق قطعات را فراهم می کند می توان با این تکنولوژی اشیا پیچیده و با قابلیت های بسیار بالا را بدون نیاز به مونتاژ و در کمترین زمان تولید کرد.

پرینترهای سه‌بعدی عمدتاً از روش استفاده از مواد مذاب برای ساختن محصول نهایی استفاده می‌کنند ولی دستگاه‌های CNC عمدتاً از طریق برش یا جدا کردن بخشی از یک محصول کلی برای رسیدن به محصول نهایی استفاده می‌کنند.

حوزه های مورد استفاده

• فضانوردی و مطالعات فضائی:

یکی از مشکلات پیش روی فضانوردان در هنگام انجام ماموریت های خود در ایستگاه های فضائی، عدم دسترسی آن ها به تجهیزات و ادواتی است که ممکن است به صورت پیش بینی نشده به آنها نیاز داشته باشند. تا کنون روال تجهیز این ایستگاه های بین المللی فضائی به این صورت بود که فضانوردان با اعلام فهرست ابزار و مواد مورد نیاز خود آن ها را در قالب محموله های ارسالی توسط سفینه های فضائی دریافت می کردند که این موضوع علاوه بر پر هزینه بودن، به زمان نسبتا زیادی نیاز داشت. به تازگی و با کمک فناوری چاپگرهای سه بعدی، این مشکل برطرف شده و فضانوردان ساکن این ایستگاه می توانند بسیاری از ادوات مورد نیاز خود را با کمک چاپگر سه بعدی ویژه ای که در این ایستگاه قرار دارد، بسازند.

ساخت تجهیزات مورد نیاز فضانوردان، تنها کاربری این فناوری در عرصه فضا نبوده و سازمان فضائی روسیه در نظر دارد از نخستین ماهواره ساخته شده توسط پرینترهای سه بعدی استفاده کرده و این ماهواره قرار است توسط فضانوردان روس در ایستگاه بین المللی فضائی در مدار زمین قرار گیرد.

چندی پیش شرکت راکت سازی و صنایع فضائی انرژیا به صورت رسمی اعلام کرد: فضانوردان روسیه قصد به کار انداختن و استفاده از یک ماهواره جدید را دارند که با کمک پرینترهای سه بعدی تولید شده است . در این گزارش عنوان شده است که بخش های اصلی  این ماهواره با کمک پرینترهای سه بعدی تولید شده اند.

• معماری

چاپگرهای سه بعدی تنها برای ساخت اشیا کوچک کاربرد نداشته و حتی می توان با آن ها سازه های معماری ساخته و به اصطلاح یک خانه را پرینت کرد! این پروژه عمرانی جدید در پارک علم و فناوری Suzhou در استان جیانگ سو در شرق چین اجرا شده است. دیوارهای این مجموعه توسط پرینترهای سه بعدی بسیار بزرگ و ویژه های ساخته و پرینت گرفته می شوند. در این پرینترها لایه های مختلف دیوار به تفکیک پرینت گرفته شده و به یکدیگر متصل می شوند. این سبک جدید معماری در کشور چین به طور رسمی مورد استفاده قرار گرفته و در آن یک ساختمان ویلائی به همراه یک مجموعه ساختمانی شش طبقه تنها با استفاده از پرینترهای سه بعدی ساخته شدند. مواد اصلی مورد مصرف در این پرینترها ، ضایعات ساختمانی و نخاله های دور ریز است .

• صنعت خودروسازی

صنعت خودرو سازی نیز یکی دیگر از حوزه های کاربرد چاپگرهای سه بعدی است. به گفته کارشناسان در حال حاضر امکان ساخت کلیه قطعات یک خودرو توسط چاپگرهای سه بعدی وجود دارد و چندی پیش نخستین خودروی جهان با استفاده از این تکنولوژی ساخته و مورد آزمایش قرار گرفت. طراحی این خودرو 4 ماه زمان برده و چاپ آن 6 روز به طول انجامید. قیمت تمام شده این خودرو نیز 18 هزار دلار تخمین زده شده است. این خودرو که از سوی تیم سازنده خود با نام استراتی Strati معرفی شده است در سال گذشته در شهر دیترویت ایالات متحده امریکا و در حین برگزاری نمایشگاه سالانه موتور  به صورت زنده و در برابر دیدگان بازدیدکنندگان ، پرینت گرفته شده و مورد استفاده قرار گرفت .  استراتی یک خودروی دو نفره با قابلیت حرکت با حداکثر سرعت چهل کیلومتر بر ساعت بوده و برای مصارف شهری و تردد در مسافت های کوتاه بسیار مناسب است. کلیه مراحل ساخت و تولید آن ، تنها یک روز زمان می برد .

استراتی تنها خودروی پرینت شده جهان محسوب نشده و موارد مختلفی از خودرو طی چند سال گذشته با این روش ساخته شده است. برای نمونه چندی پیش دانشجویان دانشگاه فنی نانیانگ  سنگاپور یک خودروی الکتریکی خورشیدی شهری را با نام NTU Venture 8 به کمک پرینتر سه بعدی ساخته اند. این خودرو الکتریکی روی یک شاسی یک پارچه فیبر کربن نصب شده است .

اگرچه موارد ذکر شده در این حوزه به عنوان نمونه ساخته شده و تولید انبوهی در کار نبوده اما بنا به گزارش های منتشر شده از شرکت خودروسازی امریکایی لوکال موتورز (Local Motors) نخستین سری خودروهای ساخته شده با چاپگر سه بعدی قرار است در سال جاری میلادی وارد بازار شوند. قیمت تعیین شده این خودروها بین 16 تا  27 هزار یورو ، برابر با حدودا 18 تا 30 هزار دلار امریکا است.

به گفته سازندگان این خودروها، قطعات این اتومبیل های چاپ شده قابل تعویض بوده و خریداران می توانند قطعات دلخواهشان را عوض کنند. این شرکت خودروسازی امریکایی امیدوار است که انقلابی را در تولیدات خودرو نسبت به صد سال گذشته ایجاد کرده باشد .

• طراحی لباس و تزئینات

یکی از مراکز اصلی تولید و ارائه جواهرات در شهر پاریس محلی با نام  پلیس وندم  است که  شرکت های جواهر سازی بسیاری در آنجا طرح های خود را ارائه می دهند. در حال حاضر یکی از جواهر فروشان پاریسی دست به ابتکار جالبی در رابطه با این مساله زد است. این شرکت جواهر سازی، سفارش های جواهرات خود را با کمک چاپگر سه بعدی ساخته و تحویل می دهد. در واقع در این طرح جواهر ساز با دریافت ایده خریدار و سپس با کمک چاپگرهای سه بعدی و قالبگیری حجمی ، دستور خریدار را عملی می کند.

استفاده از چاپگرهای سه بعدی در عرصه پوشاک نیز کاربرد داشته و  به تازگی فردی به نام دنیت پلگ  یک طراح لباس و تولید پوشاک آسیایی با کمک چاپگر سه بعدی به طراحی و ساخت لباس هایی متفاوت پرداخته است. او لباس های طراحی شده خود را با یک چاپگر سه بعدی خانگی می سازد.  پلگ در رابطه با کار با چاپگر سه بعدی برای تولید پوشاک می گوید: من با این دستگاه هر چیزی را می توانم چاپ کنم . فقط یک مشکل وجود دارد و آن این است که صفحه چاپگر سه بعدی کوچک بوده و همه چیز را در اندازه یک صفحه A4 چاپ می کند . پس از چاپ این تکه ها ، من آن ها را به هم وصل می کنم . در این زمان نیازی به دوخت و دوز نیست و اگر کسی خیاطی بلد نباشد ، مشکلی پیش نخواهد آمد چرا که می توان بخش های پارچه مانند را به هم چسباند. این کار به آسانی در خانه نیز انجام می گیرد.

• صنایع هواپیمائی

گروهی از دانشمندان استرالیائی موفق به طراحی و ساخت یک موتور جت با استفاده از پرینتر سه بعدی شدند که سبک تر و ارزان تر از نمونه های جت فعلی بوده و سوخت کمتری مصرف می کند. این ابتکار برای نخستین بار در دنیا انجام شده و این موتور جت ، نخستین موتور ساخته شده با این تکنولوژی محسوب می شود . بر اساس گزارش های منتشر شده ، این موتور جدیدا طراحی شده ، دارای ویژگی های متعددی بوده و از بسیاری جهات نسبت به نمونه های پیشین دارای برتری است به عنوان نمونه این موتور جت ساخته شده توسط پرینترهای سه بعدی بسیار ارزان تر و سبک تر از نمونه های اصلی بوده و سوخت کمتری را مصرف می کند.

این موتور در دانشگاه ملبورن و با همکاری کمپانی هواپیماسازی آمائرو Amaero که در حوزه طراحی و ساخت موتور هواپیما فعالیت می کند ، ساخته شده است . پژوهشگران و مهندسان شرکت ایرباس اعلام کردند در حدود یک هزار بخش از قطعات هواپیمای جدید این شرکت توسط پرینترهای سه بعدی ساخته شده است که علاوه بر تولید سریع ، به دلیل وزن کم در مصرف سوخت کاهش ایجاد می کند .

به تازگی کمپانی مشهور هواپیماسازی ایرباس نیز نوعی هواپیمای کوچک موسوم به Thor ساخته است که نخستین نمونه هواپیمای ساخته شده توسط چاپگرهای سه بعدی در دنیا محسوب می شود. از این هواپیما به طور رسمی  در نمایشگاه صنایع هوائی برلین در سال جاری، رو نمائی شد. هواپیمای فوق الذکر، آزمایش های فنی مورد نظر را با موفقیت پشت سر گذاشته و از نکات مهم طراحی بدنه آن می توان به نبودن پنجره اشاره کرد. این هواپیما بدون سرنشین بوده و وزنی برابر با 21 کیلوگرم داشته و حدود 4 متر طول دارد.

• پزشکی

یکی از حوزه هایی که فناوری چاپگرهای سه بعدی در آن کاربرد بسیار زیادی دارد، حوزه پزشکی است. در این بخش به بررسی چند نمونه منحصر به فرد از جراحی ها و اقدامات درمانی انجام شده توسط چاپگرهای سه بعدی در سراسر جهان می پردازیم که تنها طی سال گذشته رخ داده است. برای بررسی نخستین نمونه باید به شرق دور سفر کنیم، جائی که پزشکان چینی موفق شدند تا طی یک عمل جراحی پیچیده ،  قفسه سینه ای که از آلیاژ تیتانیوم توسط چاپگر سه بعدی ساخته شده بود را جایگزین قفسه سینه از دست رفته زنی 54 ساله کنند. دریافت کننده این قفسه سینه پرینت شده، زنی بود که قفسه سینه اش را به دلیل تومور سرطانی از دست داده بود.

در عملی دیگر و باز هم به کمک چاپگرهای سه بعدی در چین؛ تیمی از پزشکان با استفاده از نوعی ویژه از چاپگر های سه بعدی موفق به تولید بخش هایی از کبد انسان شدند که این محصول می تواند پزشکان را در ساخت کبد مصنوعی یاری کرده و جان بسیاری از بیماران را با کمک آن نجات داد. بر اساس گزارش های رسمی منتشر شده ، پژوهشگران چینی در شهر هانگ ژو  مرکز استان ژجیانگ در شرق چین موفق به ساخت سلول های موسوم به  hepatic lobules به صورت مصنوعی شدند که در کبد انسان به صورت طبیعی و به تعداد بسیار زیاد وجود دارد.

در آن سوی دنیا اما یک بنیاد خیریه امریکایی با کمک شرکای جهانی خود، دستان مصنوعی مناسب برای کودکان نیازمند به دست مصنوعی را توسط چاپگرهای سه بعدی ساخته است که هزینه ساخت آن نسبت به نمونه های حرفه ای آن بسیار ناچیز است. شبکه جهانی e-NABLE ، شبکه ای از داوطلبان فعال در زمینه ساخت اعضای مصنوعی توسط چاپگرها است که با هدف کمک به افراد نیازمند عضو مصنوعی فعالیت می کند. این شبکه با استفاده از چاپگرهای سه بعدی اقدام به ساخت دستان مصنوعی چاپ شده سه بعدی رایگان برای کودکان می کند .

پرینترهای سه بعدی حتی در بحث سلول های بنیادی نیز کاربرد داشته و پژوهشگران به تازگی موفق به ابداع روشی جدید شده اند که در آن می توان به کمک سلول های بنیادی و جوهر های زیستی ویژه پرینترهای سه بعدی اقدام به ساخت اندام غضروفی بدن مانند بینی ؛ گوش یا غضروف های مفاصل کرد.

به تازگی پزشکان با بهره گیری از  روش های درمانی جدید باعث امیدواری بیش از پیش ورزشکاران ، افراد مسن و بیمارانی شدند که تجربه  صدمات غضروفی و درد های ناشی از ورم مفاصل را دارند. در دویست و پنجاه و یکمین  نشست ملی پزشکی و دستاوردهای جدید انجمن شیمی در ایالات متحده که در منطقه سن دیگو برگزار شد ، محققان فرآیند درمانی جدیدی را معرفی کردند که با کمک ایمپلنت های چاپی می توان به درمان بینی ، گوش و زانوی آسیب دیده در انسان پرداخت .سلولهای تولید شده از این روش با سلولهای بنیادی در انسان آمیخته شده و به گفته محققان 60 روز زمان کافی است که ترکیب این دو به تولد عضوی جدید منجر شود . در این عملیات، دانشمندان توانستند مواد ریزی را با دی ان ای مخلوط کنند که حالت چسبندگی داشته و شبیه ژلاتین از چاپگر سه بعدی خارج شود. این چسب جدید  می تواند برای رشد بافت ها و اندام ها در آزمایشگاه مورد استفاده قرار گیرند .

پژوهشگران اعلام کردند که مولکول های دی ان ای می توانند مانند یک چسب عمل کرده و کمک کند تا مواد مورد استفاده در  چاپگرهای  سه بعدی کنار هم قرار گیرند و این موضوع می تواند برای رشد بافت ها و اندام ها در آزمایشگاه مورد استفاده قرار گیرند.

• میراث فرهنگی و باستان شناسی

بر اساس گزارش منابع رسمی ، تیمی مشترک از پژوهشگران و دانشمندان باستان شناس در نظر دارند تا آثار و بقایای تاریخی باقی مانده در منطقه خاور میانه را با استفاده از تکنولوژی های مدرن روز به صورت سه بعدی تصویر برداری کرده و عملیات کامل مستند سازی و نقشه برداری از آن ها را به پایان برسانند . این عملیات گسترده با همکاری موسسه باستان شناسی دیجیتال Institute for Digital Archaeology که در قالب یک همکاری متعارف علمی بین دانشگاه های هاروارد و آکسفورد شکل گرفته است از یک سو و موزه  و بنیاد آینده دبی از سوی دیگر و تحت نظارت و کنترل و همکاری سازمان بین المللی یونسکو انجام خواهد شد .

در این پروژه بزرگ ، پژوهشگران در نظر دارند ، بیش از یک میلیون تصویر دیجیتال از آثار تاریخی و میراث فرهنگی منطقه خاور میانه تهیه کنند. این اطلاعات به پژوهشگران امکان بازسازی و ترسیم فرم نخستین آثار باستانی و ابنیه تاریخی را به کمک پرینتر های سه بعدی خواهد داد.

استفاده از چاپگرهای سه بعدی تنها در مرمت آثار باستانی کاربرد نداشته و می توان از آن در آموزش و تفهیم معانی نیز برای دانشجویان رشته باستان شناسی استفاده کرد. برای نمونه چندی پیش پژوهشگران دانشگاه آریزونای شمالی اقدام به ساخت و قالبگیری از صدها ابزار سنگی پیش از تاریخی در سراسر دنیا کرده اند که قدمت برخی از آن ها به دو میلیون سال می رسد. هدف اصلی این پروژه ، مطالعه عملی این اشیا توسط دانشجویان است . در این پروژه، با استفاده از پودر سنگ و قالب گیری سه بعدی، ابزارهای شاخص و آثار به دست آمده دوران پیش از تاریخ از سایت های مهم موجود در شمال آمریکا ، اروپا ، آمریکای جنوبی و شمال آفریقا ساخته شد تا دانشجویان با مطالعه و بررسی آن ها با طیف گسترده ای از ابزارهای پیش از تاریخی از نزدیک آشنا شده و قادر به لمس و استفاده از آن ها باشند.

در پایان باید خاطر نشان کرد که گستره استفاده از این فناوری بسیار گسترده تر از موارد معدود ذکر شده در این گزارش بوده و با توجه به شرایط فعلی، روز به روز بر این کاربرد افزوده شده و شاهد استفاده از چاپگرهای سه بعدی در حوزه های جدیدی خواهیم بود.

گزارش: احسان محمدحسینی – فاطمه کردی

No tags for this post.