چاپ سه بعدی : بلوغ تکنولوژی

تکنولوژی بیش از هر عرصه ی دیگری زندگی اخیر بشر را تحت تأثیر قرار داده و از بسیاری جهات بهبود بخشیده است. در دهه ی اخیر توسعه ی فن آوری تولید افزایشی(AM) مورد توجه است. تولید افزودنی(AM)، در محاوره به عنوان چاپ سه بعدی شناخته شده است و در حال حاضر به عنوان جرقه ای از انقلاب صنعتی جدید ترویج یافته است.

زمانیکه این فن آوری ثابت کرد هم برای طراحی و هم تولید انبوه کوچک مفید است، رشد چشمگیری در نمونه سازی سریع تجاری یافت و از آنجاییکه زمان تولید، کیفیت و هزینه های مربوط به تولید افزایشی در حال بهبود است، مصرف کنندگان بیشتری در حال پذیرش این تکنولوژی هستند.

این مقاله به طور خلاصه به معرفی فن آوری چاپ سه بعدی، بررسی ویژگی های آن، معرفی نمونه هایی از برنامه های کاربردی موفق چاپ سه بعدی و توضیح فواید منحصربه فردش در مقایسه با روش های ساخت سنتی و دیگر فرآیندهای تولیدی می پردازد و یک نرم افزار برای مدیریت داده و تضمین کیفیت در چاپ سه بعدی ارائه می دهد و در نهایت پیشرفت های قابل توجه در تجهیزات، مواد و نرم افزار را با کمک مثالی از موفق ترین کاربردهای تولید افزایشی نشان می دهد.

نتایج بدست آمده حاکی از آن است که این فناوری اجازه می دهد تا محصولات سفارشی را بدون تحمیل هرگونه هزینه ی مازاد بسازید. علاوه بر این، AM تولید طرح های کاربردی یکپارچه و پیچیده را در یک فرآیند یک مرحله ای ممکن می سازد، درنتیجه به طور بالقوه نیاز به کار مونتاژ را کاهش می دهد.

پرینتر سه بعدی ملموس ترین خروجی فیزیکی تکنولوژی مدرن کامپیوتر است و این قدرت را دارد که فراتر از فناوری هسته ای آی تی، هر دو جریان تولید اصلی و شخصی را تحت تأثیر قرار دهد. اگر به درستی استفاده شود می تواند ردپای کربن تولیدی را کاهش دهد و الگوی تولید را تغییر دهد. در این مقاله ریشه های چاپ سه بعدی شرح داده می شود و طیف وسیعی ای از فناوری های اساسی توضیح داده می شود.

فن آوری های چاپ سه بعدی در دو حوزه در حال پیشرفت هستند: در سطح خانگی و سرگرمی و در سطح تولید با ارزش.

باوجود تفاوت قیمت قابل توجه (تکنولوژی چاپ) در این دو حوزه، جوامع مؤسس کارآفرینی طیف وسیعی از نوآوری های تکنولوژی های مبتنی بر وب، طرح های منبع باز، روش های بازیافت، مواد آلی جدید و رویکردهای ترکیبی جدید به چاپ را تولید کرده اند. چاپ سه بعدی یا ساخت افزایشی با ایجاد یک انقلاب صنعتی، اولین بار با روش های پرینت پلیمری ظاهر شدند و به عنوان نمونه ی اولیه و تکنیک تولید small batch شناخته شدند.

در زمینه ی مواد و مصالح، این تکنیک ها در حال آزمایش هستند تا یک موج دومی از تکنولوژی را به تکامل برساند و با ایجاد یک روند بسیار بهینه سازی شده، اجازه ی بکارگیری مواد پیشرفته برای چاپ را بدهند.

مواد در فرآیند تولید توسط پرینتر سه بعدی

مطالعات زیادی در حوزه ی بکارگیری مواد مورد استفاده در فرآیند تولید افزایشی صورت گرفته است. از این رو در این بخش از 3dRD به این مهم خواهیم پرداخت.

متریال سرامیک و فلزات، آلومینیوم، تیتانیوم، سرامیک

مطالعات زیادی در حوزه ی بکارگیری مواد مورد استفاده در فرآیند تولید افزایشی صورت گرفته است. با وجود اینکه تولید افزایشی با مواد سرامیک و فلز در حال توسعه است در حال حاضر توجه ی ویژه ای به فیبر و نانو در پرینترهای سه بعدی می شود. فولاد، آلومینیوم و تیتانیوم نیز در برنامه های ایمپلنت پزشکی مورد مطالعه هستند.

SLM و SLS متداولترین فرآیندهایی هستند که با ذوب شدن تدریجی یک بستر از پودر فلزی با لیزر با شدت بالا در ساخت قطعات فلزی استفاده می شوند. فعل و انفعالات بر اثر حرارت های بالا می تواند ویژگی های زیرساختاری (ناهمسانگردی بالا، تنش پسماند و غیره) را تحت تأثیر قرار دهد و نیازمند طراحی و تجزیه و تحلیل پیچیده ایست که سبب شده چنین فرآیندهایی از همتایان پلیمری خود پیچیده تر باشند.

> بیشتر بدانید: فناوری پرینتر سه بعدی چگونه جان ما را نجات خواهد داد؟

متریال سیمان و بتن در معماری دیجیتال

همچنین تولید افزودنی و ساخت دیجیتال، افق های جدیدی را در ساخت متریال بر پایه ی سیمان و بتن به ارمغان آورده است، به عنوان مثال امکان ساخت سازه های بتنی بدون قالب منجر به افزایش تولید، آزادی های معمارانه و کاهش هزینه می شود؛ چرا که %35ـ60% هزینه ی سازه های بتنی مربوط به قالب بندی است. علاوه بر این امکان بکارگیری روبات های کنترل شده ی دیجیتالی جایگزین نیروی انسانی و اجرای تکنیک های جدید در محیط های آلوده را فراهم می کند. بررسی نقش خصوصیات ساختاری متریال سیمانی در تکنیک ساخت لایه به لایه نشان می دهد که مقاومت مکانیکی مواد سیمانی باید به اندازه ی کافی باشد تا بتواند وزن خود را زمانیکه لایه ها اضافه می شوند حفظ کند.

یکی از اجزای خانواده ی ساخت دیجیتالی بتن از تکنیک های پرینتر سه بعدی الهام گرفته که تکنیک ساخت افزایشی نامیده می شود. از پیوستن مواد به صورت لایه به لایه از داده های مدل سه بعدی برای تولید اشیاء تشکیل شده است. با این وجود تکنیک اسکتروژن ساخت افزایشی را می توان بصورت کار آمد در مقیاس صنعتی گسترش داد، برای رسیدن به این هدف و بهینه سازی فرآیند، نیاز است دو محدودیت عمده برطرف شود: ابتدا اتصال بین لایه هاست که در ساختار چاپ شده ضعیف است،

شایان به ذکر است که استحکام بین لایه ها با فاصله زمانی افزایش می یابد. محدودیت بعدی، نظارت بر سخت شدگی مواد در طول زمان. مواد باید به اندازه ی کافی سخت شوند تا بتوانند وزن لایه هایی را که به آنها اضافه می شوند تحمل کنند که این محدودیت زمان تولید را طولانی می کند.

پرینت سه بعدی با متریال بتن

مزایای روش مدلسازی رسوب ذوب شده برای ماشین آلات صنعتی

یکی از رایج ترین فناوری های مورد استفاده مدلسازی رسوب ذوب شده است. مزایای اصلی این تکنولوژی برای ماشین آلات صنعتی شامل:

• تنوع خوب در مواد در دسترس
• تغییر آسان مواد
• هزینه های پایین نگهداری
• تولید سریع قطعات نازک
• عدم نیاز به نظارت، بدون مواد سمی
• اندازه ی بسیار فشرده و عملیات با دمای پایین نام برد

واحد فروش سالانه سیستم RP تکنولوژی FDM در سراسر جهان با تخمین 9/13 درصد درحال رشد است. تکامل تکنولوژیکی از پرینتر سه بعدی، دسترسی به اینترنت گسترده و محاسبات ارزان، معنای جدیدی از طراحی باز را ممکن ساخته است. انواع زیادی از پرینترهای سه بعدی با مقیاس کوچک شامل Ultimaker، Fab@home، RepRap پروژه های با منبع باز هستند.

دقت قطعات ساخته شده با تکنولوژیRP به مسایل کلیدی در زمینه های تحقیقاتی منجر شده است. بهینه سازی پارامترهای فرآیند، یک چالش عمده برای دقت ابعادی، زبری سطوح، قدرت قطعات و بهبود زمان ساخت قطعات، به این منظور درحال حاضر ماشین آلات تولید افزودنی به منظور بهبود دقت و قابلیت ها، اصلاح شده اند.

ماشین آلات صنعتی هنوز مشکلات بسیاری دارند که باید درنظر گرفته شوند، از جمله هزینه های بالا، محدودیت های مواد و سختی مطالعه پارامترهای فرآیند (Sood، 2009، 4245) ماشین آلات با منبع باز نیازمند یک مطالعه کامل از پارامترهای درگیر در فرآیند ساخت و انتخاب صحیح پارامترها مانند سرعت رسوب، ضخامت لایه، میزان رسوب و سرعت حرکت می باشند.Fab @ home از یک سیستم سه محور که با موتورهای استپر حرکت می کند استفاده می کند و از لایه های اکسترود شده از مواد برای ساخت فرم سه بعدی استفاده می کند.

تعریف کوتاه از پرینت سه بعدی

اصطلاح پرینت سه بعدی گروهی از فرآیندها و تکنولوژی هایی را پوشش می دهد که طیف وسیعی از قابلیت های تولید قطعات و محصولاتی با جنس های متفاوت را ارائه می کند. اساساً، فصل مشترک همه ی این فرآیندها و تکنولوژی ها روشی است که با آن تولید (لایه به لایه در فرآیندی افزایشی) انجام می شود که با روش های تولید سنتی درگیر بار روش های کاهی و یا فرآیندهای قالب ریزی و ریخته گری در تضاد است.
به عبارتی چاپ سه بعدی روش تولیدی اساساً متفاوتی است که مبتنی بر تکنولوژی پیشرفته ای است که قطعات را به صورت افزایشی، در لایه هایی با مقیاس کم تر از میلی متر روی هم می سازد. این تکنیک اساساً با هر نوع تکنیک تولید سنتی دیگری متفاوت است.

تاریخچه پرینتر سه بعدی

در تاریخچه تولید، روشهای کاهشی اغلب در درجه نخست جای می گیرند. ماشینکاری(تولید اشکال دقیق با دقت بالا) درحالت کلی امری کاهشی محسوب می شود، از سوهان کاری و تراشکاری گرفته تا فرزکاری(عملیات پرداخت نهایی). اولین کاربردهای تولید افزایشی در بخش اتاق ابزار تولید بوده اند.

به طور مثال، نمونه سازی سریع یکی از اولین گونه های افزایشی بود و مأموریتش کاهش زمان تحویل کالا و هزینه نمونه های اولیه قطعات و وسایل جدید بود. اما، با گذشت سالیان دراز و پیشرفت مستمر و پیوسته تکنولوژی، روشهای افزایشی پا فراتر گذاشته و وارد بخش تولید شده اند.

تازه ترین تکنولوژی های پرینت سه بعدی در اواخر دهه ی 1980 نمایان شدند که آن زمان تکنولوژی های نمونه سازی سریع (Prototyping Rapid) به اختصار (RP) نامیده می شدند(Charles Chuck Hull). اولین ماشین استریولیتوگرافی(SLA) را در سال1983 اختراع کرد. در سال 1987، کارل دکارت(Carl Deckart) فرآیند(RP) پخت لیزرانتخابی (SLS) را در آمریکا ثبت کرد. در سال 1989 اسکات کرومپ(Scott Crump) یکی از بنیان گذاران Stratasys حق ثبت امتیاز را برای مدلسازی رسوب ذوب شده(Fused Deposition Modeling) کسب کرد.

چاک هال سازنده اولین پرینترهای سه بعدی

سرتاسر دهه ی 1990 و اوایل دهه ی2000، ارائه ی تکنولوژی های جدیدی که همچنان بر کاربردهای صنعتی تمرکز می کردند ادامه یافت. ابتدا تکنولوژی های پرینت سه بعدی سیستم های بسیار گرانی بودند که برای تولید بخش قطعات پیچیده، با ارزش و با مهندسی بالا طراحی شده بودند. این امر همچنان ادامه دارد و در حال رشد است ولیکن نتایج این تکنولوژی اکنون در کاربردهای تولیدی در میان بخش های جواهرات ظرفیت، هوا و فضا، صنعت اتومبیل سازی و پزشکی در حال نمایان شدن هستند.

>> 10 طرح جذاب و کاربردی برای پرینتر سه بعدی

مقایسه ی تولید افزودنی با روش های ساخت سنتی

تولید سنتی محدودیت هایی دارد که در بسیاری موارد مبتنی بر نیروی کار و ایدئولوژی دست ساز است. به هر حال کلیه ی این تکنولوژی ها خواه جهت بدست آوردن خود محصول و یا تولید ابزاری برای فرآیندهای قالب گیری یا ریخته گری باشند نیازمند کاستن ماده از بلوکی بزرگ تر هستند و این امر در کل فرآیند تولید، محدودیتی جدی ایجاد می کند. طراحی سنتی و فرآیندهای تولید برای بسیاری کاربردها، محدودیت های غیرقابل قبولی از جمله ابزارسازی گران، تجهیزات و نیاز به مونتاژ کردن قسمت های پیچیده را تحمیل می کند. بعلاوه، فرآیندهای کاهشی می توانند تا 90 درصد باعث هدررفت بلوک ماده ی اولیه شوند. در مقابل، پرینت سه بعدی فرآیند ایجاد مستقیم اشیاء با اضافه کردن لایه به لایه ی ماده به شیوه های گوناگون است که این شیوه ها به تکنولوژی مورد استفاده بستگی دارند.

از آنجاییکه هیچ قالب و یا ماشین سنتی مورد نیاز نیست، این امکان را می دهد که بسیاری از اندازه ها را با هزینه های مقرون به صرفه داشته باشیم. پیچیدگی آزاد است. در تضاد با ماشین های سنتی، پیچیدگی های هندسی بالا بدون هیچ هزینه ی اضافی وجود دارد. ویژگی های پیچیده می توانند با تعدادی از توابع انجام شوند. برای مثال زیرسازی، همانطور که در شکل نشان داده شده(شکل1)، توپولوژی صندلی با کمک توابع بهینه سازی شده است.

شکل 1ـ طراحی پیچیده صندلی سبک وزن با پرینتر سه بعدی

هرچند ممکن است چندساعت یا حتی چندروز ساخت یک شیء زمان ببرد، اما در یک زمان نسبتاً کوتاه منجر به بدست آوردن یک محصول فیزیکی از یک فایلCAD می شود. در اصل نیاز به یک کارخانه با کامپیوتر و چاپگر سه بعدی است و به جز برخی از مراحل پایانی نیاز به تکنسین ماهر نیست. چاپ سه بعدی در بسیاری از مجلات و رسانه ها به عنوان فن آوری برای یک انقلاب صنعتی سوم مورد ستایش قرار می گیرد.

انواع روش های چاپ سه بعدی

چندین فناوری نمونه سازی سریع از جمله تولید شی لایه به لایه (LOM)، پخت با لیزر انتخابی(SLS)، حکاکی سنگ(SLA) و مدلسازی با رسوب موادمذاب(FDM) وجود دارند.

فرآیند رسوب مواد مذاب

فرآیند رسوب موادمذاب(FDM) شامل پیچاندن یک رشته تار از مواد پلاستیکی ارتجاعی از یک قرقره و تغذیه ی آن از طریق حرکت دهانه جدا، گرم کردن مواد برای ذوب آن و رسوب آب در یک الگوی مطلوب بر طبقه ایجاد شده است. لایه های پی در پی به رسوبات ترموپلاستیک ذوب شده بر روی لایه های زیرین اضافه می شوند. به منظور تکمیل عملکرد مکانیسم، یک پشتیبان از مواد محلول آزاد در شکاف بین قطعات متحرک قرار داده می شود. پشتیبان های فیزیکی می توانند بعداً اضافه و یا حذف شوند یا مواد محلول در آب می تواند رسوب کنند و سپس شسته شوند.

تکنولوژی پرینت سه بعدی (فرآیند تولید افزایشی)

در مقابل چاپ دو بعدی سنتی که در آن فقط یک لایه پرینت می شود، چاپ سه بعدی چندین لایه را روی یکدیگر به منظور رسیدن به یک مدل سه بعدی لایه به لایه قرار می دهد. برای بهترین پردازش، لایه ها هریک نازک هستند.(میکرومتر طیف رایج است) طراحی به کمک کامپیوتر نشان دهنده ی برش های لایه هایی است که چاپ خواهند شد و به ماشین فرستاده می شوند. نرم افزارهایی مانند Magics by Materialise اختصاص داده شده اند تا فایل های CAD را برای چاپ سه بعدی با استفاده از مواد در دسترس اعم از پلاستیک تا فلزات، سرامیک و حتی مواد خوراکی مانند شکلات آماده کنند.

نقطه ی آغاز هرگونه فرآیند پرینت سه بعدی، مدل دیجیتالی سه بعدی ای است که می توان آن را با استفاده از انواعی از برنامه های سه بعدی ساخت و یا با اسکنری سه بعدی اسکن کرد. آنگاه این مدل به لایه هایی بُرش داده می شود و بدین وسیله این طراحی به فایلی که توسط پرینتر سه بعدی قابل قرائت باشد تبدیل می شود.

آنگاه مواد فرآوری شده توسط پرینتر سه بعدی مطابق با طراحی و فرآیند لایه لایه چیده می شوند. همانطور که گفته شد، انواع متفاوتی از فناوری های پرینت سه بعدی وجود دارند که جهت ساختن شیء نهایی مواد مختلفی را به روش هایی متفاوت به عمل می آورند. پلاستیک های کاربردی، فلزات، سرامیک ها، و ماسه هم اکنون همگی به صورت روزانه برای نمونه سازی صنعتی و کاربردهای تولیدی بکار برده می شوند.علاوه بر این، خیلی از بخش ها به محض این که از پرینت سه بعدی بیرون می آیند باید تحت عملیات های پرداختی قرار گیرند. زدایش یکی از پرداخت های بدیهی برای فرآیندهایی است که نیاز به پشتیبانی دارند اما دیگر پرداخت ها عبارتند از سنباده کاری، لاک، رنگ و دیگر انواع پرداخت های سنتی که همه ی آن ها بطور معمول باید با دست انجام شوند و نیازمند مهارت، زمان و بردباری هستند.

فرآیند متداول Am شامل طراحی به کمک کامپیوتر، آنالیز عناصر و تولید افزایشی کنترل شده با کامپیوتری و سپس آزمایش و مونتاژ است. در این بخش مراحل مهم را با دید به آسیب های موجود در هر مرحله که می تواند محصول نهایی را تحت تأثیر قرار دهد توضیح می دهیم.

حرکت هد پرینتر سه بعدی

طراحی

این مرحله شامل طراحی به کمک کامپیوتر(CAD) و تجزیه و تحلیل محدود اجزاء(FEA) می باشد. یک تیمCAD محصول را بر اساس ابعاد و خواص و ویژگی های موردنظر مدل می کنند. نرم افزار کد مدل سه بعدی از جسم را که در FEA انجام شده تولید می کند. خواص الاستیک این مواد باید از قبل به منظور انجام شبیه سازی شناخته شوند، که پس از آن تجدیدنظر از طراحی اولیه تا طراحی بهینه با تمام مشخصات لازم، انجام گیرد.یکی از راه های باز شده توسطAM یک فرآیند طراحی “تطبیقی” است که در آن داده های دنیای واقعی و FEA با هم ترکیب و تحلیل می شوند تا به طور مستمر و نیمه خودکار عملکرد و میزان اطمینان از محصول را بهبود بخشند.

تولید

این مرحله شامل برش مدل سه بعدی و چاپ جسم است، و جاییکه در آن فرآیندAM شروع می شود تا از تولید سنتی متباعد شود. طرح نهایی جسم به فرمت STL تبدیل می شود، که نرم افزار برش آن را به یک کد مسیر ابزار مخصوص ماشین هدف تبدیل می کند؛ G ـ کد یک فرمت استاندارد مانند کد مسیر ابزار است، هرچند فرمت های اختصاصی متعددی توسط تجهیزات پیچیده ترAM استفاده می شود.Gـ کد (در ماشین آلات اکستروژن مواد استفاده می شود) حرکت سر چاپگر را در جهاتX، Y، Z، مقدار مواد اسکترود، و سرعت حرکت سر چاپگر را کد گذاری می کند. در طول این مرحله،Gـ کد به چاپگر لود می شود و جسم تولید می شود.

Gـ کد در اکستروژن مواد، SLA، و غیره در مرحله ی برش و تعیین مکان مورد استفاده از پشتیبانی مواد و در تمام تکنیک ها در موقعیت یابی مدل های متعدد در داخل حجم قابل چاپ کاربرد دارد. وقتی که مرحله ی چاپ توسط اپراتور خارجی انجام می شود، استفاده اقتصادی از چاپگر به طور کلی نیاز به ترکیب قطعات متعدد در هر دستگاه تا استفاده از منابع را به حداکثر رساند. سهولت حذف مواد پشتیبانی همچنین یک نظر عمده در تصمیم گیری جهت یابی چاپ است.

آزمایش

برای کنترل کیفیت و یا اعتبارسنجی، یک نمونه اولیه جهت آزمایش فیزیکی و مکانیکی مخرب یا غیرمخرب ممکن است چاپ شود (NDT). بسته به میزان اطمینان مورد نیاز از قطعات، به طور تصادفی یک نمونه و یا تمام قطعات تولید ممکن است انتخاب شوند تا توسط NDT معاینه شوند. روش های تست غیرمخرب شامل اشعه ایکس توموگرافی کامپیوتری ( اشعه ایکسCT ) و ماورای صورتی است.

تست های مخرب در این مرحله می توانند شامل هر کدام از روش ها و آزمایش های طراحی شده یا تست های رایج مواد برای ارزیابی انطباق با استانداردهای صنعتی باشند. در قطعات ساده AM، این مرحله از تولید سنتی متفاوت نیست، هرچند افزایش پیچیدگی در برخی بخش ها ممکن است آزمایش را پیچیده تر کند.

فرآیند تولید افزایشی با پرینتر سه بعدی

>> بیشتر بدانید: راهنمای خرید بهترین پرینتر سه بعدی

نرم افزار اختصاص داده شده

همه ی الزامات توصیف شده می توانند در یک سرور اختصاصی که تاحدی توسعه یافته به نام StreamicsTM پوشش داده شوند.

با سیستم مدیریت مرکزی داده متصل به تمام بخش های واحد، شامل:

• طراحی و تحقیق
• مدیریت پروژه
• آماده سازی داده
• کارگاه ساخت AM
• توزیع از بخش ترمیم
• مدیریت و کنترل کیفیت

یکی دیگر از مزیت های پردازنده های ساخت، برقراری ارتباط به طور مستقیم بین فایل های جدا از هم در نرم افزار با ماشین است. به خصوص برای فایل های استاندارد سه بعدی (عموماً فایل های STL برای AM) با هندسه ی بسیار پیچیده، مانند شکل1 که می توانند بسیار بزرگ باشند مناسب است. چرا که موجب افزایش زمان انتقال فایل میشود و همچنین نرم افزارهای برش روی ماشین قادر به پردازش این فایل ها نیستند. جعبه ی جادویی با فرمت های پیشرفته ی کار می کنند که بیانگر این مدل های پیچیده ی در فایل های مشابه بسیار کوچکتر است که می توانند بسیار آسان تر برش داده شوند.

پیچیدگی مدیریت داده

AM نیازمند به یک سیستم اختصاصی برای مدیریت داده ها و تضمین کیفیت به دلیل مسیر پیچیده و خاص فرآیند داده های در کارخانه می باشد. در مرحله ی نمونه سازی دفعات زیادی طراحی تکرار می شود که باید بصورت جداگانه ذخیره شوند و همچنین هر اصلاح کوچکی در باز طراحی نیاز است بصورت جداگانه ذخیره شود. به عنوان مثال تغییر مقیاس.

قطعات روی پلت فرم ساخت ماشین قرار داده می شوند. گاهی اوقات برخی سازه های پشتیبانی نیاز است و همچنین این داده ها باید ذخیره شوند. از آنجا که موقعیت دقیق و جهت گیری قطعات در پلت فرم ممکن است بخشی از کیفیت را تحت تأثیر قرار دهد، برای هر پلت فرم نیاز است تنظیمات فرآیند و شرایط محیطی(دما، سطح اکسیژن، قدرت لیزر در صورت امکان، و غیره) ذخیره شود.

در کنار فایل های سه بعدی، همچنین فایل های برش و بسیاری دیگر از فاکتورهایی که مربوط به مواد و فرآیند است باید در پایگاه داده نگهداری شود. هنگامی که قطعه ای از دستگاه می آید مجموعه ای از عملیات پایانی براساس آزمایشات کیفیت صورت می گیرد که باید همه ذخیره شوند.
برای کاربردهای پزشکی خاص(مانند ایمپلنت های ارتوپدی) این یک نیاز عمومی تا داده ی تولیدشده در هر بخش را برای مدت 70 سال ذخیره کنید. در صنعت هوا و فضا نیز شرایط مشابه است. واضح است که سیستم های مدیریت داده های عمومی با خصوصیاتAM در تضاد نیستند.
در یک محیط تحقیقاتی، اپراتورهای ماشین معمولاً می خواهند تا به تعدادی از پارامترها به منظور تنظیم فرآیندشان دسترسی داشته باشند. شرکت هایی که در نمونه سازی برای سال های زیادی فعال هستند و اپراتورهای ماهر همچنین می خواهند تا به بهینه سازی پارامترهای فرآیند قادر باشند. با این حال، برای تولید واقعی، تعداد اپراتورهای ماشین باید بسیار محدود شود و در حالت ایده آل، فایل های کار باید بدون تعامل، به طور مستقیم به ماشین آلات به منظور اجتناب از خطاهای انسانی ارسال شود. به خصوص در کاربردهای پزشکی و یا هوافضا، حائز اهمیت است.

ساخت قطعات باکیفیت با پرینتر سه بعدی

تضمین کیفیت برای AM

راه اندازی فرآیندهای تضمین کیفیت در صنعت چاپ سه بعدی نسبتاً جدید است. قابل توجه است که تا سال 2011، هیچ استانداردهای مشخصی برای صنعت AM در دسترس نبود. هر شرکتی برطبق اصول و عادات خویش کار می کرد که این مقایسه ی کیفیت را بین فرآیندهای متفاوت، ارائه دهندگان خدمات، تأمین کنندگان مواد و … غیرممکن می کرد.

شیت های داده همیشه بر اساس روش های مختلف اندازه گیری ساخته می شدند. امروزه، این وضعیت تا حد زیادی وجود دارد اما تغییر در راه است. انجمن تست مواد آمریکا (ASTM) یک اقدامی را برای استانداردسازی AM در سال 2011 شروع کرد. همچنین در چندین کشور اروپایی، طرح های ملی برای استانداردها تأسیس شد و به تازگی سازمان استاندارد بین المللی (ISO) نیز آغاز به کار بر روی استانداردهای جهانی ISO برای چاپ سه بعدی کرده است. این یکی دیگر از مثال هایی است که این تکنولوژی چگونه در حال بلوغ است.

فواید چاپ سه بعدی

از آنجاییکه زمان تولید، کیفیت و هزینه های مرتبط با تولید افزایشی(AM) رو به بهبودی است، مصرف کنندگان بیشتری متقاضی این فناوری هستند. برخی از فواید کلیدیAM عبارتند از: سفارشی سازی، بومی سازی تولید و کاهش تجهیزات، پیچیدگی، عدم نیاز به ابزارآلات، سازگاری با محیط زیست.

سفارشی سازی

فرآیندهای پرینت سه بعدی امکان سفارشی سازی انبوه را فراهم می کنند (امکان تولید سفارشی محصول بر اساس نیازها و تقاضای افراد). ماهیت پرینت سه بعدی بدین معنا است که حتی در محفظه ساخت یکسان نیز محصولات متعددی را می توان بطور همزمان بر اساس نیازهای مصرف کننده و بدون هزینه فرآیند اضافی تولید کرد.

پیچیدگی

با پیدایش پرینت سه بعدی محصولاتی با سطوح پیچیدگی بالا تولید شده اند که نمی توان آنها را با استفاده از روش های دیگر تولید کرد. درحالیکه این مزیت از نظر تولید جلوه های ویژه مورد توجه طراحان و هنرمندان قرار گرفته است، اثر قابل توجهی روی کاربردهای صنعتی نیز داشته است، بدین صورت که کاربردهایی برای تولید قطعات پیچیده ای که نسبت به نمونه های قبلی خود سبکتر بوده و استحکام بیشتری دارند توسعه یافته است. در بخش هوافضا که وزن و استحکام اهمیت بالایی دارد کاربردهای جالب توجه ای توسعه یافته است.

عدم نیاز به ابزارآلات

یکی از مراحل پرهزینه، زمانبر و کار بر در فرآیند توسعه محصول برای تولید صنعتی، تولید ابزارآلات است. برای کاربردهای با حجم کم و متوسط، چاپ سه بعدی صنعتی می تواند نیاز به تولید ابزار را حذف کرده و درنتیجه هزینه ها، مدت زمان انجام کار و میزان آن را کاهش دهد. علاوه بر این، به دلیل مزیت پیچیدگی که در بالا به آن اشاره شد، محصولات و قطعات را می توان بگونه ای طراحی کرد که نیازی به مونتاژ نداشته باشند، که این امر به نوبه خود باعث کاهش هزینه ها و میزان کار مورد نیاز می شود.

روشی پایدار و سازگار با محیط زیست

پرینت سه بعدی به عنوان یک فناوری با بهره وری انرژی شناخته می شود که می تواند از نظر فرآیند تولید (با استفاده از %90 مواد استاندارد و درنتیجه کاهش ضایعات)، و همچنین از طریق افزایش عمر محصولات تولید شده (با طراحی سبکتر و با استحکام بیشتر که باعث کاهش اثر کربن در مقایسه با روشهای تولید متداول می شود)مزیتهای زیست محیطی را فراهم کند. چاپ سه بعدی منجر به کاهش هزینه، صرفه جویی در انرژی و کاهش انتشار گاز کربن دی اکسید شده است. چاپ سه بعدی نشان دهنده ی یک تکنولوژی نسبتاً جدید در تولید است که با محرک های بالقوه ی قوی با توسعه ی پایدار در ارتباط است.

علاوه بر این، پرینت سه بعدی از نظر ایجاد یک مدل تولید محلی، که در آن محصولات بر اساس تقاضا در محلی که به آنها نیاز است تولید می شوند، نتایج مطلوبی را نشان داده و باعث کاهش قابل توجه موجودی کالا در انبار و تدارکات لازم برای ارسال حجم بالای محصولات به نقاط مختلف جهان شده است. یکی از عوامل اصلی موجود در پس این موضوع این است که پرینت سه بعدی این پتانسیل را دارد که تولید را به کاربر نهایی و یا مصرف کننده نزدیکتر کند، و به این ترتیب محدودیتهای فعلی موجود در زنجیرۀ تأمین را کاهش دهد.

پرینترهای سه بعدی سازگار با محیط زیست

ارزش سفارشی سازیِ پرینت سه بعدی و قابلیتش در تولید به تعدادِ کم و بر اساس تقاضا مسیری مطمئن برای جلب مصرف کنندگان و کاهش یا حذف فهرستِ موجودیِ کالا و انباشت کالا در انبار است. حمل و نقل محصولات و قطعات یدکی از بخشی از دنیا به بخشی دیگر عملاً مهجور می شود، چون احتمالاً قطعات یدکی در محل مورد نظر با پرینتر سه بعدی تولید می شوند.

این مسئله روی نحوۀ عملکردِ تجارتهای بزرگ و کوچک، و ارتش تأثیر عمده ای برجای می گذارد و مصرف کنندگان در آینده در مقیاسی جهانی فعالیت می کنند و با هم تعامل می کنند. هدف نهایی بسیاری این است که مصرف کنندگان، پرینتر سه بعدی خود را در منزل، یا در محل کار خود داشته باشند، و همانجا طرح های دیجیتال هر محصولی (که قابلیت سفارشی سازی نیز دارند) را از طریق اینترنت دانلود کنند و به پرینتر سه بعدی ارسال کنند. چاپگر هم از ماده های مناسب برای چاپ و ساخت قطعۀ مورد نظر پر باشد.

>> بیشتر بدانید: پرینتر سه بعدی و نانو تکنولوژی

کاربردهای پرینت سه بعدی

امروزه باتوجه به رشد روزافزون تکنولوژی پرینت سه بعدی و کاربرد هزارشاخه ی آن در تمام صنایع و رشته ها، بصورت اجمالی به برخی از کاربردهای موفق آن اشاره می کنیم:
زمانیکه فرآیند چاپ سه بعدی از نظر مواد و سرعت فرآیند بهبود یابد، نه تنها در طراحی مجدد و چاپ قطعات یدکی، بلکه در طراحی قطعات اصلی واقع گرایانه تر می شود و در نهایت با ارائه ی فایل های کد قطعات به مشتری، او می تواند خودش پرینت بگیرد.

فناوری های پرینت سه بعدی برای تعداد زیادی از کاربردهای مختلف استفاده می شوند. علاوه بر ساخت نمونه های اولیه برای پشتیبانی از ساخت محصول جدید در صنایع پزشکی و دندانپزشکی، ایجاد الگوهای ریخته گری فلز در ساخت روکش های دندان و در ساخت ابزاری که روی آن پلاستیک به شکل خلاء برای سیمهای ارتودنسی دندان بکار برده می شود.

همچنین از این فنآوری بطور مستقیم به منظور تولید ایمپلنت های مفصل ران و زانو، و محصولات قراردادی ویژه ی بیمار، مانند سمعک، کف ارتوتیک برای کفش، پروتز شخصی سازی و ایمپلنت های یکباره برای بیماران مبتلا به بیماریهایی مانند آرتروز، پوکی استخوان و سرطان استفاده می شود.

موفقیت پرینتر سه بعدی در پزشکی و صنعت تولید سمعک

یکی از بزرگترین حیطه های موفق چاپ سه بعدی در صنعت سمعک یافت می شود. گوش هر شخصی منحصر بفرد است به طوری که سمعک برای داشتن کیفیت بالا باید به طور کامل با شکل داخل گوش مطابقت داشته باشد، قبل از ظهور پرینتر سه بعدی، سمعک های سفارشی با قالب سیلیکون ساخته می شدند، که فرآیند فشرده ای داشت. این فرآیند قابل اعتماد نبود. بسیاری از قطعات مجدد بررسی می شدند(بالای25 درصد) و کیفیت آنها صرفاً به مهارت تکنسین ها وابسته بود.

یکی از بزرگترین چالش ها در تولید دیجیتال، مسیر بکاربردن داده ها و طراحی است، یک تصویر از گوش گرفته می شود و در مجموعه ای از نقاط اسکن می شود، این نقاط در یک زمان کوتاه در حدود 3 تا 4 دقیقه به طرح سمعک تبدیل می شوند. بیش از یک میلیون سمعک سفارشی در سال طراحی می شوند. همانند بخش پزشکی، بخش هوافضا و خودروسازی هم جزو اولین بهره برداران در استفاده از فناوری های پرینت سه بعدی در تولید محصول و نمونه سازی اولیه بوده اند.

ساخت سمعک با پرینتر سه بعدی

بطور متعارف، فرآیند طراحی و ساخت جواهر همواره نیازمند سطح بالایی از تخصص و دانش مربوط به رشته های خاص شامل ساخت، قالبسازی، ریخته گری، آبکاری، طلاکوبی، فلزکاری نقره ای/طلا، برش سنگ، آزادی های طراحی جدید که توسط3D CAD و پرینت سه بعدی امکان پذیر گشته، سبب شده بسیاری از فرآیندهای متداول کنار گذاشته شود.

مدلهای معماری به مدت طولانی کاربرد اصلی فرآیندهای پرینت سه بعدی، برای تولید مدلهای دقیق نمایش دیدگاه یک معمار است. پرینت سه بعدی روش نسبتاً سریع، آسان و از نظر اقتصادی روشی ممکن برای تولید مدلهای دقیق بطور مستقیم از 3D CAD، BIM و یا دیگر اطلاعات دیجیتالی است که معماران استفاده میکنند.

بخش طراحی و ساخت با تکنولوژی پرینت سه بعدی

نرم افزار Grasshoper Rhino

ابتدا فرم را مرحله به مرحله در گرسهاپر (پلاگین طراحی پارامتریک در نرم افزار راینو) مدل می کنیم، در مرحله بعد از فرم در گرسهاپر برای راینو خروجی می گیریم یا به اصطلاح آن را «bake» می کنیم. سپس از راینو خروجی ای با پسوند «stl» می گیریم و وارد نرم افزار پرینتر سه بعدی به نام میکر بوت«maker bot» می شود و فایل با پسوند stl را وارد می کنیم.

شکل6: خروجی با پسوند stl برای maker bot.

 

شکل7: در تصویر بالا محیط نرم افزارmaker bot مشاهده می شود که نرم افزار تخصصی ترجمه فرم دیجیتال برای پرینتر سه بعدی است تا آن را به فرم واقعی تبدیل کند.

منبع: نگارندگان.

بخش ساخت فرم با کمک پرینتر سه بعدی

در ابتدا با دقت صفحه زیر کار پرینتر و نازل را تنظیم می کنیم و فیلامان کافی جهت رسوب روی سطح کار، جهت ساخت فرم را کنترل می کنیم بعد از اطمینان از تنظیم بودن پرینتر و اجزای آن در نرم افزار maker bot روی علامت print در بالا سمت راست می زنیم و به شکل زیر فرآیند ساخت آغاز خواهد شد.

نتیجه گیری
چاپ سه بعدی روش تولیدی اساساً متفاوتی است که مبتنی بر تکنولوژی پیشرفته ای است که قطعات را به صورت افزایشی، در لایه هایی با مقیاس کم تر از میلی متر روی هم می سازد. این تکنیک اساساً با هر نوع تکنیک تولید سنتی دیگری متفاوت است. پرینت سه بعدی این پتانسیل را دارد که تولید را به کاربر نهایی و یا مصرف کننده نزدیکتر کند و امکان تولید سفارشی محصول بر اساس نیازها و تقاضای افراد را فراهم کند.

اگر به درستی استفاده شود می تواند ردپای کربن تولیدی را کاهش دهد و الگوی تولید را تغییر دهد. و همچنین از طریق افزایش عمر محصولات تولیدشده (با طراحی سبکتر و با استحکام بیشتر که باعث کاهش اثر کربن در مقایسه با روشهای تولید متداول می شود) مزیتهای زیست محیطی را فراهم کند.

3dRD

شما میتوانید برای مشاوره درباره پرینتر های سه بعدی مجموعه 3dRD با کارشناسان این مجموعه تماس بگیرید و صنعت خود را هر چه زودتر با این تکنولوژی پیشرفته آشنا کنید. موفقیت با این فناوری در دسترس شماست.

خرید پرینترسه بعدی

خرید پرینتر سه بعدی حرفه ای ارزان قیمت تولید متخصصان داخل کشور از طریق لینک بالا و همچنین کسب مشاوره رایگان قبل از خرید با پشتیبانی وب سایت.