چاپ 3 بعدی

چاپ سه بعدی یا 3D printing روند ساخت اجسام جامد سه بعدی از یک فایل دیجیتالی است. در این فن آوری ایجاد یک شی سه بعدی با استفاده از روندهای افزودنی انجام می شود. در یک روند افزودنی یک شی با قرار دادن پی در پی لایه هایی از مواد درست می شود. قرار دادن لایه ها تا زمانی که کل شی ایجاد شود ادامه می یابد. هر کدام از این لایه ها درواقع یک مقطع نازک افقی از جسم نهایی هستند.ساخت ماکت انواع ساختمان ها، پل ها، سازه های پیچیده، برج های خاص، بناهای تاریخی، پوسته های معماری یا طرح های عادی و نظایر آن با چاپگرهای سه بعدی به یک شیوه متداول در دنیای معماری تبدیل شده است.

چاپ سه بعدی چگونه انجام می شود؟

چاپ سه بعدی با انجام طراحی از شی که می خواهیم درست کنیم شروع می شود. این طراحی در یک فایل CAD انجام می شود. طراحی در یک فایل CAD به این معنا است که طراحی با کمک سیستم های رایانه ای انجام می شود و از سیستم های رایانه ای برای کمک به ایجاد، اصلاح، تجزیه و تحلیل و یا بهینه سازی یک طرح استفاده می شود.
کار طراحی با استفاده از سیستم های رایانه ای به دو صورت انجام می شود.
• استفاده از برنامه مدل سازی سه بعدی که برای ایجاد یک شی کاملا جدید ایجاد می شود.
• با استفاده از یک اسکنر سه بعدی برای کپی کردن شی که وجود دارد. اسکنر کمک می کند یک کپی دیجیتال سه بعدی از یک شی گرفته شود و این کپی در داخل یک برنامه مدل سازی قرار داده می شود.
سپس نرم افزار، مدل نهایی را به صدها یا هزاران لایه افقی تقسیم می کند. هنگامی که این فایل آماده شد در چاپگر سه بعدی آپلود می شود و چاپگر شی را لایه به لایه ایجاد می کند. چاپگر سه بعدی هر قطعه را (یا تصویر دوبعدی را) می خواند و لایه ها را با هم ترکیب می کند تا شی سه بعدی مورد نظر ایجاد شود. البته هیچ نشانه ای از لایه بندی، قابل مشاهده نخواهد بود.
همه چاپگرهای سه بعدی از یک فن آوری مشابه برای ایجاد اشیا استفاده نمی کنند. راه های مختلفی برای انجام این کار وجود دارد و همه آنها از سال ۲۰۱۲ قابل استفاده اند. تفاوت عمده این فن آوری ها در روش ساخت لایه هایی است که به منظور ایجاد شی نهایی مورد استفاده قرار می گیرند. در برخی از روش ها مواد ذوب شدنی یا نرم شدنی برای تولید لایه ها مورد استفاده قرار می گیرند. پخت انتخابی لیزر ( SLS ) و مدل سازی رسوب جوش خورده (FDM) رایج ترین فن آوری های مورد استفاده در این روش چاپ کردنند. روش دیگر چاپ، ذخیره کردن مواد مایع است که با فن آوری های مختلف انجام می شود.
در روش پخت لیزر انتخابی با استفاده از لیزر با قدرت بالا، ذرات کوچکی از جنس پلاستیک، فلز، پودر سرامیک یا شیشه ترکیب می شوند تا یک توده که شکل سه بعدی مورد نظر را داشته باشد درست شود. لایه های جدید از جنس موادی که ذکر شد روی هم قرار می گرند و این روند تکرار می شود تا زمانی که جسم کامل شود.
در روش مدل سازی با رسوب جوش خورده رشته های پلاستیکی و یا سیم های فلزی و سیم پیچ مورد استفاده قرار می گیرد. به این وسیله مواد ذوب می شوند و هم در جهات افقی و هم در جهات عمودی حرکت می کنند. این کار با استفاده از ساز و کار کنترل عددی انجام می شود که با یک بسته نرم افزار تولید و با کمک رایانه به طور مستقیم کنترل می شود. شی تولیده شده از مواد ذوب شده ای که لایه ها را تشکیل می دهند بلافاصله بعد از خروج از دهانکی سرد می شود. در یک فن آوری دیگر( SLA) Stereolithography نیز از یک مایع برای تولید یک بخش جامد استفاده م یشود. در این فنآوری از اشعه ماورای بنفش مایع و لیزر فرابنفش برای ساخت لایه های جسم استفاده م یشود. ظرف چند سال گذشته چاپ سه بعدی شناخته تر شده است. در حالی که این فن آوری چندین دهه است که وجود دارد. به خصوص برخی از تولید کنندگان مانند شرکت نایک مدت ها است از این نوع چاپگر در فرایند طراحی به منظور ایجاد نمونه های اولیه برای تولید استفاده می کنند. استفاده از چاپگر سه بعدی برای این اهداف نمونه سازی سریع نامیده می شود.
علاوه بر نمونه سازی سریع، چاپ سه بعدی برای تولید سریع نیز مورد استفاده قرار می گیرد. ساخت سریع، یک روش جدید ساخت است که در آن شرکت ها با استفاده از چاپگرهای سه بعدی در زمانی کوتاه سفارشی را تولید می کنند. با این روش صرفه جویی زیادی در هزینه ها صورت می گیرد.
علاوه بر تولید در بعد صنعتی با استفاده از چاپگرهای صنعتی رویکردی نیز به سمت چاپگرهای شخصی سه بعدی به وجود آمده. چاپگر سه بعدی قادر است از چند رنگ و چندین نوع ماده استفاده کند و محصولی را به وجود آورد. در نهایت کار این چاپگرها بهبود خواهد یافت و کار به نقطه ای خواهد رسید که محصولاتی کاربردی تولید خواهند شد. این فن آوری مزیت های زیادی دارد از جمله پایین آمدن میزان مصرف انرژی، کاهش ضایعات، سفارشی سازی، در دسترس بودن محصول و… . در نهایت چاپ سه بعدی نحوه تولید را تغییر خواهد داد.

چاپگر سه بعدی چگونه کار می کند؟

تفاوت تمامی پرینترهای سه بعدی در تکنولوژی و مواد مصرفی آنها است که آنها را از هم متمایز می کند. به عنوان مثال 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 بسییار 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 م یدهد از آنجا که چاپ سه بعدی امکان ساخت مستقیم و دقیق قطعات را فراهم م یکند می توان با این تکنولوژی اشیاء پیچیده و با قابلی تهای بسیار بالا را بدون نیاز به مونتاژ و در کمترین زمان تولید کرد.
با این حال یکی از مهمترین نکات اساسی تولیدی موفق با این دستگاه، طراحی بسیار دقیق نمونه ها می باشد و غیراز این عملیات مهم، آماده سازی فایل و همچنین تبدیل آن می تواند پیچیده و زمان بر باشد به ویژه برای قطعاتی که در طول فرآیند ساخت بسیار پیچیده هستند. با این حال بروز رسانی مستمر نرم افزار و ارتقاء آن می تواند به کاهش زمان و طول این روند کمک به سزایی کند. علاوه بر این پس از پایان کار چاپ بیشتر قطعات نیاز به پردازش دارند، این مرحله که شامل سنباده زدن، صیقل دادن، رنگ و یا دیگر نکات تکمیلی کار است، نیازمند زمان و مهارت بالایی است. و به طور خلاصه می توان گفت این تکنولوژی هم اکنون اینکار تنها با استفاده از متریال های معدودی قابل اجراست اما کار بر روی تولید با انواع متریال مختلف همچون فلزات، مواد خوراکی، مواد بیولوژیک و سایر اقلام نیز در مرحله تحقیق و توسعه است و در آینده ای نزدیک تحول بزرگی در فرآیند تولید ایجاد خواهد کرد.

چاپ سه بعدی 3D printing

به احتمال زیاد چاپ سه بعدی جایگزین بسیاری از روش های قدیمی که تا به حال وجود داشته می شود. یک چاپگر سه بعدی توانایی این را دارد که برنام ههای کاربردی زیادی را در مدت کوتاه به نحو احسن ارائه دهد. با آشنایی کامل چاپ سه بعدی طراح این امکان را پیدا می کند که برای تولید یک محصول مطلوب از روش های انتخابی متنوعی که در چاپ سه بعدی هست، بهترین را انتخاب کند و به مورد اجرا درآورد.

مزایای چاپ سه بعدی

سرعت، تولید تک مرحله ای، هزینه، کاهش خطر، پیچیدگی و آزادی طراحی، سفارشی سازی، سهولت در دسترسی، پایداری از مزایای چاپ ۳ بعدی است و چاپ سه بعدی قادر به ساخت قطعات جامد اشیاء به صورت لایه به لایه در مدت زمانی کوتاه است. بخش های تولیدی در روش چاپ سه بعدی مزایای فراوانی نسبت به تکنولوژی سنتی و قدیمی دارد.

سرعت چاپ سه بعدی

یکی از مزایای چاپ سه بعدی سرعت بالای آن است که در روش سنتی چنین امکانی وجود ندارد. طرح های گوناگون تنها در مدت کوتاهی به وسیله مدل CAD از طریق سیستم های کامپیوتری دانلود و سپس چاپ و مورد تأیید قرار گرفته و به صورت سریع توسعه می یابد.
در گذشته امکان داشت که روزها یا هفته ها طول بکشد که طرح اولیه با افزودنی های لازم آماده شود و به عنوان نمونه در دسترس طراح قرار گیرد. اما در روش چاپ سه بعدی تنها ممکن است چند ساعت به طول بیانجامد در حالی که اضافه کردن مواد تولیدی به سیستم سنتی و قدیمی مستلزم صرف زمان زیادی است در روش چاپ سه بعدی زمان مصرفی بسیار کوتاه شده و محصول نیز با کیفیت بسیار بالا عرضه می شود. در روش سنتی هنگام قالب گیری تزریقی ممکن است زمان آن هفته ها به طول بیانجامد ولی در این روش زمان مصرفی بسیار کم شده است.

معماری و چاپگرهای سه بعدی

چاپگرهای سه بعدی با کیفیت و توانایی بی بدیلی قادر به تولید انواع پوسته ها هستد. پوسته هایی نظیر:
• پوسته های کلاستیک (همچون گنبدها) که دارای دو منحنی هستند و این منحنی ها شامل خطوط انحنای آن در جهت مشابه می باشد
• پوسته های قابل توسعه (مخروط، استوانه، استوانه ای) که در یک جهت دارای خطوط مستقیم و درجهت دیگر بصورت منحنی می باشند که از خمش در صفحه مسطح حاصل شده اند.
• اشکال آنتی کلاستیک (اشکال زین اسبی شامل: مخروطی، سهموی، هذلولی شبه هذلولی) دارای انحنای مضاعف بوده که خطوط انحنا در جهت مخالف هم می باشند.
• اشکال آزاد: دارای فرمهای آزادی هستند که از محاسبات ریاضی به دست نمی آیند. چاپگرهای سه بعدی این توانایی را دارند که ماکت موضوع طراحی معماری را تولید کنند و همچنین در ابعاد محدود امکان ساخت مستقیم نمونه های اصلی را در اختیار دارند.

چاپ سه بعدی و تحول در قطعه سازی صنعتی

شرکت لوکال موتور ( Local Motor ) ، اولین خودروی چاپی خودش را به نام Starti در نمایشگاه بین المللی فن آوری ساخت در شیکاگو IMTS به نمایش گذاشت. فعالیت های این شرکت که در سال ۲۰۰۷ تأسیس شده، متمرکز بر تولید تعداد کم خودرو و با استفاده از موتورهای فروش آزاد Open Source است. به گزارش سایت Topgear بدنه این خودرو با چاپگر سه بعدی بزرگی چاپ شده است. سپس موتور و قطعات داخلی بر روی بدنه مونتاژ شده است. تمامی بدنه خودرو به همراه صندلی ها و ستون ها و… بصورت یکپارچه در شرکت Local Motor توسط یک چاپگر رباتیک و با استفاده از مواد فیبر کربن چاپ شده اند. لوکال موتور با استفاده از این روش، تعداد قطعات بدنه خودروی Starti را از ۲۰۰۰ قطعه به ۴۰ قطعه کاهش داده است. نیروی محرکه این خودرو برقی، متعلق به Renault Twizy است. به گزارش ،Autonews جیمز ارل James Earle سر مهندس پروژه معتقد است که شرکت آنها بجای داشتن یک کارخانه بزرگ در ژاپن یا دیترویت، می تواند در هر محلی یک کارخانه کوچک داشته باشد و متناسب با سفارش مشتریان به تولید خودرو بپردازد.

آشپزخانه سه بعدی با چاپ سه بعدی

کسانی که بیش از سه دهه از عمرشان می گذرد به خوبی به یاد دارند که تا همین چند سال پیش پرینترهای سوزنی برای خود پدیده ای به حساب می آمد و کسی باور نمی کرد که این فن آوری چنان سریع رشد کند و ارزان شود و کار به جایی برسد که در بیشتر خانه ها هم حد اقل یک پرینتر سبک و ارزان و کارآمد موجود باشد. دیرزمانی نیست که پای تکنولوژی پرینت سه بعدی به دنیای فن آوری باز شده، اما خیلی زود صحبت از پرینت خودرو در کارخانه های خودرو سازی و پرینت سازه های مسکونی در کره ماه پیش آمده و اینک، فودینی!
فودینی یک آشپز مدرن، در حقیقت یک پرینتر سه بعدی است که غذا چاپ می کند. این پرینتر قادر است غذاهایی مثل پیتزا و پاستا و برگر و به طور کلی بسیاری از غذاهایی که ممکن است در یک آشپزخانه پخته شود چاپ نماید. دستور غذای دلخواه تان را می توانید از اینترنت یا کامپیوتر شخصی خود انتخاب کنید و برای چاپگر ارسال نمایید. دستگاه از شما می خواهد که کپسول محتوی مواد لازم را که در صفحه نمایش لمسی خود نمایش دهد و در سوپر مارکت ها در دسترس خواهد بود، در محفظه مخصوص قرار دهید. بلافاصله بعد از انجام این کار دستگاه کار خود را شروع می کند. چند دقیقه بعد پرینت شما برای پخت آمادست. تا آخر سال میلادی جاری این دستگاه با قیمت ۱۳۰۰ دلار آمریکا در دسترس خریداران قرار خواهد گرفت.
شرکت سازنده این پرینتر با همکاری کارخانجات تولید کننده مواد غذایی در تلاش است تا در تهیه کپسول های مواد اولیه کمترین مقدار مواد نگهدارنده به کار برده شود. دارندگان این پرینتر در آینده می توانند به فروشگاه رفته مثلا پنج کپسول مواد اولیه تازه را تهیه کنند و به خانه آورند و هر غذایی را که می خواهند تهیه کنند، کپسول مربوط به آن را در پرینتر قرار داده تا فودینی برایشان پرینت کند. راجر کی مدیر تشکیلات فن آوری های Endpoint در مصاحبه خود با technewsworld گفته است که توقع سوددهی برای این پرینتر را ندارد، ولی این دستگاه زمینه و مقدمه ای برای پرینترهای کاربردی تر آینده است. به گفته او فودینی با خصوصیات فعلی فقط یک ابزار جذاب و جالب است و کابرد وسیعی نخواهد یافت.

ترمیم فک بالایی یک بیمار با پرینتر سه بعدی

در آخرین خبر از دنیای چاپ سه بعدی، معالجه یک بیمار با استفاده از چاپگرهای سه بعدی انجام شده است. این بیمار یک مرد ۴۱ ساله بنگلور بود به سرطان مبتلا شده بود.
به گزارش دیلی میل این مرد که بخش های مهمی از فک بالایی (سقف دهان) خود را در اثر سرطان از دست داده بود. در واقع پزشکان مجبور شده بودند تا بخش مهمی از فک او را به علت سرطان جدا کنند و به همین علت او دیگر قادر به خوردن و جویدن غذا بصورت طبیعی نبود.
برای ترمیم فک بالا (سینوز) و تهیه پروتزجانشین آن، تهیه یک ماکت از باقیمانده بخشهای جمجمه بروش های سنتی و بدون استفاده از چاپگرهای سه بعدی تقریبا غیرممکن به نظر می رسید. پزشکان نخست با استفاده از دستگاه سیتی اسکن و همچنین اسکنرها توانستند نقشه کاملی از جمجمه تهیه کنند.
سپس پزشکان به همراه متخصصان چاپ سه بعدی شرکت ۳d Osteo توانستند تا با استفاده از یک پرینتر سه بعدی، جمجمه بیمار را چاپ کنند و سپس با تشخیص فضای مورد نیاز پروتز، آن را برای این بیمار بسازند. اکنون با استفاده از این پروتز می تواند به زندگی عادی خود ادامه دهد. او اکنون قادر به جویدن و بلع غذاست و مچنین قادر است تا بصورت عادی صحبت کند و لبخند بزند.

چاپگرهای سه بعدی در خدمت صنعت طلا و جواهر

چاپگرهای سه بعدی هم در مرحله طراحی به صنایع طلا و و جواهر خدمت می کنند و هم در مرحله مدلسازی و ساخت به کمک این صنعت می آیند. طراحی، شیوه های قدیمی ساخت هر روزه غیراقتصادی تر و نا کارآمد تر از گذشته می شوند. استفاده از چاپگرهای سه بعدی در تولید قطعاتی که مستقیما” باید ریخته گری شوند یا در تولید قطعاتی که طور غیرمستقیم قالب گیری می شوند، اقتصادی ترین شیوه تولید در صنعت طلا و جواهر در دنیاست. صرفنظر از موضوع شیوه تولید، طراحی های متفاوت و پیچیده یا بالعکس طرح های ساده اما متفاوت و نو جایگاه ویژه ای در بازار طلا و جواهر دارند. این طرح ها همواره با استقبال چشمگیری در بازار طا و جواهر روبروی می شوند و روز بروز عرصه را برای استفاده و ساخت طرح های تکراری تنگ می کنند.

صنعت ریخته گری و صنعت چاپ سه بعدی

چطور چاپگرهای سه بعدی می توانند به صنعت ریخته گری کمک کنند؟ این سوالی است که پاسخ دادن به آن دشوار نیست. شاید بخش مدل سازی بیش از هر بخش دیگری بتواند از مزایای فن آوری چاپ سه بعدی بهره مند شود. در صنعت ریخته گری در قالب های تک بار Expendable ، همچون ریخته گری ماسه ای، شما غالبا به یک یا چند مدل نیاز دارید. مدل سازی یا Pattern making عبارت است از طراحی و ساخت مدلهایی که در ریخته گری مورد استفاده قرار می گیرند. همچنین مدل ریخته گری یا Pattern ، قطعه ای یک یا چند تکه، ساخته شده از چوب، فلز، گچ و یا مواد پلاستیکی است، که نقش منفی متناظر خود را در ماده قالب گیری ایجاد می کند. برخی از انواع مدلها عبارتند از: مدل یک تکه، مدل دو نیمه، مدل چند تکه، مدل مرکب، مدل نصب شده، مدل آزاد، مدل با قطعه آزاد، مدل طبیعی، مدل اولیه، مدل مادر، مدل دو انقباضی، مدل تک انقباضی، مدل کاری، مدل استاندارد، مدل موقت، مدل ساده شده، مدل راهگاه، مدل راهگاه دار، مدل پیچی، مدل (پشت) تخت، مدل اسکلتی، مدل کلافی، مدل متحنی، مدل صفحه ای و… .
بسته به مشخصات مد لها روش های متفاوتی برای ساخت سنتی مدل ها تاکنون مورد استفاده قرار گرفته است. اما اکنون با تکنولوژی چاپ سه بعدی، ساخت برخی از مدل های ریخته گری وارد عرصه جدیدی شده است. شما می توانید طراحی دیجیتالی انجام شده را از مدل مورد نظرتان را در اختیار چاپگر سه بعدی قرار بدهید یا از یک قطعه موجود با استفاده از اسکن سه بعدی اندازه برداری کنید و سپس فایل آن را در اختیار چاپگر قرار بدهید. مواد مصرفی در تولید مدل های پلاستیکی می توانند مواد ضایعات پلاستیکی باشند که که دوباره به فیلامنت های قابل استفاده تبدیل شده اند.

چینی ها با چاپگر سه بعدی یک خودروی ۱۷۰۰ دلاری ساختند

نخستین خودروی چاپ شده با چاپگر سه بعدی در سال گذشته با نام Starti در نمایشگاه IMTS trade show عرضه شد. شرکت Local Motor با عرضه این خودرو پرینت شده اولین گام را در عرضه خوردوهای چاپ شده برداشت. حالا یک شرکت چینی گام دیگری در تولید خودرهای پرینت شده برداشته است: یک شرکت چینی با فن آوری چاپ سه بعدی که اخیرا به شدت فراگیر شده یک خودروی برقی ارزان قیمت ساخته است. شرکت سانیاسیهای که در عرصه پرینت سه بعدی فعالیت می کند این ماشین را که با انرژی الکتریسیته کار می کند ساخته است که تنها ۱۷۷۰دلار قیمت دارد.
به گزارش راشاتودی، شرکت سانیا با این کار، اولین شرکت چینی لقب گرفت که توانسته است خودرویی با روش چاپ سه بعدی بسازد که قابلیت حرکت دارد. کل مراحل ساخت این خودرو یک و نیم ماه طول می کشد و قطعات قابل چاپ آن نیز تنها در ۵ روز تولید می شود.
چنگ مینگ کیاهئو از مسئولین شرکت تولید کننده این خودروی چاپی گفته است وزن این ماشین به شدت کم است و تا یک هشتم خودروهای دیگر نیز می رسد؛ وزن سبک باعث می شود شما در مصرف سوخت صرفه جویی کنید و آن را برای آینده نگه دارید. این خودروی از نوعی کامپوزیت ارزان قیمت تولید شده است. این خودروی برقی و چاپی می تواند تا ۴۰ کیلومتر در ساعت حرکت کند و قابل شارژ شدن نیز است.
این خودروی چینی اولین ماشین با فن آوری پرینت سه بعدی نیست؛ در سال Urbee 2013 اولین خودروی چاپی بود که در آمریکا و توسط شرکت KOR EcoLogic ساخته شد. شرکت سازنده تصمیم گرفته درصورت تقاضای بیشتر آن را به تولید انبوه برساند. پیش بینی می شود این ماشین سه بعدی آمریکائی ۱۶ هزار دلار قیمت داشته باشد.

تولید تک محصولی

یکی از دغدغه های مهم طراحان در چاپ سه بعدی ارائه یک محصول با کیفیت بسیار عالی در مدت زمان اندک است ناگفته نماند که اغلب بخش های چاپ سه بعدی نیازمند مراحل متعدد ساخت می باشد که ترتیب قرار گرفتن این مراحل بر کیفیت و قابلیت تولید نیز تأثیر می گذارد.
یک محصول تولیدی از جنس فولاد سفارش شده را در نظر بگیرید. ابتدا روش تولید سنتی، مواد افزودنی تولید ابتدا با مدل CAD پردازش می شود. زمانی که طرح مذکور نهایی شد. محصول تولید شده، به صورت طولی برش داده می شود بر شهای طولی سپس در جایگاه اصلی خود قرار می گیرند و با فشار بسیار بالایی بر روی هم می چسبند و در مدت کوتاهی به هم جوش خوردند و طبق دستور داده شده محکم می شوند. گاهی اوقات یک حرکت بسیار ریز شاید لازم باشد که مطمئن شوید که تمام اجزا در جایگاه خود بوده و درست کار می کنند.
سپس جوش های موجود در روی سطح صاف شده و سطح کار به صورت مطلوب و صاف عرضه م یگردد، سپس سوراخ های لازم توسط دریل بر سطح ایجاد می شود و بعد محصول ارائه شده و نصب می شود، سوراخ های غیرلازم پر می شود و محصول به بهترین شکل ارائه می شود. اما چاپگرهای سه بعدی یک سازه را در یک مرحله می سازند، سپس بدون فعل و انفعالات خاصی همانطور که در چاپ سنتی گفته شد، به محض اینکه محصول از طریق مدل CADنهایی شد، چاپگرها بلافاصله آن را آپلود کرده و در یک مرحله و در تنها چند ساعت با کیفیت عالی آن را به چاپ می رسانند.
توانایی تولید یک قسمت از کار در یک مرحله به مقدار قابل توجهی از هدر رفتن وقت جلوگیری می کند و زمان وابستگی به ماشین ها، جوشکاری ها و رنگ کاری ها را بسیار کوتاه می کند و به طراح این فرصت را می دهد که تولید نهایی را با دقت بیشتری کنترل کند. کارشناسان فرآیند چاپ سه بعدی را مرحله (قرمز) در قیاس با فرآیند تولید سنتی (سیاه) نامگذاری کرده اند.

هزینه در چاپ سه بعدی

هزینه ساخت یک محصول به سه بخش تقسیم می شود. هزینه های عملیاتی ماشینی، هزینه مواد مصرفی و هزینه های کار و کارگر.
• هزینه های عملیاتی
بسیاری از چاپگرهای سه بعدی چه از طریق دسکتاپ (میز کار کامپیوتر) و چه از طریق کامپیوترهای laptop هدایت شوند توانایی یکسانی دارند. بسیاری از فناوری های صنعتی چاپ سه بعدی، مقدار زیادی انرژی را برای تولید محصول مصرف می کنند. اگرچه توانایی تولید یک شکل هندسی پیچیده در یک مرحله دلالت بر کیفیت و بازده بالاتر این روش چاپی دارد، اما با تمامی این اوصاف هزینه های عملیات ماشینی چاپ سه بعدی نسبت به هزینه های تمامی شیوه های چاپی به خاطر اینکه کمترین نیروی کار و هزینه را دارد، اهمیت زیادی دارد.
• هزینه مواد
هزینه مواد مصرفی در چاپ سه بعدی به میزان فراوانی بستگی به فناوری که به کار می رود، دارد. چاپگرهای دسک تاپی FDM از کویل های رشته های که حدود ۲۵ دلار در کیلوگرم است استفاده می کنند این در حالی است که چاپگرهای SLA به رزین(صمغ) برای تولید احتیاج دارند که این ماده در خرده فروشی ها ۱۵۰دلار در لیتر فروخته می شود. مواد زیادی در بازار برای چاپ سه بعدی وجود دارد که در قیاس با چاپ سنتی کار کردن با آن بسیار مشکل است. مثلاً پودر نایلونی در هر کیلوگرم در روش SLS 70 دلار ارزش دارد، در حالی که ساچمه های پلاستیکی که در قالب تزریقی استفاده می شود تنها ۵ تا ۲ دلار در هر کیلوگرم است که در بازار هم موجود است.
• هزینه نیروی کار
یکی از سودمندترین بخش چاپ سه بعدی در قیاس با چاپ سنتی هزینه نیروی کار است. در اکثر چاپگرهای سه بعدی تنها به یک کارگر ساده نیازمندیم که یک دکمه را بفشارد. سپس ماشین به طور اتوماتیک پردازش کار را به طور کامل انجام می دهد تا اینکه فرآیند تولید محصول تولیدی مورد نظر به پایان برسد. حال اگر بخواهیم این فرآیند را با روند سنتی مقایسه کنیم. در روش سنتی احتیاج به ماشین های تخصصی و نیز کارگران زبده و ورزیده داریم. اما در فرآیند چاپ سه بعدی هزینه کارگر تقریباً صفر است. مقدار مواد افزودنی به دستگاه که در چاپ سه بعدی استفاده می شود در قیاس با روش سنتی برای تولید طرح اولیه بسیار ناچیز است. در نتیجه استفاده از چاپ سه بعدی نسبت به روش های دیگری مثل (قالب گیری تزریقی) بسیار ارزان تر است. برای تولید یکی از قطعات تولیدی رقابتی بین روش جدید و روش قدیم وجود دارد.
اگر تولید یک محصول با حجم کم باشد مستلزم هزینه های هنگفت است. به همین خاطر مقرون به صرفه تر است که محصول مورد نظر با حجم زیاد تولید شود.

کاهش خطر در چاپ سه بعدی

برای ساخت یک نمونه اولیه از محصول ممکن است هزینه و زمان زیادی لازم باشد. حال اگر نمونه اولیه تولید شده و بخواهیم تغییر کوچکی در آن بدهیم، مسلماً مستلزم هزینه مضاعف است. اگر بتوانیم تأییدیه یک نمونه اولیه آماده تولید را قبل از سرمایه گذاری بر روی لوازم تولیدی مثل قالب ها، ابزارآلات و قطعات را بگیریم تولید نمونه اولیه ریسک و خطر کمتری را شامل می شود و این امر موجب اعتماد به نفس بیشتر قبل از اینکه سرمایه گذاری کلان برای تولید انبوه صورت پذیرد، می شود.
پیچیدگی و آزادی طراحی: محدودیت های تحمیل شده توسط چاپ سنتی بر روی آنچه که می تواند به طور کلی ساخته شود، مناسب چاپ سه بعدی نیست چرا که در چاپ سه بعدی قسمت هایی که ساخته می شوند، در یک زمان و در یک لایه قرار می گیرند و نیازی به طر حهای پیشنهادی، بازسازی ها و استفاده از ابزارهای گوناگون ندارد. این مساله به طراحان این امکان را می دهد که طرح های زیادی را آزادانه پیاده کنند و این بدین معنی است که بسیاری از طرح های هندسی به راحتی به وجود می آیند و مجموعه ای از طرح های پیچیده به آسانی می تواند توسط فناوری های چاپ سه بعدی تولید شود.

سفارشی سازی چاپ سه بعدی

چاپ سه بعدی نه تنها اجازه طرح های گوناگون و متنوع را می دهد بلکه امکان سفارشی سازی یک محصول را هم فراهم می آورد. در چاپ سه بعدی مواد افزودنی در اطراف محل تولید قرار می گیرند سپس یکی از قسمت ها به طور کامل و در یک مدت زمان محدود مناسب، یکباره تولید می شود. ناگفته نماند که اخیراً استفاده از چاپ سه بعدی توسط فناوری پزشکی و صنایع دندانپزشکی برای تولید سفارشات مصنوعی مورد توجه قرار گرفته است، دندانهای ایمپلنت و سایر موارد استفاده شده در دندانپزشکی از این جمله هستند. از ورزشگاه های حرفه ای و در سطح بالا گرفته تا عینک های آفتابی و لوازم جانبی نیز از همین موارد چاپ سه بعدی هستند. به همین خاطر چاپ سه بعدی اجازه می دهد که درت کتک تولید قطعات سفارشی صرفه جویی نیز صورت پذیرد.

سهولت دسترسی چاپ سه بعدی

چاپ سه بعدی حدود ۳۰سال است که به وجود آمده ولی بیشترین رشد آن در ۵ سال اخیر بوده است و این به خاطر درخواست های فراوان برای این شیوه چاپی است. در سال ۲۰۱۵ تنها بیش از ۲۷۸ هزار از این نوع چاپ (چاپ سه بعدی) برای چاپگرها (پرینترها) قیمتی بالغ بر ۵ هزار دلار در سطح جهانی داشت و این درحالی است که تعداد پرینترها در سه سال آخر دو برابر شده است و در بخش های گوناگون صنعت چاپ به کار گرفته می شود. بر اساس گزارشات شرکت wohlers در سال ۲۰۱۵ تعداد زیادی از پرینترها زیر قیمت ۵ هزار دلار در آن سال فروخته شدند.

استفاده از چاپ سه بعدی برای لیبل های ظریف برجسته

چاپ سه بعدی در بسیاری از صنایع پیشرفت کرده است. شرکت های بزرگ همانند شرکت های کوچک و متوسط دریافتند که فن آوری جدید می تواند منافع و مزایای قابل توجهی، از جمله زمان و صرفه جویی در هزینه را در بر داشته باشد. یک نمونه در این مورد، شرکت مهندسی Reitlinger است. این شرکت آلمانی به عنوان یک ارائه دهنده خدمات برای سازندگان ماشین لیبل زنی فعالیت می کند و از میان دیگران، از فن آوری برای تولید گیره هایی با چاپ سه بعدی استفاده می کند که محصولات را دقیقا در جای خود برای برچسب زدن نگه می دارد. این گیره های جدید نه تنها سبک تر و ارزان تر برای ساخت هستند، بلکه آنها همچنین به زمان کمتری برای تولید نیاز دارند.
برای چسباندن لیبل به محصول مشخص شده مانند بطری پلاستیکی، محصول مورد نظر باید دقیقا هم تراز با محل لیبل زنی باشد. محصول باید بدون حرکت و یا لرزش باشد، اگر این اتفاق بیافتد، لیبل به صورت کج روی محصول قرار می گیرد و نتیجه مطلوب به دست نمی آید.
برای اطمینان از اینکه محصول در جای خود نگه داشته می شود، Reitlinger مجموعه ای از گیره ها و زبانه ها را تولید کرده که پیرامون محصول را از هر دو طرف می پوشاند. برای حصول اطمینان از اینکه گیره ها آنگونه که مدنظر است کار می کنند، مهندسان نیاز به اندازه گیری های هندسی دقیق از محصول دارند. اما این اندازه ها اغلب سخت به دست می آیند، تا حدودی به دلیل اینکه برخی از شرکت ها احساس خوشایندی از به اشتراک گذاری طرح های خود ندارند و بخشی به دلیل اینکه طراحان اغلب با نرم افزاری کار می کنند که فایل های CAD تولید نمی کنند. در نتیجه، بسیاری از شرکت ها فایل های CAD را برای محصولاتی که نیاز به لیبل زنی دارند و بطری ها یا ظروفی که نیاز به اندازه گیری با دست دارند را پشتیبانی نمی کند. ماتیاس کرنر، رییس چاپ سه بعدی در Reitlinger می گوید:
این فرآیندی بسیار پیچیده است که می تواند از دو ساعت تا بیش از یک روز کامل را بسته به طرح بطری ها به خود اختصاص دهد.
ابعاد دستی به دست آمده از محصول پس از آن باید در نرم افزار CAD قرار بگیرند، که به وسیله آن گیره ها به صورت سفارش داده شده طراحی می شوند. گیره های پلاستیکی سپس توسط دستگاه کنترل دیجیتالی کامپیوتری ( CNC ) بر روی ماده پلاستیکی صیقلی ماشین می شوند قبل از اینکه روی یک نگهدارنده آلومینیومی قابل تنظیم نصب شوند. اگر اندازه گیری ها دقیق نباشند، گیره ها نیاز دارند که بعد از انجام تست بر روی ماشین لیبل زنی تنظیم شوند، که این امر می تواند منجر به زمان و تلاش بیشتر شود. روی هم رفته، شیوه سنتی طراحی و تولید گیره ها بسیار زمان بر است.
از نظر کرنر، کسی که برای مدتی پیگیر تحولات در چاپ سه بعدی بود، راه بهتری نیز وجود دارد. او پیشنهاد داد که فن آوری جدید را امتحان کنند و از رییس خود چراغ سبز را دریافت کرد (موافقت رئیس خود را گرفت). این شرکت بر روی اسکنر سه بعدی DAVID SLS2 و پرینتر آلمانی سه بعدی RepRap X350 سرمایه گذاری کرد و شروع به کار بر روی گیره های کاملا مناسب در ماه می ۲۰۱۵ کرد. با مهندسی معکوس، Reitlinger اکنون قادر به چاپ سه بعدی گیره هایی است که بطری های پلاستیکی را برای لوازم آرایشی و سایر محصولات دقیقا ثابت نگه می دارد.
کرنر می گوید: ما متعجب شدیم که به چه آسانی یک نگاتیو مناسب در اختیار ما قرار می گیرد. اگرچه این یک نوع چالش است. انتقال نقاط داده ها از اسکن به مدل ثابت شده CAD بیشتر از آن چه که انتظار می رفت دشوار بود. اما در مجموع، استفاده از چاپ سه بعدی یک موفقیت بود: Reitlinger زمان مورد نیاز برای مدل سازی را نصف کرد و قادر به ساخت محصولاتی سبکتر شد زیرا منشاء آلومینیومی برای گیره ها دیگر مورد نیاز نبود. روی هم رفته، استفاده از فن آوری چاپ سه بعدی به معنای کاهش هزینه های تخمینی بین سی تا چهل درصد است.
کاربران مشتاق بودند و کرنر تصمیم گرفت که از این فن آوری به منظور تولید گیره ها برای محصولات اضافی نیز استفاده کند. او همچنین فرصت هایی را در بخش های دیگر ماشین جایی که قطعات پلاستیکی می توانند ساخته شوند و به راحتی با کمک چاپ سه بعدی تغییر کنند مشاهده کرد. او می گوید: من فکر می کنم قطعا پتانسیل بیشتری وجود دارد.

پایداری در چاپ سه بعدی

روشهای تولید کم هزینه ای مثل دستگاه های تراش CNC یا تبدیل مقدار زیادی از مواد اصلی باعث می شود که مواد زائد زیادی تولید شود. در چاپ سه بعدی به طور کلی تنها از مواد مورد نیاز استفاده می شود و آن هم زمانی است که یک محصول در مرحله تولید قرار می گیرد. در بسیاری از مراحل چاپ سه بعدی از موادی استفاده می شود که قابل بازیافتند و می توانند دوباره به عرصه تولید برگردند و چون از ضایعات دوباره استفاده می شود در نتیجه مواد زائد آن به حداقل می رسد.
در سا لهای اخیر افزایش تعداد زیادی از ماشین های سه بعدی در جهان تأثیر زیادی بر صنعت چاپ گذاشته است، به خاطر اینکه کسی که با دستگاه چاپ سه بعدی کار می کند باید کاملاً آن را شناخته و درک صحیحی از کارکرد با آن را داشته باشد به همین خاطر لزومی ندارد که طرح های مختلف برای کارشناسان تولید ارسال شود و همین امر (عدم ارسال ماده تولیدی از مکانی به مکان دیگر) باعث کاهش حمل و نقل و هزینه حمل آن و نیز بر روی محیط زیست هم تأثیر مثبت دارد. این مساله همراه با توانایی چاپ و تولید لوازم یدکی باعث می شود که رد پای کمتری از کربن در تولید محصولات چاپی سه بعدی وجود داشته باشد.

چالش های مالکیتی، حقوقی و اخلاقی در چاپ سه بعدی

چاپ سه بعدی، شمشیر دو لبه است. آمده است که دنیا و جامعه را به سوی پیشرفت سوق دهد، اما نمی توان از زیان هایی هم که دارد چشم پوشی کرد. درست مانند دیگر فن آوری های مدرن، طبیعی است که غرق در هیجان نو آوری های چاپ سه بعدی شویم. این فن آوری چشم ما را به دنیایی گشوده است که امکانات جدیدی در صنعت ارائه، هزینه های انتقال را کاهش می دهد و بر روی محیط تاثیر می گذارد. چاپ سه بعدی با تمام خوبی هایی که دارد، خطرهایی هم برای زندگی ما آورده است. خطراتی که شاید از آنها ندانیم. تاثیرات محیطی، اقتصادی، سیاسی و اجتماعی این فن آوری هنوز به طور دقیق مورد بررسی قرار نگرفته است. در این مجال و مقال به چند خطری که چاپ سه بعدی می تواند برای زندگی به بار آورد اشاره شده است.

مصرف کننده بی حد و حصر انرژی
برای ذوب کردن پلاستیک با لیزر و گرما، چاپگرهای سه بعدی ۵۰ تا ۱۰۰ بار انرژی برق بیشتری از ریخته گری تزریقی برای ذوب یک آیتم با همان وزن مصرف می کنند. سال ۲۰۰۹ ، تحقیقات انجام شده در برنامه Environ mentally Benign Manufacturing در موسسه فن آوری ماساچوست، نشان داد که پخت لیزر مستقیم، صدها برابر انرژی الکتریکی بیشتری از روش ریخته گری سنتی و یا ماشینکاری استفاده می کند.

ایجاد آلودگی هوا
ممکن است چاپگرهای سه بعدی زمانی که در خانه استفاده می شوند موجب به خطر افتادن سلامتی افراد خانه شوند. انتشار هوای ناسالم از یک پرینتر سه بعدی دسکتاپ به اندازه سوزاندن یک سیگار، پختن غذا روی گاز و فر برقی است. مطالع های که سال ۲۰۱۳ صورت گرفت، برای اولین بار میزان انتشار ذرات از یک چاپگر سه بعدی را اندازه گرفت. با گرما دادن به پلاستیک و چاپ آیتم های کوچک، ماشینی که از رشته PLA استفاده می کند ۲۰ میلیارد ذره بسیار ریز را در هر دقیقه ساتع و نوع ۲۰۰ ABS میلیارد ذره را در هر دقیقه منتشر می کند. این ذرات می توانند وارد جریان خون و دستگاه تنفسی شده و سلامتی را به ویژه برای مبتلایان به آسم به خطر بیاندازند.

اتکا به پلاستیک
یکی از برگ ترین حرکت های محیط زیستی سالهای اخیر کمتر کردن اتکا به پلاستیک بوده است. از ساکهای خرید گرفته تا بطری های آب و لوازم منزل، تلاش شده است که از مواد بازیافت شدنی ساخته شوند. اگرچه استفاده از مواد خام به طور کل باعث کاهش ایجاد ضایعات می شود، این ماشینها مقدار زیادی پلاستیک و مواد غیرقابل استفاده را از خود جای می گذارند. PLA زیست تخریب پذیر است، اما رشت ههای ABS هنوز هم بیشترین کاربرد را در این حوزه دارد. مواد باقی مانده از پلاستیک در آخر، سر از محل های دفن زباله در می آورند. اگر چاپ سه بعدی بخواهد به مرحله صنعتی برسد، باید این مواد باقی مانده به طریقی دوباره استفاده شوند.

کمتر شدن کنترل بر روی مالکیت اسلحه
شنیدن از خبر چاپ موفق اسلحه سه بعدی در جهان دیگر تکراری شده است. شرکت های زیادی در سرتاسر جهان هستند که افراد را ترغیب به خرید این اسلحه ها می کنند. قانون اسلحه گرم غیرقابل تشخیص که حمل اسلحه هایی که با فلز یاب یا اسکنر اشعه ایکس تشخیص داده نمی شوند ممنوع می کند، برای ۱۰ سال تمدید شده است، اما اسلحه های چاپ شده با فلز اندکی که در ساختارشان بکار رفته است، شامل این قانون نمی شوند. در حال حاضر قانون گذاران تلاش به پر کردن این جای خالی دارند.

مسئولیت سازندگان
سا حها را می توان چاپ سه بعدی کرد، دقیقا به همان راحتی که می توان ابزار سامتی مثل کلاه دوچرخه سواری و اسباب بازی برای بچه ها را چاپ کرد. مشکلاتی از قبیل مالکیت معنوی و نام تجاری وجود دارد که البته مشکل بزرگتر در رابطه با مسئولیت است. چطور؟ اینکه مثلا اگر کسی با یک چاقوی چاپ شده کسی را زخمی کند یا با یک اسلحه باعث مرگ کسی شود، چه کسی مسئول است؟ مالک چاپگر؟ سازنده چاپگر؟ یا آن فرد غیرمسئولی که به فکر چاپ یک اسلحه افتاده است؟

اخلاق و قانون در چاپ اعضای بدن
بحث بر سر مغایر بودن چاپ سه بعدی اعضای بدن با اخلاق خیلی وقت است که آغاز شده است. تا بحال چندین عضو حیاتی هم با این چاپگرها تولید شد هاند. اما هنوز تا ساخت یک عضو کاملا واقعی سالها مانده است. چاپ سه بعدی در پزشکی شدیدا رو به رشد است، اما بحث سر اخلاقیات، آغاز شده و احتمالا با جلوتر رفتن چاپ سه‌بعدی در این زمینه این بحث ها هم شدت بیشتری خواهند گرفت.

ایجاد خطر برای امنیت ملی
کاغذ سفید منتشر شد از دانشگاه دفاع ملی بر خطری که چاپ سه بعدی می تواند بر امنیت ملی داشته باشد، تاکید کرده است. از آنجایی که هنوز نمی توان کنترلی روی ابزاری که یک چاپگر سه بعدی قادر به چاپ آنهاست داشت، این گزارش اعلام کرده است که این فن آوری می تواند برای امنیت ملی خطرناک بوده و نیاز به بررسی های آتی است.
سلامت وسایلی که قرار است با خوراک در تماس باشند
می توانید با دستگاه چاپ قاشق، چنگال و بشقاب پرینت کنید، اما اگر این کار را با پلاستیک ABS انجام دهید، آنوقت در معرض خطر قرار می گیرید. خوشبختانه نوارهای پلاستیکی سالم تری در حال ساخته شدن بوده که اما فعلا در دسترس نیستند. خود چاپگر نیز می تواند یک منبع میکروب باشد، اگر به درستی تمیز نشود.