چاپ سه بعدی یکی از فناوری های مهم و تاثیرگذار در توسعه تولیدات هوشمند و پایدار محسوب می شود. با اینکه چاپ سه بعدی در شمار فناوری هایی با ضایعات و تولید زباله کمتر به شمار می رود، اما این سوال هنوز مطرح است که
چاپ سه بعدی واقعا تا چه حد پایدار است؟
آیا واقعا می توان آن را جزو صنايع دوستدار محیط زیست به حساب آورد؟
چاپ سه بعدی : فناوری تولید پایدار افزایش دغدغه های عمومی برای آینده ای سبز و پایدار، باعث شده که کسب و کارهای مختلف هم در تلاش برای بهینه سازی فرایندهای تولید خود، مصرف انرژی و تولید ضایعات خود را تا حد ممکن کاهش داده و به استراتژی هایی رو بیاورند که به اصطلاح پایدار نامیده می شوند.
چاپ سه بعدی به مهندسان و طراحان کمک می کند که با جست و جو و اکتشاف در دنیای هندسه و تحلیل فیزیکی اجسام، بتوانند قطعات را به بهینه ترین، سبک ترین و اثربخش ترین شکل ممکن طراحی و تولید کنند.
مثلا در سیستم هایی که میزان مصرف انرژی، با وزن سیستم رابطه مستقیم دارد، با ساخت قطعات سبکتر، می توان در مصرف انرژی حتی در بازه های بلند مدت صرفه جویی کرد.
با کم کردن حتی یک گرم از وزن قطعاتی که در ماشین ها و هواپیماها استفاده می شوند. مصرف سوخت به مقدار قابل توجهی کاهش میابد، کاهش مصرف سوخت یعنی کاهش حجم آلاينده های کربن دی اکسید و کاهش آلودگی اتمسفر.
یک قطعه صنعتی که از لحاظ خواص هندسی اشیا با چاپ سه بعدی بهینه می شود، از نظر عملکرد هیچ تفاوتی با نسخه اورجینال خود ندارد مثال این مدعا را می توان در یکی از مطالعاتی که در دانشگاه نورث وسترن انجام گرفته، مشاهده کرد؛ محققان این دانشگاه با بهینه سازی خواص هندسی یک قطعه فلزی هواپیما با چاپ سه بعدی، موفق شدند که وزن آن را تا ۶۵ درصد کاهش دهند و از ۱/۰۹ کیلوگرم به ۰٫۳۸ کیلوگرم برسانند. محققان این دانشگاه ادعا می کنند که با بهینه سازی قطعات مختلف یک هواپیما به همین شکل، می توان وزن کلی آن را از ۴ تا ۷ درصد کاهش داد و به طبع آن، از مصرف انرژی تا ۶٫۴ درصد کاست.
این یعنی با کم کردن وزن صدها و حتی هزاران قطعه کوچک و ریز به کار رفته در یک هواپیما، می توان مصرف انرژی را به شکلی تاثیرگذار کاهش داد و مقیاس اثربخشی و صرفه جویی را در یک کالا چند برابر کرد.
در چاپ سه بعدی علاوه بر بهینه سازی خواص هندسی، می توان قطعاتی را که خود از چندین قطعه دیگر تشکیل شده اند، به شکل یک قطعه واحد و یکپارچه طراحی و تولید کرد. به این ویژگی چاپ سه بعدی، یکپارچه سازی قطعات می گویند که چندین مزیت فوق العاده دارد.
اولا، این کار تعداد قطعات مجزایی را که باید در طی فرایندهای مختلف ساخته و بعد با یکدیگر مونتاژ شوند، کاهش می دهد. ثانيا، اینکار فرایندهای اتصال این قطعات بهم، مانند جوشکاری یا پیچ و مهره قطعات را کاهش می دهد. و در نهایت اینکه یکپارچه سازی قطعات، هم عملکرد آنها را افزایش می دهد و هم به خاطر حذف درزها و خلل و فرج اضافی، مقاومت آنها را بیشتر می کند.
کاهش تعداد قطعات مونتاژ شده همچنین باعث کاهش لرزش سیستم هنگام کار می شود که احتمال ایجاد شکاف و درزهای ناخواسته را کاهش می دهد.
تمام مزیت هایی که در بالا گفته شده به پایداری نهایی محصول و فرایندهای تولید آن کمک می کنند. اصطلاح دیگری که به طور مستمر در کنار چاپ سه بعدی می آید. اصطلاح « ساخت افزایشی» ست، در واقع ساخت افزایشی و چاپ سه بعدی، دو عبارت برای یک مفهومند.
ساخت افزایشی و یا چاپ سه بعدی ، به روشی گفته مي شود که در آن یک مدل کامپیوتری سه بعدی، به عنوان ورودی به پرینتر سه بعدی داده می شود و بعد پرینتر با قرار دادن لایه به لایه مواد بر روی هم، یک قطعه فیزیکی یکپارچه را به عنوان خروجی ارائه می دهد.
امروزه بهترین مثال برای استفاده از فناوری ساخت افزایشی چاپ سه بعدی برای پایدار کردن فرایندهای تولید را می توان در کارخانه جنرال الکتریک و اقدام آنها برای ساخت موتورهای کاتالیست هواپیماها مشاهده کرد شرکت جنرال الکتریک در موتورهای کاتالیست خود، توانسته طراحی نوینی را ارائه دهد که در آن، یک موتور که در فرایندهای معمولی ساخت، از ۸۵۵ قطعه مختلف تشکیل می شود. می تواند تنها با ۱۲ قطعه تیتانیومی ساخته و توسط چاپگر سه بعدی، تولید شود.
همچنین این موتور از نظر عملکرد هیچ تفاوتی با نسخه های اورجینال خود ندارد. این قطعات جديد، به شکل بسیار قابل توجهی هم در وزن هواپیما و هم در کاهش میزان سوخت آن موثر هستند، جنرال الکتریک تخمین زده که با این کار، حدود ۵ درصد از وزن کلی هواپیما و ا درصد هم از حجم سوخت مصرفی کاسته می شود. نکته قابل توجه این است که تاثیر فوق العاده این مقدار صرفه جویی. زمانی که از این محصول در ساخت هواپیماهای بیشتری استفاده شود، چندین برابر می شود.
آیا چاپ سه بعدی از فناوری های سنتی انرژی کمتری مصرف می کند ؟
جواب کوتاه برای این سوال این است : بستگی دارد که چاپ سه بعدی را با کدام فرایند تولید مقایسه کنیم. مثلا یک پرینتر سه بعدی در مقایسه با یک ماشین CNC، از نظر میزان صرفه جویی اقتصادی در زمینه تولید قطعات با حجم محدود، مزیت های بیشتری دارد. به شکل خلاصه، ضایعات مواد در چاپ سه بعدی از این نظر کم است که در این فرایند، مقدار مواد اولیه مورد نیاز ساخت یک قطعه به مقدار دقیق تخمین زده می شود و بعد این مواد، در طی فرایند ساخت افزایشی، به شکل لایه لایه رو هم قرار داده می شوند و قطعه مورد نظر را می سازند.
به همین دلیل است که هیچ تراشه و پلیسه ای به عنوان دورریز از کار باقی نمی ماند. اما فرایند تولید در ماشین های CNC کاهشی ست، این یعنی اینکه قطعه نهایی، از دل حجمی از مواد اولیه تراشیده می شود و بیرون می آید. مواد باقی مانده از این فرایند می تواند دورریز زیادی تولید کند که در بسیاری از موارد، از میزان حجم مواد استفاده شده در قطعه ساخته شده بیشتر است به عبارت دیگر، حجم دورریز در فرایندهای تولید کاهشی، اغلب از ۵۰ درصد هم بیشتر است.
به همین علت است که استفاده از فرایند های افزایشی تولید، این همه با استقبال رو به رو می شود، فناوری دیگر که معمولا چاپ سه بعدی را با آن مقایسه می کنند، فرایند قالب گیری تزریقی است.
فرایند قالب گیری تزریقی را به عنوان یک فرایند تولید با ضایعات نزیک به صفر می شناسیم. اما این فرایند هم در تولید قطعات با حجم محدود. فرایند پر مصرفی محسوب می شود در صورتی که چاپ سه بعدی می تواند تعداد دقیق سفارشات را بدون هیچ تاثیری در میزان ضایعات مواد اولیه، به راحتی تولید کند.
ضایعات در چاپ سه بعدی چقدر است؟
واقعا نمی توان گفت که چاپ سه بعدی فرایندی بدون ضایعات است. در واقع دو منبع ضایعاتی در این فرایند وجود دارد، یکی ضایعات در قسمت پس از تولید و دومی، تولید قطعات مشکل دار که به اجبار به زباله تبدیل می شوند. در ساخت هر قطعه سه بعدی، چند سازه حمایتی وجود دارد که بعد از تولید قطعه، دورریخته می شوند. اگرچه حجم این سازه ها خیلی زیاد نیست. اما بالاخره نوعی ضایعات مواد محسوب می شود.
مثلا در فرایند ذوب لیزری بر بستر پودر (PDF)، دور ریختن سازه های حماني، نزدیک به ده درصد ضایعات روی دست ما می گذارد، اما می توان با یک طراحی خوب با هدف به حداقل رساندن این سازه ها، ضایعات را به حدود ۲ درصد هم رساند.
یکی دیگر از منابع ضایعات در بخش پس از تولید، مربوط به پرداخت نهایی قطعه است؛ در مورد ساخت قطعات سه بعدی از جنس پلیمر، این ضایعات بسیار ناچیز است، اما هنگام ساخت قطعات فلزی، حجم این ضایعات قابل توجه است.
یکی دیگر از منابع ضایعات مواد در ساخت قطعات با چاپ سه بعدی مربوط به قطعات چاپ شده مشکل دار و بی مصرف است، ساخت قطعات مشکل دار از این مساله ناشی می شود که طراحان هنوز نمی دانند بهترین مدل طراحی بهینه برای فرایند تولید افزایشی ( که با روش های سنتی متفاوت است) چیست، موضوع دیگر هم این است که بدون آزمون و خطا از طريق ساخت نمونه های مختلف از یک قطعه، قطعه نهایی با اثربخشی مورد نظر به دست نمی آید.
امروزه برای جلوگیری از ضایعات بی مورد در این بخش، از نرم افزارهای شبیه سازی استفاده می شود. این نرم افزارها، نحوه رفتار یک قطعه هنگام ساخت را برای مهندسان و طراحان پیش نمایش می دهد، با استفاده از این نرم افزار می توان خطاهای احتمالی هنگام ساخت یک قطعه را پیش بینی کرد و از ضایعات مواد تا مقدار زیادی جلوگیری کرد. در نهایت می توان گفت که پرینترهای سه بعدی در مقایسه با ماشین های CNC و فرایندهای قالب گیری تزریقی، کم مصرف تر هستند.
بیشتر حجم ضایعات در این فرایند هم با طراحی بهینه و آماده سازی مناسب مراحل ساخت، تا حد زیادی قابل پیشگیری است. با بهینه سازی سازه های حمایتی در حین چاپ و جلوگیری از ساخت قطعات مشکل دار با نرم افزارهای شبیه سازی، می توان تا حد زیادی جلوی ضایعات چاپ سه بعدی را گرفت.
مدیریت ضایعات چاپ سه بعدی
یکی دیگر از جنبه های پایداری در زمینه چاپ سه بعدی، بازیافت و استفاده دوباره از قطعات و مواد در فرایند چاپ است. بازیافت در صنعت چاپ سه بعدی از این جنبه دارای اهمیت است که اولا قطعات و مواد اولیه مورد استفاده در چاپ سه بعدی گران هستند و ثانيا، این گمان غلط وجود دارد که وقتی فلزات به شکل پودر در می آیند، دیگر نمی شود از آنها استفاده مجدد کرد.
در فرایند ذوب لیزری بر بستر پودر فلزات ( PBF)، مقدار پودر فلزاتی که از فرایند قبلی باقی مانده را می توان دوباره جمع آوری کرد و بعد با نسبتی مشخص با پودر تازه و دست اول مخلوط کرد. البته اغلب شرکت ها نسبت به این کار بدگمان هستند و پودر باقی مانده را دور می ریزند تحقيقات معتبر هم نشان می دهد که بازیافت و استفاده دوباره از پودر فلزات، نه تنها در فرایندهای مکانیکی چاپ سه بعدی اختلال ایجاد نمی کند، بلکه باعث می شود که فرایند چاپ سه بعدی صرفه جویانه تر و اثربخش تر باشد. در کنار این روش بازیافت، بسیاری از کمپانی ها هم به دنبال این هستند که قطعات فلزی اوراقی را به پودر تبدیل کرده و از آن برای استفاده در چاپ سه بعدی استفاده کنند. علاوه بر بازیافت فلزات، امروزه بیشتر حجم پلاستیک مصرفی در چاپ سه بعدی هم از پلاستیک های بازیافتی تامین می شود.
کمپانی های بزرگ و معتبری مانند GreenGate۳D Filamentive . Nefilatek. Refil و Replay ۳D در فرایندهای خود، از نسبت های معقولی از فیلامنت های بازیافتی استفاده می کنند. در نهایت اینکه، نمی توان گفت فناوری چاپ سه بعدی یک فرایند تولید کاملا سبز است، اما می توان با اطمینان گفت که با بکارگیری استراتژی های مناسب، این فناوری می تواند به یکی از اثربخش ترین و امیدوارکننده ترین روش های تولید پایدار تبدیل شود.