چاپ سه‌بعدی در تعریف ساده به فرایند تولید اجسام سه‌بعدی از فایل‌های دیجیتال گفته می‌شود. تولید اجسام سه‌بعدی در این روش به‌کمک فرایندهای افزودنی انجام می‌شود. در فرایندهای افزودنی، اجسام با روی هم قرار گرفتن لایه‌های متعدد ساخته می‌شوند. هریک از لایه‌ها را می‌توان به‌عنوان برشی افقی با ضخامت کم از محصول نهایی در نظر گرفت.

مقاله‌های مرتبط:

• چاپ نخستین قلب سه‌بعدی با استفاده از بافت بیولوژیکی
• اولین ابرخودروی جهان با چاپ سه‌بعدی تولید شد
• تأثیر فناوری‌های چاپ سه‌بعدی روی جراحی‌های آینده

فرایند تولید افزودنی یا همان چاپ سه‌بعدی در مقابل فرایندهای تولید برداشتی قرار می‌گیرد. در فرایندهای برداشتی، برای رسیدن به محصول نهایی باید قطعه‌هایی از یک ماده‌ی خام برش داده شده یا اصطلاحا تراشیده شوند. برداشتن مواد نیز توسط ماشین‌آلات تولیدی همچون فرز یا ماشین تراش انجام می‌شود. درنهایت چاپ سه‌بعدی امکان تولید قطعات با موادی بسیار کمتر را نسبت به فرایندهای سنتی تولیدی فراهم می‌کند. به‌علاوه قطعات با پیچیدگی بیشتر در طراحی هم با چاپ سه‌بعدی آسان‌تر تولید می‌شوند.

امروزه صنایع بسیاری از مهندسی مکانیک، ساخت‌وتولید، مهندسی پزشکی، هوافضا و حتی صنایع غذایی از فناوری چاپ سه‌بعدی بهره می‌برند. مدل‌سازی یکی از مهم‌ترین کاربردهای این فرایند تولیدی محسوب می‌شود که در میان کاربران عادی هم طرفداران زیادی دارد. در این مطلب زومیت قصد داریم تا بررسی جامعی درباره‌ی چگونگی انجام فرایندهای چاپ سه‌بعدی و همچنین کاربردهای آن داشته باشیم.

چاپ سه‌بعدی چگونه انجام می‌شود؟

فرایند چاپ سه‌بعدی از طراحی یک مدل سه‌بعدی شروع می‌شود. کاربر می‌تواند مدل سه‌بعدی را خودش طراحی کرده یا مانند فایل‌های دیگر، آن را از مخازن آنلاین دانلود کند. برای طراحی مدل سه‌بعدی، انواع ابزارها از نرم‌افزارهای طراحی تا اسکنرهای سه‌بعدی، دستگاه‌های اسکن لمسی، کدنویسی و حتی اپلیکیشن‌های موبایل در اختیار کاربران قرار دارند.

درحال‌حاضر ابزارهای نرم‌افزاری متعددی برای مدل‌سازی سه‌بعدی وجود دارند. انواع صنعتی و حرفه‌ای آن‌ها عموما قیمت بالایی دارند. درمقابل انواع رایگان نرم‌افزارهای سه‌بعدی هم در اینترنت دیده می‌شوند که قابلیت‌های مناسبی را در اختیار کاربران تازه‌کار قرار می‌دهند. از میان آن‌ها می‌توان به Tinkercad اشاره کرد که تحت مرورگر اجرا می‌شود. این ابزار آموزش‌هایی را هم برای راهنمایی کاربران عرضه می‌کند و درنهایت روش‌های انتقال مدل به دستگاه چاپ سه‌بعدی را هم شرح می‌دهد.

پس از مدل‌سازی سه‌بعدی جسم مورد نظر، باید فرایندهایی در جهت آماده‌سازی آن برای چاپ انجام شود. فرایند اولیه برش زدن یا Slicing نام دارد. در فرایند برش زدن، قطعه به صدها یا هزارها لایه‌ی افقی تقسیم می‌شود. شایان ذکر است برش‌دهی نیز نرم‌افزار اختصاصی دارد. البته برخی نرم‌افزارهای مدل‌سازی حرفه‌ای، فرایند برش‌دهی را نیز برای کاربر انجام می‌دهند. به‌علاوه برخی چاپ‌گرهای سه‌بعدی هم ابزار برش‌دهی دارند و کاربر تنها باید فایل مدل سه‌بعدی را در فرمت‌های .stl یا .obj یا فایل CAD به آن‌ها وارد کند.

برش‌دهی را می‌توان مرحله‌ی آخر مدل‌سازی جسم برای چاپ سه‌بعدی دانست. دستگاه این فایل را از طریق USB، کارت‌های حافظه یا حتی اتصال شبکه و اینترنت دریافت می‌کند. سپس فرایند چاپ به‌صورت پیاده‌سازی لایه به لایه‌ی جسم انجام می‌شود.

کاربردهای چاپ سه‌بعدی

استفاده از چاپ سه‌بعدی در تولید اجسام و محصولات امروزه به اوج خود رسیده است. درواقع تعداد شرکت‌هایی که از این فناوری در زنجیره‌ی تأمین خود استفاده نمی‌کنند، روز‌به‌روز کمتر می‌شود. چاپ سه‌بعدی در ابتدای کار تنها فرایندی مناسب مدل‌سازی یا تولید تکی بود، اما امروز به‌طور جدی یک فناوری تولیدی محسوب می‌شود.

اکثر فعالیت‌های انجام‌شده به‌کمک چاپ سه‌بعدی در دسته‌ی صنعتی قرار می‌گیرند. Wohlers از فعالان جدی بازار چاپ سه‌بعدی محسوب می‌شود که گزارش‌هایی دوره‌ای از آن منتشر می‌کند. آن‌ها اعتقاد دارند صنعت جهانی چاپ سه‌بعدی تا سال ۲۰۲۰ به درآمد بیش از ۱۵ میلیارد دلار می‌رسد. طبق همین روند، درآمد صنعت تا سال‌های ۲۰۲۲ و ۲۰۲۴، به‌ترتیب ۲۳/۹ و ۳۵/۶ میلیارد دلار پیش‌بینی می‌شود.

چاپ سه‌بعدی با پیشرفت و تکامل، به‌مرور همه‌ی صنایع موجود در جهان را متحول می‌کند. درواقع آینده‌ی کاری، زندگی و حتی بازی و تفریح کردن انسان‌ها هم با فناوری چاپ سه‌بعدی متحول خواهد شد. چاپ سه‌بعدی امروز بسیاری ازفناوری‌ها و مواد را پوشش می‌دهد چون تقریبا در همه‌ی صنایع نفوذ کرده است. درواقع باید آن را مجموعه‌ای از صنایع گوناگون بدانیم که کاربردهای بی‌شمار دارد. به‌عنوان مثالی از کاربردهای چاپ سه‌بعدی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• تجهیزات دندانپزشکی
• عینک
• مدل‌های معماری و ماکت
• اعضای مصنوعی بدن
• مدل‌ها و ماکت‌های سینمایی
• طراحی داخلی
• بازسازی فسیل‌ها در دیرینه‌شناسی
• کپی کردن اجسام قدیمی در باستان‌شناسی
• بازسازی مدارک جرم تخریب‌شده از صحنه‌های جرم

مدل‌سازی و ساخت سریع

شرکت‌های متعدد از سال‌های پایانی دهه‌ی ۱۹۷۰ از چاپ سه‌بعدی برای ساخت نمونه‌های اولیه‌ی محصولات در فرایند طراحی استفاده می‌کردند. این فناوری سرعت مدل‌سازی را افزایش داد و مفهومی به‌نام مدل‌سازی سریع (Rapid Prototyping) متولد شد. استفاده از چاپ‌گرهای سه‌بعدی برای مدل‌سازی سریع، علاوه بر افزایش سرعت، باعث کاهش هزینه هم می‌شود.

ساخت نمونه‌های اولیه با چاپ سه‌بعدی با سرعت بالایی انجام می‌شود

فرایند ساخت سریع (Rapid Manufacturing) هم مانند مدل‌سازی سریع از نتایج به‌کارگیری چاپ سه‌بعدی محسوب می‌شود. شرکت‌ها با استفاده از این روش محصولات با تیراژ محدود یا عمر عملکردی پایین را با سرعت بالا تولید می‌کنند. همین فرایندهای تولید و مدل‌سازی سریع باعث می‌شوند تا تجهیزاتی پیشرفته مانند ربات‌ها هم قابلیت تولید با چاپ سه‌بعدی را داشته باشند. امروزه بسیاری از ربات‌ها به‌صورت کامل با چاپ‌گر سه‌بعدی ساخته شده و درنهایت تنها حسگرها و موتور الکتریکی روی آن‌ها نصب می‌شود. چنین رویکردی موجب ساخت محصولاتی ارزان‌تر با فرایند سریع‌تر خواهد شد.