آشنایی با انواع پرینترهای سه‌بعدی و کاربردهای آن‌ها (انقلابی برای تولید قطعات دلخواه)

پرینترهای سه‌بعدی در سال‌های اخیر تبدیل به یکی از فناوری‌های مهم در صنایع مختلف شده‌اند. این دستگاه‌ها با تولید اشیاء سه‌بعدی به صورت لایه به لایه، انقلابی در ساخت و تولید ایجاد کرده‌اند. اما جالب است بدانید که انواع مختلفی از پرینترهای سه‌بعدی وجود دارد که هر کدام ویژگی‌ها و کاربردهای خاص خود را دارند. در ادامه با این انواع بیشتر آشنا می‌شویم.

کاربردهای مختلف پرینترهای سه‌بعدی

با توجه به تنوع فناوری‌ها و مواد به کار رفته، پرینترهای سه‌بعدی در حوزه‌های گوناگون صنعتی نقش بسیار مهمی ایفا می‌کنند.

نمونه‌سازی

یکی از کاربردهای اصلی آن‌ها نمونه‌سازی است، که به طراحان و مهندسان این امکان را می‌دهد تا ایده‌های خود را سریع‌تر و با هزینه کمتر به شکل فیزیکی مشاهده و آزمایش کنند. دقت و سرعت بالای این فناوری‌ها، فرآیند اصلاح و بهبود طراحی‌ها را پیش از تولید نهایی بسیار ساده‌تر می‌کند.

حوزه پزشکی

در حوزه پزشکی، پرینترهای سه‌بعدی به ویژه در بیوپرینتینگ و ساخت ایمپلنت‌های سفارشی اهمیت زیادی دارند. این فناوری‌ها برای تولید قطعات فلزی در جراحی‌های ارتوپدی و دندانپزشکی به کار می‌روند و به خاطر دقت بالا و قابلیت سفارشی‌سازی، نقش مهمی در افزایش کیفیت و اثربخشی درمان‌ها دارند.

صنایع خودروسازی و هوافضا

در صنایع خودروسازی و هوافضا نیز پرینترهای سه‌بعدی برای تولید قطعات سبک، مقاوم و با ساختار پیچیده استفاده می‌شوند. امکان ساخت قطعات با طراحی‌های توخالی و پیچیده باعث کاهش وزن خودروها و هواپیماها شده و عملکرد آن‌ها را بهبود می‌بخشد.

تولید قطعات یدکی و تعمیرات

پرینترهای سه بعدی همچنین در تولید قطعات یدکی و تعمیرات سریع نقش مهمی دارند و به طور کلی، می‌توان گفت که پرینترهای سه بعدی با تحول فرآیند طراحی و تولید، نقش کلیدی در نوآوری و پیشرفت صنایع مختلف ایفا می‌کنند.

هنر و میراث فرهنگی در عصر پرینت سه‌بعدی

پرینترهای سه‌بعدی به‌عنوان ابزاری نوآورانه، تحولی عظیم در عرصه هنر و حفاظت از آثار فرهنگی ایجاد کرده‌اند. این فناوری به هنرمندان و مرمت‌گران این امکان را می‌دهد تا آثار هنری پیچیده‌ای خلق کنند و یا آثار تاریخی آسیب‌دیده را با دقت بالا بازسازی نمایند.

خلق آثار هنری با دقت و خلاقیت

در دنیای هنر، پرینت سه‌بعدی به هنرمندان این فرصت را می‌دهد تا آثار هنری پیچیده و خلاقانه‌ای بسازند که با روش‌های سنتی ممکن نبود. آن‌ها می‌توانند مجسمه‌ها، جواهرات و حتی نقاشی‌های برجسته‌ای تولید کنند که جزئیات زیاد و ساختارهای نوآورانه دارند.

بازسازی آثار تاریخی با دقت بالا

در حوزه حفاظت از میراث فرهنگی، پرینت سه‌بعدی نقش حیاتی دارد. این فناوری به مرمت‌گران این امکان را می‌دهد که قسمت‌های آسیب‌دیده آثار هنری و تاریخی را با دقت بالا بازسازی کنند. برای مثال، درهای ۷۰۰ ساله کلیسای فلورانس در ایتالیا با استفاده از پرینت سه‌بعدی بازسازی شده‌اند تا از آسیب‌های بیشتر جلوگیری شود.

دسترسی بیشتر به آثار هنری

پرینت سه‌بعدی همچنین به موزه‌ها این امکان را می‌دهد که نسخه‌های دقیق از آثار هنری را تولید کنند تا بازدیدکنندگان، به‌ویژه افراد دارای معلولیت، بتوانند آن‌ها را لمس و با آن‌ها تعامل داشته باشند. برای مثال، موزه ون گوگ در آمستردام نسخه‌های مینیاتوری از آثار خود را به‌صورت لمسی ارائه می‌دهد تا افراد کم‌بینا نیز بتوانند تجربه‌ای کامل از آثار هنری داشته باشند.

لیست انواع پرینتر سه بعدی

فناوری پرینت سه‌بعدی FDM  (Fused Deposition Modeling)

پرینترهای سه‌بعدی FDM یکی از پرکاربردترین و محبوب‌ترین انواع پرینترهای سه‌بعدی هستند که به‌ویژه در محیط‌های خانگی، آموزشی و نمونه‌سازی سریع (پروتوتایپ‌سازی) کاربرد فراوانی دارند. این فناوری با استفاده از فیلامنت‌های پلاستیکی مانند PLA و ABS که به‌صورت رشته‌های نازک درون دستگاه قرار می‌گیرند، عمل می‌کند. در فرآیند چاپ سه‌بعدی با این فناوری، فیلامنت از طریق یک نازل داغ ذوب شده و به‌صورت لایه‌به‌لایه روی سطح چاپ قرار می‌گیرد. این لایه‌ها به‌تدریج روی هم قرار می‌گیرند تا شکل نهایی مدل سه‌بعدی ساخته شود.

مزایای پرینترهای FDM

• هزینه پایین و سادگی استفاده: پرینترهای FDM به دلیل قیمت مناسب و کاربری آسان، گزینه‌ای مناسب برای مبتدیان و کسانی که به دنبال چاپ سه‌بعدی مقرون‌به‌صرفه هستند، به‌شمار می‌روند.
• تنوع بالای مواد مصرفی : این پرینترها با انواع مختلفی از فیلامنت‌ها سازگار هستند که امکان چاپ اشیاء با ویژگی‌های مختلف را فراهم می‌کنند.
• قابلیت تنظیمات متنوع: کاربران می‌توانند با تنظیم دما و سرعت چاپ، کیفیت چاپ را بهبود بخشند.

معایب پرینترهای FDM

• سطح نهایی زبر: مدل‌های چاپ‌شده با این فناوری ممکن است دارای خطوط لایه‌ها باشند که می‌توان با فرآیندهای پس از چاپ مانند سنباده‌زنی یا استفاده از حلال‌های شیمیایی این مشکل را کاهش داد.
• محدودیت در دقت و جزئیات: به دلیل روش لایه‌به‌لایه چاپ، ممکن است در چاپ مدل‌های با جزئیات بسیار ریز، دقت لازم حاصل نشود.
• نیاز به فرآیندهای پس از چاپ: برای دستیابی به سطح صاف و براق، ممکن است نیاز به عملیات تکمیلی مانند سنباده‌زنی یا استفاده از پوشش‌های خاص باشد.

فناوری پرینت سه‌بعدی SLA (Stereolithography)

فناوری SLA  (Stereolithography یا نور سخت نگاری) یکی از پیشرفته‌ترین روش‌های چاپ سه‌بعدی است که به‌ویژه در تولید نمونه‌های اولیه دقیق، صنایع پزشکی، دندان‌پزشکی و جواهرسازی کاربرد فراوانی دارد.

نحوه عملکرد فناوری SLA

• در این روش، از یک لیزر فرابنفش برای سخت‌کردن لایه‌به‌لایه‌ی رزین مایع استفاده می‌شود. رزین حساس به نور در یک مخزن قرار دارد و لیزر با تابش بر سطح آن، لایه‌ای نازک از رزین را سفت می‌کند. با تکرار این فرآیند، مدل سه‌بعدی به‌صورت تدریجی ساخته می‌شود.

مزایای  SLA

• دقت و جزئیات بالا: توانایی تولید مدل‌هایی با دقت میکرونی، مناسب برای طراحی‌های پیچیده.
• سطح صاف و صیقلی : مدل‌های چاپی دارای سطحی صاف و بدون خطوط لایه‌ای مشهود.
• تنوع در مواد مصرفی: امکان استفاده از انواع رزین‌ها با ویژگی‌های مختلف مانند شفافیت، انعطاف‌پذیری و مقاومت حرارتی.
• ساخت هندسه‌های پیچیده : توانایی تولید ساختارهای پیچیده و جزئیات ریز که در روش‌های دیگر دشوار است.

معایب  SLA

• هزینه بالا: هزینه‌ی بالای دستگاه‌ها و مواد مصرفی نسبت به سایر فناوری‌ها.
• نیاز به فرآیند پس از چاپ: مدل‌های چاپی نیاز به شستشو و تابش نور UV برای سفت‌شدن کامل دارند.
• حجم ساخت محدود: معمولاً حجم ساخت در پرینترهای SLA محدود است.
• محدودیت در مواد: تنوع محدود در مواد مصرفی نسبت به سایر فناوری‌ها.

فناوری  پرینت سه بعدی SLS (Selective Laser Sintering)

فناوری  SLS  (Selective Laser Sintering یا پخت لیزر انتخابی) یکی از پیشرفته‌ترین روش‌های چاپ سه‌بعدی به شمار می‌آید که با استفاده از لیزر پرتوان، ذرات پودرِ مواد (مانند نایلون، پلیمرهای فلامنت‌گونه، یا فلزات) را ذوب و لایه‌به‌لایه به یکدیگر می‌چسباند. این فناوری به ویژه در تولید قطعات صنعتی دقیق و مقاوم کاربرد فراوان دارد.

 نحوه عملکرد فناوری

1. بستر ساخت با لایه‌ای از پودر خشک پر می‌شود.
2. لیزر پرتوان، نقاط دلخواه را در لایه مذکور سِنتر می‌کند و به‌صورت انتخابی ذرات را به هم متصل می‌سازد.
3. پس از پایان کار روی هر لایه، صفحه ساخت پایین می‌رود و پودری تازه روی آن پخش می‌شود؛ این فرایند تا تکمیل مدل سه‌بعدی تکرار می‌شود.
4. جسم نهایی از پودر کنار جدا می‌شود. به‌دلیل اینکه پودر اطراف، خود به‌عنوان ساپورت عمل می‌کند، نیازی به ایجاد ساختارهای پشتیبان نیست.

 مزایای SLS

• ساخت بدون نیاز به ساپورت: پودرهای اطراف، نقش ساپورت طبیعی را اجرا می‌کنند؛ در نتیجه امکان ساخت هندسه‌های پیچیده، محفظه‌های توخالی، یا قطعات مونتاژشده بدون جداکردن ساپورت فراهم می‌شود.
• استحکام بالا : قطعات تولیدشده خواص مکانیکی مناسبی دارند و برای ساخت نمونه‌های کاربردی و نهایی مناسب‌اند.
• تنوع مواد قابل استفاده : از پودرهای نایلون تا فلزات و سرامیک‌ها قابل استفاده است. توانایی چاپ مجموعه‌ای از مواد با طراحی‌های تخصصی را امکان‌پذیر می‌سازد.
• استفاده صنعتی گسترده: در صنایع هوافضا، خودروسازی، قطعه‌سازی، پزشکی (ایمپلنت و پروتز) و تولید ابزار، به‌ویژه برای قطعاتی که به مقاومت و جزئیات بالا نیاز دارند، کاربرد دارد.

معایب SLS

• هزینه بالا : تجهیزات پیشرفته، لیزر قوی، و نوع پودر مورد نیاز، سطح هزینه اولیه و مصرفی را نسبتاً زیاد کرده‌اند.
• کیفیت سطوح: سطوح چاپ‌شده ممکن است کمی خشن و مات باشند. برای داشتن ظاهر صاف‌تر نیاز به سنباده‌زنی، صیقل‌دهی یا برخی فرآیندهای ثانویه است.
• نیاز به تخصص فنی: تنظیم دمای ساخت، تغذیه پودر و پروفایل پرینت، تجربه و تخصص لازم دارد و برای کاربران تازه‌کار ممکن است چالش‌برانگیز باشد.
• پسماند پودر: هر چاپ منجر به مقداری پودر استفاده‌نشده می‌شود که اگر بازیافت دقیق نشود، می‌تواند سطح ایمنی را کاهش دهد.

به‌صورت خلاصه، فناوری SLS بهترین گزینه برای پروژه‌هایی است که قابلیت‌های طراحی پیشرفته، ساخت بدون ساپورت، و مقاومت بالا مورد نیاز باشد. اگر دقت و دوام مدل مهم‌تر از محدودیت‌های مالی یا نیاز به حجم ساخت محدود هستند،SLS انتخاب بسیار مناسبی به شمار می‌آید.

فناوری پرینت سه‌بعدی DLP  (Digital Light Processing)

فناوری DLP  (Digital Light Processing یا پردازش نوری دیجیتال ) یکی از روش‌های پیشرفته چاپ سه‌بعدی است که به خاطر سرعت بالا و دقت مناسب در تولید قطعات، به‌ویژه در صنایع پزشکی و جواهرسازی، کاربرد زیادی دارد. این فناوری مشابه SLA است، اما به جای استفاده از لیزر، از یک پروژکتور نور دیجیتال برای سخت کردن رزین مایع بهره می‌برد. در فرآیند چاپ DLP، تصویر هر لایه مدل سه‌بعدی توسط پروژکتور بر سطح رزین تابیده می‌شود و رزین به کمک نور سفت می‌شود. به این ترتیب، سرعت چاپ بسیار بیشتر شده و زمان تولید کاهش می‌یابد.

پرینترهای DLP با دقت بالای تصاویر دیجیتال و توانایی ساخت مدل‌هایی با جزئیات دقیق و سطح صاف، برای تولید قطعات با کیفیت عالی مناسب‌اند. با این حال، هزینه تجهیزات و مواد مصرفی (رزین‌های خاص) در این فناوری نسبتا بالا است و برای دستیابی به چاپ با کیفیت بالا نیازمند تنظیمات تخصصی می‌باشد. به طور کلی، فناوری DLP به دلیل سرعت و دقت بالایش، یکی از گزینه‌های مهم در تولید مدل‌های سه‌بعدی دقیق و پیچیده محسوب می‌شود.

فناوری پرینت سه‌بعدی MJF (Multi Jet Fusion)

پرینت سه بعدی MJF  (Multi Jet Fusion یا گداخت جت چندگانه (یکی از روش‌های پیشرفته و نوآورانه در میان انواع پرینترهای سه‌بعدی است که توسط شرکت HP توسعه یافته است. این فناوری به دلیل سرعت بالا و کیفیت ساخت بسیار خوب، به ویژه در صنایع تولیدی و طراحی صنعتی کاربرد گسترده‌ای دارد. در این روش، لایه‌ای یکنواخت از پودر روی سطح چاپ پخش می‌شود و سپس مواد فعال‌کننده توسط جت‌های مخصوص روی آن اسپری می‌گردد. پس از آن، با اعمال انرژی گرمایی، پودر ذوب شده و به هم متصل می‌شود تا مدل سه‌بعدی شکل بگیرد. این فرآیند امکان تولید قطعاتی با دقت بالا و سرعت بسیار زیاد را فراهم می‌کند که برای تولید انبوه و نمونه‌های صنعتی بسیار مناسب است.

پرینترهای MJF قابلیت ساخت قطعاتی با خواص مکانیکی و شیمیایی بالا را دارند و محصولاتی مقاوم در برابر فشار و تنش‌های مکانیکی تولید می‌کنند. با این حال، هزینه تجهیزات و مواد مصرفی این فناوری نسبتا بالا است که ممکن است محدودیت‌هایی در کاربرد گسترده آن در برخی صنایع ایجاد کند. به طور کلی، فناوری MJF به دلیل سرعت، دقت و کیفیت بالایش، یکی از پیشرفته‌ترین گزینه‌ها در چاپ سه‌بعدی صنعتی محسوب می‌شود.

فناوری پرینت سه‌بعدی EBM (Electron Beam Melting)

پرینت سه بعدی EBM  (گداخت پرتو الکترونی یا Electron Beam Melting )یکی از روش‌های پیشرفته چاپ سه‌بعدی فلزی است که برای تولید قطعاتی با کیفیت بالا و خواص مکانیکی عالی کاربرد دارد. این فناوری شبیه به روش‌های SLM و DMLS است، اما به جای لیزر، از یک پرتو الکترونی قدرتمند برای ذوب سریع و اتصال ذرات پودر فلزی استفاده می‌کند. در دستگاه‌های EBM، پودر فلزی به صورت لایه‌لایه روی سطح چاپ پخش شده و پرتو الکترونی به طور انتخابی نواحی مورد نظر را ذوب می‌کند. با اضافه شدن لایه‌های جدید، فرآیند تا تکمیل قطعه ادامه پیدا می‌کند.

ویژگی خاص این فناوری انجام فرآیند در محیط خلاء است که باعث تولید قطعاتی بسیار خالص و عاری از ناخالصی می‌شود. این مزیت، EBM را برای ساخت قطعاتی با خواص مکانیکی دقیق و عالی، مانند قطعات صنایع هوافضا و پزشکی، بسیار مناسب می‌سازد. همچنین ذوب سریع و کامل مواد منجر به ایجاد ساختارهای متراکم و مقاوم در قطعات تولید شده می‌شود. با این حال، هزینه بالای تجهیزات و نیاز به محیط خلاء از جمله چالش‌های اصلی این فناوری هستند.

فناوری پرینتر سه‌بعدی DMLS/SLM یا فناوری تف‌جوشی لیزری مستقیم فلز

Metal Laser Sintering)  (Direct و گداخت لیزری انتخابی(Selective Laser Melting)

فناوری‌های DMLS و SLM از روش‌های پیشرفته چاپ سه‌بعدی فلزات هستند که به دلیل دقت بالا و توانایی تولید قطعات مقاوم و پیچیده، در صنایع خودروسازی، هوافضا و پزشکی کاربرد فراوانی دارند. در هر دو فناوری، لیزر برای ذوب و اتصال ذرات پودر فلزی به کار می‌رود، اما تفاوت‌هایی در فرآیند و نوع مواد مصرفی وجود دارد.

در فناوری DMLS، لیزر با دمای بالا ذرات فلز را به صورت انتخابی ذوب و به هم متصل می‌کند؛ این روش عمدتاً برای فلزاتی که نیازی به ذوب کامل ندارند، مانند آلیاژهای تیتانیوم و استنلس استیل استفاده می‌شود. قطعات ساخته شده با DMLS دارای خواص مکانیکی و شیمیایی مطلوبی هستند و برای تولید قطعاتی با استحکام بالا و تحمل دما و فشار کاربرد دارند.

در فناوری SLM، ذرات فلز به طور کامل ذوب شده و قطعه‌ای یکپارچه و جامد ایجاد می‌شود. این فرآیند معمولاً برای فلزات با نقطه ذوب بالا و نیازمند خواص مکانیکی ویژه، مانند آلیاژهای نیکل و کبالت، استفاده می‌شود. SLM به دلیل دقت و کیفیت ساخت بالا، برای تولید قطعات حساس با عملکرد ویژه مانند توربین‌های گاز و قطعات پزشکی اهمیت زیادی دارد.

به طور کلی، هر دو فناوری DMLS و SLM به دلیل توانایی تولید قطعات پیچیده و مقاوم، گزینه‌های بسیار مناسبی برای کاربردهای صنعتی و مهندسی هستند، اگرچه هزینه بالای تجهیزات و مواد مصرفی ممکن است استفاده گسترده از آن‌ها را محدود کند.

فناوری پرینتر بیولوژیکی(زیستی یا Bioprinting)

بیوپرینت یا چاپ زیستی، فناوری نوآورانه و پیشرفته‌ای در حوزه چاپ سه‌بعدی است که به منظور تولید بافت‌های زنده، اندام‌ها و اجزای بدن انسان با استفاده از سلول‌ها و مواد زیستی طراحی شده است. این فناوری با کمک پرینترهای سه‌بعدی ویژه و موادی به نام «زیست‌جوهر» (Bio-ink)، سلول‌ها و ماتریس‌های زیستی را به صورت لایه‌لایه و سه‌بعدی ساختاربندی می‌کند تا بافت‌های پیچیده‌ای مانند پوست، رگ‌های خونی، غضروف و حتی اندام‌های کامل ساخته شوند.

فرآیند بیوپرینتینگ با ایجاد یک مدل سه‌بعدی دیجیتال از بافت یا اندام مورد نظر آغاز می‌شود که به لایه‌های مجزا تقسیم شده و هر لایه شامل سلول‌ها و مواد زیستی است. سپس پرینتر سه‌بعدی این لایه‌ها را با دقت بالا روی هم قرار می‌دهد و ساختار زیستی نهایی شکل می‌گیرد.

یکی از بزرگ‌ترین مزایای این فناوری، توانایی تولید بافت‌ها و اندام‌هایی است که دقیقاً با نیازهای پزشکی هر فرد سازگارند. بیوپرینتینگ می‌تواند نیاز به پیوند اعضا را کاهش دهد و بافت‌هایی تولید کند که بدن بیمار آن‌ها را پس نمی‌زند، بنابراین پتانسیل ایجاد تحولی بزرگ در پزشکی بازساختی را دارد.

با این حال، این فناوری هنوز در مراحل اولیه توسعه قرار دارد و با چالش‌هایی مانند پیچیدگی ایجاد ساختارهای کاملاً عملکردی و طول عمر محدود برخی بافت‌های چاپ شده مواجه است. با وجود این، بیوپرینتینگ آینده‌ای درخشان دارد و می‌تواند راه‌حل‌های نوین و پیشرفته‌ای برای درمان بیماری‌ها و آسیب‌های پیچیده ارائه کند.

نتیجه‌گیری

کاربردهای متنوع پرینترهای سه‌بعدی

پرینترهای سه‌بعدی در زمینه‌های مختلف از ساخت نمونه‌های اولیه طراحی، تولید قطعات صنعتی، پزشکی، جواهرسازی تا آموزش و ساخت اسباب‌بازی، به کار می‌روند. سرعت، دقت و قابلیت ساخت اشکال پیچیده، این فناوری را برای بسیاری از حرفه‌ها جذاب کرده است.

پرینترهای سه‌بعدی با تنوع فناوری‌ها و مواد، امکان ساخت گسترده‌ای را فراهم کرده‌اند. انتخاب نوع مناسب پرینتر بستگی به نیازهای شما از جمله دقت، سرعت، مواد مصرفی و بودجه دارد. آشنایی با انواع مختلف این دستگاه‌ها می‌تواند به تصمیم‌گیری بهتر کمک کند.