تاریخچه چاپ

اختراع چوب خشک (زیراکس) Electrophotography توسط ((چستر کارلسون))  در سال 1938 .

ساخت چاپگر لیزری اصلی به نام  EARS  که مهندس ((گری استارک ودر)) با اقتباس از تکنولوژی دستگاه کپی زیراکس و اضافه کردن پرتو لیزر به آن اولین چاپگر لیزری را در سال 1977 ابجاد کرد.

اختراع چاپگر جوهرافشان در سال 1976 و انتشار آن به عنوان یک وسیله خانگی در سال 1988.

ساخت اولین ماشین استریو لیتوگرافی (حکاکی بر روی سنگ) تجاری در سال 1986.

شروع به کار چاپگر سه بعدی اولیه در سال 2003.

از سال 2003 رشد بزرگی در فروش پرینترهای سه بعدی وجود داشته است. علاوه بر این، قیمت پرینتر سه بعدی کاهش پیدا کرده است. این تکنولوژی جدید همچنین در زمینه، جواهرات، کفش، طراحی صنعتی، معماری، مهندسی و ساخت و ساز خودرو ، هوا و فضا، صنایع، دندان پزشکی و پزشکی، آموزش و پرورش، سیستم های اطلاعاتی، جغرافیایی، مهندسی عمران و بسیاری دیگر استفاده های زیادی پیدا کرده است. تولید اشیا جامد حتی یک شته کاملا پیچیده با پرینتر سه بعدی رفته رفته آسان تر و ارزان تر میشود.

چرا پرینتر سه بعدی؟

انقلاب صنعتی در اواخر قرن هجدهم امکان تولید انبوه کالاها را فراهم ساخت و با این کار جوامع بشری را به طرزی غیر قابل پیش بینی متحول کرد. ولی اکنون فناوری جدید دیگری اختراع شده که درست بر عکس آن را انجام میدهد. فناوری موسوم به (( چاپ سه بعدی)) هزینه تولید هر کالا را چنان کاهش می دهد که انگار این کالا در چارچوب تولید انبوه ساخه شده است. تاثیر این فناوری جدید بعید نیست کمتر از تاثیر ابداع و ساخت کارخانه ها در جهان نباشد. هفته نامه (اکونومیست) در تشریح کار این تکنولوژی جدید می نویسد که هر فردی با استفاده از یارانه میتواند طرخ اولیه شه یا کالای مورد نیاز خود را ترسیم و جزییات آن، مثل شکل نهایی و رنگ آن را تکمیل کند. با فشار دادن دکمه چاپ روی یارانه، دستگاهی که به آن متصل است طی مراحل تکمیلی، شه یا کالای مورد نظر را خواهد ساخت. ممکن است ساخت کامل این شه چند مرحله طول بکشد و در این میان لازم باشد موادی مانند چسب، پلاستیک یا ورقه های فلزی به داخل دستگاه تزریق و تعبیه شوند. این فناوری را دقیقا به خاطر این روش تکمیل گر مرحله ای کالا، (ساخت با افزودنی ها) نیز می نامند. شگفتی این فناوری جدید در این است که ساخت کالای مورد نظر از یک ویولن گرفته تا قطعات یدکی خودرو و یا چراغ خواب، می تواند خارج از سامانه تولید امروزی یعنی کارخانه ساخته شود. برای ساختن اشیاء کوچک فقط به دستگاهی به اندازه یک چاپگر امروزی نیاز هست و برای ساختن کالاهای بزرگ تری مثل تایر خودرو و یا چهارچوب یک دوچرخه به دستگاهی بزرگ تر و محیطی بزرگ تر برای نگه داری ان نیاز است. هفته نامه (اکونومیست) می افزاید که هم اینک این روش تولید تک محصولی تنها با استفاده از موادی مثل پلاستیک، فلزات و کائوچو میسر است. درست مثل یارانه ها در دهه 1970، وسایل تولید توسط این فناوری جدید هم اینک تنها در دسترس پژوهشگران و شمار اندکی از طراحان صنعتی قرار دارد اما فناوری موسوم به (چاپ سه بعدی) به سرعت در حال گشترش است. در حال حاضر بهای یک چاپگر سه بعدی که به آن(فبر)  Fabber  هم میگویند کمتر از قیمت یک چاپگر لیزری در سال 1985 است و کار با آن هم به سادگی فشار دادن یک دکمه است. روش (( ساخت با افزودنی ها )) به نسبت تولید متعارف کالاها در کارخانجات چندین مزیت مهم دارد. با حذف خط تولید کارخانجات ، در هزینه ها صرفه جویی بسیاری میشود و مصرف مواد اولیه و در نتیجه هرز رفتن آن به یک دهم میزان مصرف فعلی کاهش می یابد. ساخت تک محصوله، امکان تولید قطعاتی را فراهم میکند که خط تولید کارخانه ها قادر به ساخت آن نیست و بالاخره این فناوری به تولید کننده تک محصولی این اجازه را میدهد تا کاستی های آن را برطرف کرده و محصول بعدی را با دقت بیشتری تولید کند. هفته نامه (اکونومیست) می افزاید که فناوری موسوم به چاپ سه بعدی سال هاست که در صنایع خودرو سازی، هواپیما سازی و تولید وسایل پزشکی به عنوان شیوه مرسوم برای ساخت پیش نمونه های هر کالا یا قطعه به کار برده می شود، ولی اکنون این فناوری به حدی پیشرفت کرده که از این پس می تواند مستقلا برای تولید بسیاری از کالاها به کار گرفته شود. با استفاده از این فناوری به سادگی وبا هزینه ای بسیار بسیار ناچیز هر کالای تولید شده را میتوان متفوت از ذیگری تولید کرد. به زبانی دیگر دوران تولید تولید انبوه جای خود را به دوران گستردگی محصولات یگانه خواهد داد. هر چند نرم افزار طراحی قدرتمند اجازه میدهد شه سه بعدی بر روی یک صفحه کامپیوتر ایجاد شود ولی بسیاری از طراحان و مشتریان ترجیح می دهند تا شه فیزیکی را قبل از انجام شدن عمل ساخت و ساز با سرمایه گذاری عظیم بررسی کنند، لمس کنند و نگه دارند. با کمک مدل ها میتوانیم خروجی فرآیند را حدس بزنیم. پرینترها نقش موثری در طراحی های عظیم صنعتی دارند. ریس میگوید: (( دانشمندان معاصر می توانند ایده ای را در ذهن خود تصور کنند سپس به کمک پرینترهای سه بعدی آن ها را چاپ کرده و مشکلات آن را برطرف سازند)).

مواد و روش ها

فناوری های زیادی در صنعت چاپ سه بعدی فعالیت میکنند. تفاوت اصلی آن ها در روش هایی است که در ساخت لایه ها و قطعات به کار می برند. در برخی از فناوری ها از روش ذوب شدن و نرم کردن مواد در تولید لایه ها استفاده می شود. مانند رسوب لیزر انتخابی (SLS  ) و مدل سازی ذوب شده (FDM )، در حالی که در روش های دیگر از مواد بهبود یافته برای ساخت لایه ها استفاده می شود. در مورد ساخت شه چند لایه ، لایه های نازک به اشکال مختلفی برش داده می شوند و سپس به یک دیگر متصل می شوند.

چاپ سه بعدی مدل های روباتیک(چرخشی)

مدل به عنوان مجموعه ای از قطعات با ترکیب حرکتی و هندسی ساخته شده است. علاوه بر خروج این مدل به عنوان نقشه، و تبدیل به تصاویر و انیمیشن های سه بعدی ، ممکن است به  STL  برای چاپ به عنوان یک فایل در فرمت نمونه ساز سریع فرستاده شود. این فایل سطوح جسم را شبیه به یک موزاییک کاری مثلثی شرح می دهد.

انواع روش های چاپ سه بعدی

انواع روش های چاپ سه بعدی چندین فناوری نمونه ساز سریع، از جمله تولید شه لایه به لایه (LOM )، پخت با لیزر انتخابی(SLS ) ، حکاکی سنگی (SLA ) و مدل سازی با رسوب مواد مذاب(FDM ) وجود دارند.

فرآیند رسوب مواد مذاب

مدل سازی رسوب ذوب شده ، یک تکنولوژی توسعه یافته توسط شرکت Stratasys ( یک بازار پشتیبان در این زمینه) است که در نمونه سازی سریع سنتی استفاده می شود. فرآیند FDM شامل پیچاندن یک رشته تار از مواد پلاستیکی ارتجاعی از یک قرقره و تغذیه آن از طریق حرکت دهانه جدا، گرم کردن مواد برای ذوب آن و رسوب آن در یک الگو مطلوب بر طبقه ایجاد شده، است. لایه ها پی در پی به رسوبات ترموپلاستیک ذوب شده بر روی لایه های زیرین در تواحی مانند برآمدگی ها اضافه میشوند. به منظور ایجاد عملکرد مکانیسم، یک پشتیبان از مواد محلول آزاد در شکاف بین قطعات متحرک قرار داده می شود. پشتیبان های فیزیکی می توانند بعدا اضافه و حذف شوند یا مواد محلول در آب می توانند رسوب کنند و سپس شسته شوند.

سیستم چاپ جوهر افشان

سیستم چاپ جوهر افشان یکی از روش های چاپ سه بعدی می باشد. پرینتر مدلی از یک لایه را در یک زمان با گسترش یک لایه از پودر ( گچ یا صمغ) ایجاد می کند و چاپ جوهر افشان یک اهرم در سطح مقطع از بخش را حرکت می دهد. این فرآیند تکرار می شود تا هر لایه چاپ شود. این فناوری تنها فناوری ای است که اجازه چاپ از نمونه های کامل رنگی را می دهد. این روش همچنین اجازه وجود ناهمواری (برآمدگی ها) را نیز می دهد.

فرآیند پردازش دیجیتال نور

در پردازش دیجیتال نور (DLP ) یک مخزن از پلیمر مایع در معرض نور از یک پروژکتور DLP تحت شرایط نور مطمئن قرار می گیرد. پلیمر مایع در معرض نور قرار داده شده سخت و سفت میشود. رویه ساخته شده سپس به سمت پایین در شکاف های کوچک حرکت می کند و پلیمر مایع دوباره در معرض نور قرار می گیرد. این روند تا زمانی که مدل ساخته شود، تکرار می شود. پلیمر مایع سپس به سمت مخزن کشیده می شود و تبدیل به مدل سه بعدی می شود.

فرآیند چاپ با لیزر

یکی دیگر از رویکردها، ترکیب شدن انتخابی رسانه های چاپی در یک بستر با حفره های ریز است. در این دگرگونی، رسانه ادغام نشده با حمایت از برآمدگی ها و دیواره نازک در بخش در حال تولید، به کاهش دادن احتیاج به حمایت های کمکی موقت برای قطعه کار کمک می کند. به طور معمول یک لیزر برای سفت و سخت کردن رسانه ها و شکل دادن به به کار می رود. نمونه هایی از این روش پخت لیزر انتخابی و پخت لیزر مستقیم با استفاده از فلزات است. در نهایت ویژگی های فوق العاده کوچک ممکن است توسط تکنیک ریز ساخت سه بعدی تصاویر پلیمری شده 2 فوتون درست و ایجاد می شود. در این روش شه مورد نظر در یک بلوک ژل توسط لیزر ترسیم می شود. این ژل با توجه به ماهیت غیر خطی از تصاویر متحرک، با یک ماده جامد فقط در مکان هایی که در آن لیزر متمرکز شده بود سفت می شود، سپس ژل باقی مانده جدا و شسته می شود. با این روش می توان ویژگی هایی با اندازه زیر 100 نانومتر، همچنین ساختار های پیچیده ای مانند قطعات متحرک و مجهز به قفل را نیز به آسانی تولید کرد. هر روش مزایا و معایب خودش را دارد و در نتیجه برخی از شرکت های یک انتخاب بین پودر و پلیمر به عنوان ماده ای که شه از آن پدیدار می شوند، ارائه می دهند. به طور کلی، ملاحظات اصلی عبارتند از سرعت ، هزینه نمونه اولیه چاپ ، هزینه چاپگر سه بعدی، هزینه مواد و قابلیت های رنگی.

شرح کامل فرآیند چاپ

اولین مرحله در همه فرآیند های پریتن سه بعدی این است که به وسیله نرم افزار مقاطع عرضی از طریق بخش ایجاد شده و محاسبات که هر لایه احتیاج دارد تا ساخته شود، به دست آید. ماشین های متفاوت راه های متفاوتی را طی میکنند. این ماشین ها اشیا را به صورت یک لایه در یک زمان و به وسیله پیچاندن یک یک لایه باریک از صمغ مایع و یا استفاده از یک لیزر فرابنفش کنترل کننده تحت کامپیوتر اشیا را می سازند. طبقه ساخته شده سپس پایین آورده میشود، یک سطح مایع جدید اعمال می شود و پروسه تکرار می شود. در آخذ مازاد مایع نرم، پاک می شود و از حمام شیمیایی استفاده می کند. از لیزر پخت در دمای بالا برای ذوب کردن و ترکیب کردن سرامیک پودر شده با فلز و شیشه با هم در یک زمان برای تولید شکل سه بعدی مطلوب استفاده می شود.

مراحل چاپ سه بعدی چاپگرهای شرکت Object

ابتدا یک مدل از اشیا بر روی کامپیوتر درست شده، نرم افزار این مدل را تجزیه و تحلیل می کند و یک سری مقاطع عرضی را محاسبه می کند و توضیع فضا و شکل پزیرفتن درون هر لایه را انجام می دهد. ماشین های Object چند هد چاپ دارند که به جلو یا عقب می لغزند و یک لایه خیلی باریک از دو نوع مایه پلیمر بر جا می گذارند. یک نوع در مقاطعی عرضی که برای شکل پذیر شدن نیاز دارند و دیگری جایی که حفره ها، برآمدگی ها و ویژگی های مربوط به فضا وجود دارند، چاپ می شود. بعد از چاپ هر لایه یک منبع نور فرابنفش در هد چاپ پلیمر در ناحیه ای که احتیاج دارد تا جامد شود، را سفت می کند و پلیمر و پلیمر دوم که به نظر یک وضعیت ژل مانند به نظر می آید تا ساختار پشتیبان فراهم کند را ایجاد می کند.طبقه ایجاد شده سپس به پایین حرکت میکند و فرآیند برای لایه بعد تکرار می شود. در نهایت یک موتر آبی مواد پشتیبان ژل مانند را می شوید تا شه نهایی آشکار گردد. این ماشین قادر به ایجاد اشیاء خروجی با چندین نوع پلیمر جامد هر کدام با رنگ ها و ویژگی های متفاوت است. ماشین های Object  نه تنها میتوانند اشیاء جامد از مواد پلاستیکی را به عنوان خروجی تولید کنند بلکه یک شه پیچیده با قسمت های حرکتی را نیز می توانند تولید کنند. مانند یک مدل کاری از یک دوچرخه زنجیری یا یک جعبه دنده کوچک. همچنین آن ها می توانند اشیایی با چندین مواد مانند کنترل از راه دور با بدنه پلاستیکی و دکمه های لاستیکی را تولید کنند.