فناوری تولید افزایشی و چاپ سه‌بعدی چه ویژگی‌هایی دارد؟

فناوری تولید افزایشی و چاپ سه‌بعدی

فناوری تولید افزایشی یا چاپ سه‌بعدی از ابزاری تحقیقاتی در آزمایشگاه‌ها به یکی از ارکان صنعت جهانی تبدیل شده است.

چکیده

فناوری تولید افزایشی یا چاپ سه‌بعدی (3D Printing) یکی از مهم‌ترین دستاوردهای صنعتی مدرن است که نحوهٔ طراحی، نمونه‌سازی و تولید را در سراسر جهان دگرگون کرده است. برخلاف روش‌های سنتی ساخت که با حذف مواد (Subtracting) همراه است، چاپ سه‌بعدی با افزودن لایه‌به‌لایهٔ مواد، اشیایی دقیق، سبک و پیچیده تولید می‌کند. این فناوری در صنایع هوافضا و پزشکی و همچنین معماری و آموزش کاربرد دارد.

در این مطلب، مفاهیم پایهٔ چاپ سه‌بعدی و تولید افزایشی، انواع متریال‌های مورد استفاده، ویژگی‌های قطعات چاپ‌شده، روند رشد بازار جهانی این فناوری، مسیر توسعهٔ آن در سال‌های اخیر و مزایای اصلی‌اش را بررسی می‌کنیم. همچنین به کاربردهای صنعتی و آموزشی این فناوری و جایگاه آن در آیندهٔ تولید اشاره می‌کنیم. هدف این مطلب ارائهٔ تصویری روشن از ماهیت و اهمیت چاپ سه‌بعدی برای مخاطبان علاقه‌مند به حوزه‌های فناوری و نوآوری است تا بتوانند درک کنند چرا این روش مبنای تولید هوشمند و طراحی دیجیتال در آینده دانسته می‌شود.

دورهٔ «اصول تئوری و کارگاه عملی تکنولوژی تولید افزایشی (پرینت سه‌بعدی)» که در دپارتمان علوم مهندسی در مجتمع فنی تهران برگزار می‌شود فرصتی بسیار مناسب برای کسانی است که می‌خواهند مهارت عملی و نظری خود را در زمینهٔ ساخت افزایشی به‌ویژه چاپ سه‌بعدی ارتقا دهند. این دوره شامل بخش‌های مقدماتی مانند مفاهیم تولید افزایشی، ویژگی‌های قطعات چاپ‌شده، فرآیند عمومی چاپ سه‌بعدی، طراحی برای پرینت، عیب‌یابی فایل STL و کار عملی با دستگاه‌های FDM/FFF است.

چاپ سه‌بعدی و تولید افزایشی چیست؟

اصطلاح تولید افزایشی (Additive Manufacturing) به مجموعه‌ای از فرآیندهای ساخت اشاره دارد که در آن اجسام سه‌بعدی با افزودن تدریجی مواد شکل می‌گیرند. این مواد می‌تواند پلاستیک، فلز، سرامیک یا رزین باشند. در روش‌های سنتی مانند تراشکاری یا برش، مادهٔ اولیه کاهش می‌یابد تا قطعهٔ نهایی به‌دست آید، اما در تولید افزایشی فرایند برعکس است.

چاپ سه‌بعدی درواقع یکی از شاخه‌های اصلی تولید افزایشی است که در آن جسم را با استفاده از مدل دیجیتال به‌صورت لایه‌به‌لایه چاپ می‌کند. نرم‌افزارهای طراحی سه‌بعدی (CAD) مدل را به صدها یا هزاران لایه تقسیم می‌کنند و چاپگر ازطریق ذوب‌کردن، فشرده‌کردن یا سفت‌کردن ماده هر لایه را می‌سازد. این روش امکان ساخت قطعاتی را فراهم می‌کند که در گذشته ساخت آنها با روش‌های سنتی غیرممکن یا بسیار پرهزینه بود.

چاپ سه‌بعدی چیست؟

به بیان ساده، چاپ سه‌بعدی فرآیندی تولید اشیاء فیزیکی از روی مدل دیجیتال است. چاپگر سه‌بعدی با دریافت فایل مدل که معمولاً پسوند STL یاOBJ دارد آن را به لایه‌های بسیار نازک تقسیم می‌کند و به ترتیب آن لایه‌ها را می‌سازد.

چاپ سه‌بعدی بسته به فناوری مورد استفاده ممکن است ازطریق ذوب رشته‌های پلاستیکی (FDM)، پخت لیزری پودر فلز (SLS یا DMLS) یا تابش نور به رزین حساس (SLA) انجام شود. کاربردهای چاپ سه‌بعدی متنوع هستند از تولید نمونه‌های اولیهٔ صنعتی گرفته تا ساخت قطعات نهایی در خودرو، حوزهٔ پزشکی و فضاپیماها را شامل می‌شود. حتی در صنایع آموزشی نیز این فناوری برای پرورش خلاقیت، طراحی مهندسی و درک سه‌بعدی مفاهیم علمی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

مواد رایج در چاپ سه‌بعدی

انتخاب مادهٔ مناسب در چاپ سه‌بعدی به نوع فناوری و کاربرد نهایی بستگی دارد. مهم‌ترین مواد عبارت‌اند از

• پلاستیک  (Polymer)  پرکاربردترین مواد چاپ سه‌بعدی است، ازجمله PLA که زیست‌تجزیه‌پذیر و ارزان است، ABS که در برابر حرارت و ضربه مقاوم است و PETG که ترکیب استحکام و انعطاف است.
• رزین (Resin) در چاپ SLA استفاده می‌شود و دقت بالایی دارد. برای مدل‌های ظریف، جواهرات یا دندان‌پزشکی مناسب است.
• فلزات. آلیاژهایی مانند استیل، آلومینیوم، تیتانیوم و نیکل در فناوری‌های پخت لیزری (SLM و DMLS) مورد استفاده قرار می‌گیرند.
• پودرهای سرامیکی و کامپوزیتی در تولید قطعات مقاوم در برابر حرارت یا کاربردهای خاص صنعتی به کار می‌روند.
• مواد زیستی (Bio-materials) در چاپ زیستی برای بازسازی بافت‌های انسانی یا ساخت اندام مصنوعی به کار می‌روند.

پیشرفت در حوزهٔ متریال‌ها چاپ سه‌بعدی را از مرحلهٔ نمونه‌سازی به مرحلهٔ تولید صنعتی واقعی رسانده است.

قطعات چاپ‌شده در تولید افزایشی چه ویژگی‌هایی دارند؟

قطعات چاپ‌شده با فناوری تولید افزایشی و چاپ سه‌بعدی بسته به نوع ماده و روش ساخت ویژگی‌های متفاوتی دارند. اما به‌طور کلی می‌توان گفت ویژگی‌های زیر را دارا هستند

• ساختار لایه‌ای: هر قطعه از لایه‌های نازک تشکیل شده است که گاهی در سطح آن قابل مشاهده‌اند.
• وزن کم و طراحی بهینه: ازآنجایی که تنها مقدار لازم از مواد استفاده می‌شود، وزن قطعه کاهش می‌یابد و ساختار سبک‌تری حاصل می‌شود.
• پیچیدگی هندسی بالا: چاپ سه‌بعدی می‌تواند اشکالی بسازد که ساخت آنها با قالب‌گیری یا ماشین‌کاری ممکن نیست.
• قابلیت شخصی‌سازی: می‌توان هر قطعه را براساس نیاز خاص کاربر طراحی و تولید کرد.
• مقاومت متغیر: بسته به نوع ماده، مقاومت مکانیکی از مدل تزئینی تا قطعهٔ صنعتی متغیر است.

به همین دلیل چاپ سه‌بعدی در تولید قطعات سفارشی مانند ابزارهای پزشکی، قطعات خودروهای مسابقه‌ای و محصولات سفارشی‌سازی‌شده بسیار پرکاربرد است.

رشد بازار چاپ سه‌بعدی

بازار جهانی چاپ سه‌بعدی طی یک دههٔ اخیر رشدی چشمگیر داشته است. بر اساس گزارش‌های بین‌المللی، ارزش بازار چاپ سه‌بعدی از حدود ۵میلیارد دلار در سال ۲۰۱۵ به بیش از ۳۰میلیارد دلار در سال ۲۰۲۵ رسیده است. عوامل اصلی این رشد عبارت‌اند از:

• افزایش دسترسی به چاپگرهای ارزان و رومیزی
• ورود شرکت‌های بزرگ صنعتی مانند GE، Boeing و Siemens به حوزهٔ تولید افزایشی
• توسعهٔ متریال‌های جدید با مقاومت و کارایی بیشتر
• رشد کاربردهای پزشکی، آموزشی و معماری

در کشورهای پیشرو چاپ سه‌بعدی به بخشی از استراتژی «صنعت ۴.۰» تبدیل شده است و دولت‌ها از آن به‌عنوان فناوری کلیدی آینده حمایت می‌کنند.

پیدایش فناوری چاپ سه‌بعدی

فناوری چاپ سه‌بعدی نخست در دههٔ ۱۹۸۰ با ابداع فرآیند Stereolithography (SLA)  توسط «چاک هال» شکل گرفت. در دههٔ ۱۹۹۰ روش‌های جدیدی مانند FDM و SLS معرفی شدند.
در دههٔ ۲۰۱۰ با کاهش قیمت چاپگرها و گسترش نرم‌افزارهای طراحی، چاپ سه‌بعدی وارد مرحلهٔ فراگیرشدن شد. امروز، با ظهور فناوری‌های Multi-Jet Printing، Binder Jetting و Metal Additive Manufacturing، تولید قطعات صنعتی کاملاً کاربردی ممکن شده است. همچنین پیشرفت در هوش مصنوعی و یادگیری ماشین به بهینه‌سازی طراحی سه‌بعدی و کنترل کیفیت قطعات کمک کرده است. فناوری‌های جدیدتر حتی به سمت چاپ چهاربعدی (4D Printing) نیز پیش رفته‌اند. در این مورد اخیر قطعات قابلیت تغییر شکل در پاسخ به دما یا رطوبت را دارا هستند.

مزایای چاپ سه‌بعدی

چاپ سه‌بعدی مزایای فراوانی دارد که آن را به یکی از جذاب‌ترین فناوری‌های تولید تبدیل کرده است. از جملهٔ این مزایا می‌توان به موارد زیر اشاره کرد.

1. کاهش هزینه و زمان: بدون نیاز به قالب یا ابزار خاص قطعات مستقیماً از مدل دیجیتال ساخته می‌شوند.
2. انعطاف در طراحی: امکان ساخت اشکال پیچیده و شخصی‌سازی بالا وجود دارد.
3. کاهش ضایعات مواد: فقط مقدار مورد نیاز از ماده استفاده می‌شود.
4. تسریع توسعهٔ محصول: مهندسان می‌توانند نمونه‌های اولیه را در ظرف چند ساعت بسازند.
5. امکان تولید محلی: نیازی به حمل‌ونقل قطعات از کارخانه‌های دور نیست؛ تولید در محل مصرف انجام می‌شود.
6. پشتیبانی از پایداری محیط‌زیست: بسیاری از مواد چاپی بازیافت‌پذیر یا زیست‌تجزیه‌پذیرند.

در مجموع چاپ سه‌بعدی به شرکت‌ها و طراحان آزادی خلاقیت و سرعتی بی‌سابقه در تولید بخشیده است.

جمع‌بندی

فناوری تولید افزایشی یا چاپ سه‌بعدی از ابزاری تحقیقاتی در آزمایشگاه‌ها به یکی از ارکان صنعت جهانی تبدیل شده است. این فناوری با ایجاد تحولی در نحوهٔ طراحی و ساخت، چرخهٔ تولید را کوتاه‌تر، شخصی‌تر و کارآمدتر کرده است. امروزه در صنایع پزشکی برای ساخت ایمپلنت، در هوافضا برای تولید قطعات سبک و مقاوم، و حتی در معماری برای ساخت سازه‌های واقعی از فناوری تولید افزایشی استفاده می‌شود.

چاپ سه‌بعدی نمایانگر حرکت از تولید انبوه به تولید هوشمند و سفارشی است. یعنی نیاز مشتری مستقیماً به طراحی و ساخت منجر می‌شود. در آینده به کمک ترکیب چاپ سه‌بعدی با هوش مصنوعی، اینترنت اشیاء و روباتیک شاهد شکل‌گیری کارخانه‌های دیجیتالی خواهیم بود که می‌توانند هر ایده‌ای را در کمترین زمان به واقعیت تبدیل کنند. برای علاقه‌مندان به مهندسی، طراحی صنعتی و فناوری، یادگیری چاپ سه‌بعدی فرصتی است برای ورود به دنیای نوآوری و خلق آینده.

دورهٔ «اصول تئوری و کارگاه عملی تکنولوژی تولید افزایشی (پرینت سه‌بعدی)» که در دپارتمان علوم مهندسی در مجتمع فنی تهران برگزار می‌شود فرصتی بسیار مناسب برای کسانی است که می‌خواهند مهارت عملی و نظری خود را در زمینهٔ ساخت افزایشی به‌ویژه چاپ سه‌بعدی ارتقا دهند. این دوره شامل بخش‌های مقدماتی مانند مفاهیم تولید افزایشی، ویژگی‌های قطعات چاپ‌شده، فرآیند عمومی چاپ سه‌بعدی، طراحی برای پرینت، عیب‌یابی فایل STL و کار عملی با دستگاه‌های FDM/FFF است.

اگر علاقه‌مند به ورود به حوزهٔ نوآوری صنعتی، طراحی قطعات سفارشی یا راه‌اندازی کارگاه چاپ سه‌بعدی هستید، این دوره گزینه‌ای عالی برای شماست. با شرکت در این دوره، علاوه‌بر آشنایی با فناوری‌های روز، توانایی کار با تجهیزات عملی و آماده‌سازی فایل‌های چاپ برای تولید را نیز کسب خواهید کرد. همچنین تجربهٔ کارگاهی شما را برای بازار کار یا پروژه‌های خصوصی در این حیطه آماده می‌کند.

در پایان توصیه می‌شود اگر به دنبال توسعهٔ مهارت در فناوری‌های نوظهور هستید و می‌خواهید از طراحی تا چاپ و عیب‌یابی را به‌صورت اصولی بیاموزید، این دوره را جدّاً مدنظر قرار دهید، زیرا ترکیبی از نظریه و تجربهٔ عملی را برای شما فراهم می‌آورد.

در دنیای کسب‌وکار امروز، تحصیلات دانشگاهی برای حفظ ارزش شما به‌عنوان نیروی کار بااستعداد و کارآمد کافی نیستند. برای‌ اینکه مزیت رقابتی شخصی خود را حفظ کنید، باید بر آموزش مستمر و مادام‌العمر خود سرمایه‌گذاری کنید. خانواده بزرگ مجتمع فنی تهران هرساله به هزاران نفر کمک می‌کند تا در مسیر شغلی خود پیشرفت کنند.

اگر شاغل هستید و وقت ندارید در دوره‌های آموزشی حضوری شرکت کنید، مجتمع فنی تهران گزینه‌هایی عالی برای آموزش مجازی، آنلاین، آفلاین و ترکیبی ارائه می‌دهد. با شرکت در دوره‌های کوتاه‌مدت مجتمع فنی تهران و دریافت مدارک معتبر و بین‌المللی می‌توانید با اعتماد به نفس مسیر ترقی را طی کنید و در سازمان خود به مهره‌ای ارزشمند تبدیل شود.

منبع: HP.com

مترجم: بهناز دهکردی

پرسش‌های متداول

 تفاوت بین تولید افزایشی و چاپ سه‌بعدی چیست؟

درواقع، چاپ سه‌بعدی یکی از زیرمجموعه‌های تولید افزایشی است. تولید افزایشی اصطلاحی صنعتی‌تر و جامع‌تر است که شامل همهٔ روش‌های افزودن ماده برای ساخت جسم است، درحالی‌که چاپ سه‌بعدی بیشتر در حوزه‌های آموزشی و محصولات رومیزی به کار می‌رود.

آیا چاپ سه‌بعدی می‌تواند جایگزین تولید سنتی شود؟

در حال حاضر نه به‌طور کامل، اما در زمینه‌هایی مانند نمونه‌سازی سریع، تولید سفارشی و قطعات پیچیده بسیار کارآمدتر است. با توسعهٔ متریال‌ها و افزایش سرعت چاپگرها، انتظار می‌رود سهم این نوع چاپ در تولید انبوه نیز افزایش یابد.

آیا یادگیری چاپ سه‌بعدی نیاز به پیش‌زمینه دارد؟

برای شروع کافی است با مفاهیم طراحی سه‌بعدی (CAD) آشنا باشید. نرم‌افزارهایی مانند Tinkercad و Fusion 360 ابزارهای ساده‌ای برای شروع‌ هستند و بسیاری از مراکز آموزشی دوره‌های مقدماتی آموزش آنها را ارائه می‌دهند.

مهم‌ترین صنایعی که از چاپ سه‌بعدی استفاده می‌کنند کدام‌اند؟

صنایع هوافضا، خودروسازی، پزشکی، معماری، جواهرسازی، آموزش و تولید قطعات یدکی بیشترین استفاده را دارند. در آینده چاپ سه‌بعدی در ساخت ربات‌ها، تولید غذا و حتی ساخت ساختمان‌های کامل نقش مهم‌تری ایفا خواهد کرد.