چاپ سه بعدی چگونه کار می‌کند؟

ابتدا بهتر از است به ویژگی‌های عمومی موجود در تمام چاپگرهای سه بعدی بپردازیم. اغلب چاپگرهای سه بعدی طراحی شده که امروزه در بازار وجود دارند، از روشی موسوم به Additive برای خلق طرح مورد نظر استفاده می‌کنند. متد Additive یا افزایشی بدین معنی است که چاپگر با رسوب ماده‌ی اولیه‌ی و اضافه کردن این ماده رفته رفته از هیچ، شی نهایی را تولید می‌کند. این برخلاف فرآیند تراشیدن در صنعت است که شی نهایی در اثر تراش خوردن قطعه‌‌ای فلز یا چوب شکل می‌گیرد. البته شماری از چاپگرهای سه بعدی نیز وجود دارند که می‌توانند پس از خلق جسم نهایی، آن را برای تطابق هر چه بیشتر با طرح اولیه، تراش دهند، اما بصورت خلاصه تراش‌کاری نمی‌تواند مزایایی را که فرآیند تولید بصورت افزایشی در اختیارمان قرار می‌دهد، ارائه کند. با ایجاد اشیا بصورت لایه لایه و افزایشی، چاپگرهای سه بعدی قادرند تا اشیایی توخالی یا اشیایی را که ساختار داخلی پیچیده‌ای دارند، تولید کنند که برای مثال می‌توان به تولید یک مکعب همگن از مواد سخت اشاره کرد.

در حال حاضر فرآیند چاپ سه بعدی به روش Additive یا افزایشی روش‌های مختلفی را در بر می‌گیرد که هر یک از این روش‌ها نقاط قوت و ضعف مخصوص به خود را به همراه دارد. اما مزایای کلی چاپ سه بعدی به اندازه‌ای زیاد است که حتی روش‌های قدیمی در این حوزه نظیر رسوب اکستروژن (Extrusion Deposition) نیز به دلیل سادگی استفاده و همچنین هزینه‌ی بسیار پایین، جای خود را در بازار پیدا کرده است.

قدیمی‌ترین روش چاپ سه بعدی، استریولیتوگرافی نام دارد که به اختصار SLA نیز خوانده می‌شود. این روش که براساس چاپ لایه لایه بنیان نهاده شده که از پرتولیزر برای خشک کردن ماده‌ی اولیه که فوتو پلمیر نام دارد، استفاده می‌کند. یک ماده فلزی در فوتوپلمیر غوطه ور بوده و اجازه نمی‌دهد تا لایه‌ی بیرونی که ضخامت آن ۰.۱ میلی‌متر است، از این فوتوپلمیر تشکل شود. با تاباندن پرتو لیزر فرابنفش، شکل لایه‌ی بیرونی شکل گرفته و سخت می‌شود، حال برای رسیدن به شکل نهایی، لایه‌ی دیگری از فوتوپلیمر روی ساختار خشک شده‌ی قبلی شکل گرفته و مراحل تا رسیدن به لایه‌ی آخر تکرار می‌شود. این روش بهینه‌ترین حالت برای چاپ سه بعدی نیست، هرچند می‌توان با استفاده از آن مواد بسیار جالبی را نظیر سرامیک‌ها با قیمت بسیار پایین‌تر تولید کرد.

روش ساده برای چاپ سه بعدی که بعدها معرفی شده و باعث جلب توجه بسیاری به سمت چاپ سه بعدی شد، رسوب اکستروژن نام دارد. این روش ساده‌ترین متد چاپ سه بعدی است که می‌توان از آن استفاده کرد. در این روش یک ربات نازل با دقت فراوان ماده‌ی پلاستیکی اصلی را در قالب نقشه‌ی کلی ساخت تزریق می‌کند. ماده‌ی اولیه در تماس با هوای درون چاپگر خنک شده و سخت می‌شود، حال آنکه ماده‌ی تزریق شده در لایه‌ی بعدی نیز در تماس با لایه‌ی پیشین سخت شده و هوا سفت‌ می‌شود. هدف ا زاین نوع چاپ ایجاد لایه لایه‌ی ساختار اصلی با سخت کردن هر لایه روی لایه‌ی دیگر است. در صورتی که لایه‌ها به اندازه‌ی کافی ضخامت داشته و به خوبی روی یکدیگر قرار گرفته باشند، در این صورت سطوحی که بسیار صاف هستند ایجاد می‌شود که در نهایت به نظر می‌رسد شی ایجاد شده از طریق قالب گیری ساخته شده است.

در صورتی که هدف چاپ سه بعدی اشیا با استفاده از مواد دیگری نظیر فلزات باشد، از این‌رو روش رسوب اکستروژن جوابگو نیست و باید روش‌های دیگری را امتحان کرد. 

گداخت انتخابی با لیزر یا Selective Laser Sintering که به اختصار SLS خوانده می‌شود، روشی است که برای چاپ سه بعدی با استفاده از مواد اولیه با ساختار مستحکم‌تر مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این روش، ماده‌ی اولیه در یک قالب جمع شده و پرتو لیزر با تابش روی ماده‌ی اولیه، ماده‌ی اولیه را به هم چسبانده و شئی را که قرار است تولید شود، شکل می‌دهند. در واقع در روش SLS به هیچ وجه شاهد ذوب شدن کامل مواد اولیه که برای مثال در قالب تکه‌های فلز کنار هم قرار گرفته‌اند، نیستیم، بلکه ماده‌ی اولیه در حالت گداخته به یکدیگر چسبیده و شکل نهایی را ایجاد می‌کند. حال آنکه روش دیگری نیز با عنوان ذوب انتخابی با لیزر با Selective Laser Melting که به اختصار SLM خوانده می‌شود نیز وجود دارد که تقریبا کارکردی شبیه به SLS دارد. در این روش از لیزر برای ذوب ذرات ماده‌ی اولیه که غالبا فلز هستند، استفاده می‌شوند. در واقع در SLM به گداخت اکتفا نشده و به دلیل ذوب شدن مواد اولیه، شی نهایی دارای ساختار محکم‌تری است.

اما این تمام ماجرا نیست و روش دیگری نیز وجود دارد. یک مثال از روش‌های پیشرفته‌تر چاپ سه بعدی، استفاده از فیبر کربن است که می‌توان برای تولید قطعاتی بسیار مستحکم با چگالی کمتر استفاده کرد. استفاده از روش‌های جدید که از موادی نظیر فیبرکربن در آن‌ها استفاده می‌شود، باید در بازه‌ی قیمتی پرینت‌ سه بعدی گران خواند. برای مثال برای چاپ سه بعدی قطعه‌ای از فیبرکربن، باید هزینه‌ای ۵٫۰۰۰ دلاری را در نظر داشت که بسیار بالاتر از هزینه‌ی مورد نیاز برای چاپ یک قطعه با استفاده از ماده‌ی اولیه‌ای نظیر فلز است.

چاپ سه بعدی رفته رفته در حال پیدا کردن جایگاه خود در میان صنایع سنگین است. برای مثال کمپانی‌هایی نظیر ایرباس به این نتیجه رسیده‌اند که استفاده از چاپ سه بعدی برای تولید قطعات مورد استفاده در هواپیماها، ارزان‌تر بوده و از این‌رو شماری از قطعات سبک وزن خود را با استفاده از چاپ سه بعدی تولید می‌کند. همچنین در حوزه‌ی پزشکی نیز می‌توان با استفاده از چاپ سه بعدی فرآیند طراحی و تولید انواع پروتزها را بالا برد تا بیماران به سرعت مشکلات خود را حل کنند. این روزها می‌توان چاپگرهای سه بعدی را در اغلب لابراتوارهای طراحی آمریکایی و اروپایی دید که با استفاده از آن طراحان در کوتاه‌ترین زمان ممکن نمونه‌ای از طراحی خود را مشاهده می‌کنند.

علاوه بر صنایع مختلف و آزمایشگاه‌های طراحی، بسیار از مردم عادی نیز استفاده‌های گوناگونی از چاپگرهای سه بعدی می‌برند که جستجویی کوتاه می‌تواند انواع ابزارهای چاپ سه بعدی را نمایش دهد. برای مثال چاپ اسلحه‌ی کمری، چاپ سه بعدی قطعه‌‌ای از یک آلت موسیقی و انواع کاربردهای دیگر اشاره کرد.

محققان علوم زیستی را باید یکی از طرفداران پیشرفت هر چه بیشتر چاپ سه بعدی خواند، چراکه با استفاده از این فناوری می‌توان اعضای بدن انسان را با استفاده از سلول‌های بنیادی تولید کرد. براساس اطلاعات برگرفته از تحقیقات انجام شده، می‌توان با ترکیب پلیمر ساخت با مواد مغذی و سلول‌های بنیادی در قالب چاپ سه بعدی، اعضای بدن انسان را تولید کرد.

هر دو روش SLS و SLM که به آن‌ها اشاره کردیم، توسط ناسا برای تولید قطعات مورد استفاده در فضاپیماها به کار رفته است. هدف ناسا تولید تمام قطعات مورد نیاز در ساخت یک سفینه با استفاده از چاپ سه بعدی است. دانشمندان در حال کار روی فرضیه‌هایی نظیر اختلاط نوعی چسب با خاک مریخ و تولید زیرساخت‌های مورد نیاز از طریق چاپ سه بعدی هستند. همچنین پروژه‌ای با عنوان SpiderFab تعریف شده که هدف از آن استفاده از چاپ سه بعدی برای ساخت زیرساخت‌های بزرگ در خلا موجود خارج از کره‌ی خاکی است.

کاربردهای مختلف چاپ سه بعدی بسیار گسترده است. برای مثال می‌توان به شبکه‌های عصبی به عنوان یکی از کاربردهای مهم چاپ سه بعدی اشاره کرد که می‌تواند انقلابی را در جهان و تاریخ علوم بشری ایجاد کند.