چاپگر سه‌بُعدی، انقلابی در تولید قطعات صنعتی/ از طراحی بافت بدن انسان تا امکان ساخت یک محله شهری
چاپگر سه‌بُعدی از مدرن‌ترین فرآیندهای طراحی و تولید ملزومات صنایع مختلف محسوب می‌شود که تلاش نخبگان کشورمان در این زمینه ما را در ساخت بسیاری از قطعات پیچیده صنعتی خودکفا کرده است به نحوی که دستاوردهایی مانند شبیه‌سازی بافت بدن انسان در حوزه سلامت و تولید قطعات بتنی با استاندارد دقیق در حوزه شهرسازی جزء افتخارات اخیر شرکت‌های دانش‌بنیان فعال در این زمینه محسوب می‌شود که نیازمند حمایت مسؤولان مربوط هستند.
به گزارش خبرگزاری دانشجویان ایران(ام ویک)، چاپ سه‌بعدی از فرآیندهای تولیدی مدرن محسوب می‌شود که در سال‌های اخیر به انواع صنایع نفوذ کرده و کارایی‌های متعددی را ارائه کرده است. چاپ سه‌بُعدی «۳D Printing» در تعریف ساده به فرآیند تولید اجسام سه‌بعدی از فایل‌های دیجیتال گفته می‌شود، تولید اجسام سه‌بعدی در این روش به‌کمک فرایندهای افزودنی انجام می‌شود، در این فرایندها اجسام با روی هم قرار گرفتن لایه‌های متعدد ساخته می‌شوند، به نحوی‌که هریک از لایه‌ها را می‌توان به‌عنوان برشی افقی با ضخامت کم از محصول نهایی در نظر گرفت.
چاپگر سه‌بُعدی، انقلابی در تولیدات صنعتی
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، درحالی که 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.
پرینتر سه‌بعدی از طریق دستورات نرم‌افزاری قطعه را می‌سازد و روش کار به این‌صورت است که قطعه کار به برش‌های فرضی تقسیم‌بندی شده و در هر مرحله یک لایه پرینت تشکیل می‌شود، بعد از اتمام لایه اول، میز پرینتر به اندازه لایه بعدی از نازل دستگاه فاصله می‌گیرد و لایه دوم بر روی لایه اول پرینت می‌شود. هرچه فاصله بین لایه‌ها کمتر باشد، مواد مصرفی بیشتر درهم فرو می‌رود و جوش قوی‌تری بین لایه‌های پرینت سه‌بعدی شکل می‌گیرد و لذا کیفیت خروجی بهتری را می‌توانیم داشته باشیم.
چاپگر سه‌بعدی را می‌توان تلفیقی از دستگاه تزریق پلاستیک و «CNC» دانست، چراکه روش کار «CNC»دقیقاً شبیه به پرینتر سه‌بعدی است و «CNC» نیز مطابق با دستورات «G-CODE» نرم‌افزار قطعه کار را می‌سازد. تفاوت دستگاه «CNC»و پرینتر سه‌بعدی در این است که در «CNC»یک بلوک قرار دارد و شما با تراش این بلوک به شکل نهایی می‌رسید، در صورتی‌که در این دستگاه از صفر قطعه کار ساخته می‌شود، لذا میزان ضایعات دستگاه سه‌بعدی بسیار پایین‌تر از «CNC» است.
ساخت بزرگ‌ترین چاپگر سه‌بُعدی ایران
محققان دانشگاه صنعتی اصفهان سال ۱۳۹۹ موفق به طراحی و تولید بزرگ‌ترین چاپگر سه‌بعدی ایران شدند. به گفته «دکتر حسین حسنی» عضو هیأت‌علمی دانشکده مهندسی نساجی دانشگاه صنعتی اصفهان، با این پرینتر سه‌بعدی امکان تولید کامپوزیت‌های تقویت‌شده و بهبودیافته توسط الیاف گوناگون به‌منظور بهره‌گیری در صنایع مختلف میسر شده است.
وی با بیان این‌که چاپ سه‌بعدی با روش لایه‌گذاری مذاب پلیمری (FFF) به علت هزینه پائین، در حال تبدیل شدن به یکی از پر اهمیت‌ترین روش‌های تولید قطعات صنعتی است، اظهار کرد: «با این‌وجود قطعات تولیدشده با این روش، نسبت به روش‌های متداول دیگر، استحکام پایین‌تری دارند.»
«دکتر حسین حسنی» عضو هیأت علمی دانشکده مهندسی نساجی دانشگاه صنعتی اصفهان با اشاره به امکان تولید دقیق قطعات پیچیده سه‌بعدی تا ابعاد ۷۰ در ۴۸ در ۴۸ سانتی‌متر با بهره‌گیری از دستگاه ساخته‌شده، افزود: «در این چاپگر یکی از دو سامانه لایه‌گذار، توانایی تغذیه همزمان الیاف ممتد با کارایی بالا نظیر الیاف کربن، شیشه و کولار همراه با پلیمر را دارد و سامانه دیگر به‌صورت جداگانه رشته‌های پلیمری گرمانرم نظیر پلی‌لاکتیک اسید، اکریلو نیتریل بوتادین استایرن، پلی‌استر، پلی‌پروپیلن و نایلون را لایه‌گذاری می‌کند.»
دکتر حسنی ادامه داد: «این دستگاه توانایی تولید کامپوزیت‌های سه‌بعدی و دوبعدی تقویت‌شده با الیاف در شکل‌های سه‌بعدی را دارد که در صنایع مختلف همچون حمل‌ونقل، صنعت هوافضا، پروتزهای مصنوعی جهت استفاده افراد معلول، پره توربین‌های بادی در مقیاس کوچک، تولید قطعات پیچیده مورد استفاده در ماشین‌های صنعتی و قطعات ضربه‌گیر خودرو مانند جعبه‌های تصادف کاربرد دارد.»
طراحی بافت‌های انسانی با چاپگر سه بعدی ایرانی
شرکت «امیدآفرینان مهندسی آینده» در سال ۱۳۹۵ توسط سه تن از دانش‌آموختگان دانشگاه صنعتی شریف تأسیس شد و در آبان‌ماه ۱۳۹۶ توانست به جمع شرکت‌های دانش‌بنیان بپیوندد. این شرکت موفق به چاپ نمونه‌های آزمایشگاهی اعضای بدن مانند گوش و بینی شده و نمونه‌هایی مانند جمجمه حیوانات را به مرحله تست حیوانی نزدیک کرده است.
چاپگرهای زیستی سه‌بُعدی سری «BioFab» با اتکاء به سیستم عملگرهای نیوماتیکی و قابلیت اعمال فشار بالاچاپ، گستره وسیعی از مواد زیستی جهت ایجاد بافت‌هایی همچون قلب، پوست، غضروف یا استخوان را فراهم می‌کند که این مساله به کاربر آزادی کاملی در انتخاب مواد زیستی را می‌دهد.
دستگاه «PioneerX۲» یک چاپگر زیستی با دو ماژول پرینت بر مبنای فناوری اکستروژن است که امکان کنترل دقیق حجم ماده پرینت‌شده را فراهم می‌کند. این قابلیت به‌ویژه در مورد پرینت با کیفیت محلول‌های سلولی و هیدروژل‌هایی با ویسکوزیته پایین، اهمیت دوچندان پیدا می‌کند. پژوهشگران به کمک این چاپگر می‌توانند بافت و اندام زنده به منظور ارزیابی عملکرد داروها و مواد آرایشی – بهداشتی یا جایگزینی بافت‌های آسیب‌دیده بیماران را تولید کنند.
«علی یزدانی»، مدیرعامل شرکت امیدآفرینان مهندسی آینده، آذرماه سال گذشته(۱۴۰۲) در خصوص تجربه‌ی حضور در نمایشگاه ایران‌ساخت، گفت: «دستگاه چاپگر زیستی سه‌بعدی، پرفروش‌ترین محصول ما در نمایشگاه ایران‌ساخت بوده و فروش خوبی در نمایشگاه ایران‌ساخت داشتیم. البته فروش شرکت ما بیشتر داخلی است و اساسا بخش قابل‌توجهی از این فروش را مرهون حضور در نمایشگاه ایران‌ساخت هستیم.»
ساخت اولین پرینتر سه‌بُعدی فلزی در ایران
یکی‌از شرکت‌های دانش‌بنیان با تولید چاپگرهای سه‌بعدی فلزی از طریق تکنولوژی SLM که در انحصار چند کشور معدود بوده، امکان تولید مستقیم پیچیده‌ترین قطعات از فایل‌های سه‌بعدی را با بالاترین دقت فراهم کرده است.
درهمین رابطه «احمد فروزمهر» مدیرعامل این شرکت دانش‌بنیان با اشاره به تولید چاپگرهای سه‌بعدی، گفت: «این دستگاه مبتنی‌بر تکنولوژی «SLM» است که از پودر آلیاژ به‌عنوان ماده اولیه و لیزر به عنوان ابزار ساخت استفاده می‌کند. این روش امکان تولید قطعات با هر پیچیدگی را به‌طور مستقیم از فایل سه‌بعدی آن‌ها فراهم می‌کند. در این روش، محصول فلزی نهایی با هرگونه پیچیدگی، مستقیما بدون نیاز به عملیات ثانویه خاصی از فایل سه‌بعدی آن ساخته می‌شود. در این فرآیند لیزر توان بالا برای ذوب پودر فلزی و آمیختن آن‌ها به هم استفاده می‌شود.»
وی با بیان این‌که زمانی که یک لایه تشکیل می‌شود، یک لایه پودر جدید روی سطح ساخت گسترده می‌شود؛ ضخامت لایه‌ها را ۲۰ تا ۱۰۰ میکرون دانست و خاطرنشان کرد: «از جمله موادی که در فرآیند مورد استفاده قرار می‌گیرند، فولاد ابزار، فولاد زنگ‌نزن، کبالت کروم و تیتانیوم هستند. زمانی که مواد واکنش‌زا مانند تیتانیوم یا آلومینیوم مورد استفاده قرار می‌گیرند، میزان اکسیژن در محفظه مُهر و موم‌شده باید به حداقل برسد تا از اکسیدشدن ماده و نقص‌های بعدی جلوگیری کند.»
مدیرعامل این شرکت دانش‌بنیان اظهار کرد: «این دستگاه برای ساخت قطعات موردنیاز صنایع نیروگاهی، هوافضا، خودرو، ساخت قالب‌های صنعتی، پزشکی و دندانپزشکی کاربرد دارد. این دستگاه همچنین در زمینه تحقیقات در حوزه علوم مهندسی مکانیک و متالورژی نیز قابلیت‌های متعددی دارد.»
فروزمهر افزود: «ما نخستین سازنده پرینتر سه‌بعدی فلزی (SLM) در کشور هستیم که ساخت آن تا پیش از این تنها در انحصار چهار کشور آمریکا، انگلیس، آلمان و فرانسه بوده و به دلیل تحریم‌ها، واردات این تجهیزات امکان‌پذیر نبوده است.»
بومی‌سازی چاپگرهای سه‌بُعدی سازه‌های بتنی
پژوهشگران دانشگاه مازندران سال گذشته موفق شدند، چاپگرهای سه‌بعدی تولید بتن را بومی‌سازی کنند. «حبیب اکبرزاده بنگر» سرپرست این تیم تحقیقاتی با بیان این‌که استفاده از پرینتر یا چاپگرهای سه‌بعدی بتن، افزایش سرعت ساخت سازه و کاهش استفاده از انرژی و مصالح را موجب می‌شود، گفت: دقت چاپگر سه‌بعدی بومی‌سازی‌شده در این دانشگاه، کمتر از یک میلی‌متر است.
وی با اشاره به این‌که دستیابی به دانش ساخت بتن مورد استفاده برای این گروه از چاپگرها نیز بسیار بااهمیت است، افزود: «برای جلوگیری از به‌هم ریختگی لایه‌های بتن و رسیدن به ویسکوزیته یا لزجت کافی در ساخت بتن، از ماسه‌های ریزتر و نیز مواد خودمراقبتی بومی استفاده شد.»
سرپرست این تیم تحقیقاتی با تاکید بر این‌که مقاومت بین لایه‌های بتن ساخته‌شده با استفاده از این روش، ۱۰ تا ۳۰ کیلوگرم بر سانتی‌مترمربع است، مقاومت فشاری حاصل از این نوع بتن را هم، سه تاپنج‌برابر بیشتر از مقاومت فشاری بتن‌های معمولی عنوان کرد. لازم به ذکر است، با استفاده از پرینت سه‌بعدی می‌توان سازه‌های دیوار را از نظر توپولوژیکی بهینه و تا حدی توخالی کرد و به این ترتیب نیاز به مصرف مواد تا حد بسیار زیادی کاهش مییابد، همین مسئله باعث می‌شود تا آسیب کمتری نیز به محیط زیست وارد شود.
یکی دیگر از نکات مهم، این است که با استفاده از این فناوری‌های سه‌بعدی میتوانید میزان ضایعات تولیدشده طی یک پروژه معمولی را تا ۳۰ درصد کاهش دهید که خود عدد قابل‌توجهی است. در واقع فرآیند کار به این شکل است که قطعات مختلف چاپ‌شده و مواد بلااستفاده خیلی سریع و راحت بازیافت می‌شوند و حتی می‌توان آن‌ها را برای استفادههای بعدی ذخیره کرد.
یکی دیگر از مزایای ساخت سازه‌ی بتنی با پرینت سه‌بعدی این است که با استفاده از آن می‌توان بینهایت طرح برای سازه خود در نظر گرفت. در واقع تنها چیزی که می‌تواند پرینترهای سه‌بعدی را محدود سازد، تخیل معماران خواهد بود. با این تکنولوژی می‌توان پیچیده‌ترین و مشکلترین سازهها را – که ساخت آن‌ها با روشها سنتی هزینه و انرژی زیادی میبرد – در کوتاهترین مدت زمان ممکن عملی کرد.
ساخت یک محله با چاپگر سه‌بُعدی
مزرعه گرگ «Wolf Ranch» محله‌ای متشکل از خانه‌های چاپ‌شدۀ سه‌بعدی کنار رودخانه سَن گابریل در تپه‌های جورج‌تاون تگزاس است. ساخت این شهرک در سال ۲۰۲۲ با برنامه‌ریزی پروژه برای ساخت ۱۰۰ واحد خانه آغاز شد و این پروژه را به بزرگ‌ترین گروه از خانه‌های پرینت سه‌بعدی تبدیل کرد.
بنا به گزارش اخیر رویترز، مزرعه گرگ اکنون در حال تکمیل شدن است و چند خانه‌ی آخر آن تابستان امسال پرینت سه‌بعدی می‌شوند. در مزرعه گرگ هشت مدل مختلف خانه وجود دارد که ارزان‌ترین آن‌ها با ۱۴۶ مترمربع فضا با سه اتاق خواب و دو حمام از حدود ۴۳۰ هزار دلار شروع شده و مدل‌های بزرگ‌تر و گران‌تر نیز در دسترس هستند.
این شهر حاصل همکاری «ICON» (استارت‌آپ مستقر در تگزاس و متخصص چاپ سه‌بعدی در مقیاس بزرگ) و «Lennar» (یکی‌از بزرگ‌ترین سازندگان خانه در ایالات متحده) است. هر ساختمان با استفاده از یک چاپگر سه‌بعدی غول‌پیکر ساخته شده که بتن و سایر مصالح را در یک طرح از پیش برنامه‌ریزی‌شده طبقه‌بندی می‌کند و خانه را از پایین به بالا می‌سازد. اثرات این روش داخل دیوارهای خانه‌ها باقی می‌ماند و به آن‌ها حالتی راه‌راه می‌بخشد. سپس یک سقف فلزی دَرزدار در بالای ساختمان قرار می‌گیرد که با پنل‌های خورشیدی تزئین شده است تا به تأمین برق خانه کمک کند.
به گفته «ICON»، چاپ سه‌بعدی به خانه‌ها اجازه می‌دهد با سرعت و مقیاسی کم‌مصرف با حداقل ضایعات مواد، تحویل داده شوند. با این روش ساختمان‌هایی ساخته می‌شود که از نظر فناوری؛ پیشرفته، از نظر زیست‌محیطی؛ پایدار و از نظر معماری؛ چشمگیر هستند. این شرکت استارتاپی در کنار تعدادی دیگر از پروژه‌های زمینی، جاه‌طلبی‌های جسورانه‌ای هم دارد تا جوامع «خارج از جهان» را در کره ماه و فراتر از آن بسازد. در همین راستا سال ۲۰۲۲ این شرکت قراردادی ۵۷.۲ میلیون دلاری از ناسا برای توسعه فناوری‌های ساخت‌وساز دریافت کرد که می‌تواند به ساخت زیرساخت‌های چاپ سه‌بعدی مانند سکوهای فرود، جاده‌ها و خانه‌ها در سطح کره ماه و کره مریخ کمک کند.
با توجه به مطالب فوق، چاپگر سه‌بُعدی مدرن‌ترین فرآیند تولید قطعات پیچیده صنعتی بوده و به‌کارگیری احسن از آن، موجب خودکفایی کشورمان در بسیاری از دستگاه‌های صنعتی می‌شود، به نحوی‌که؛ این روش تولید نه‌تنها نسبت به روش سنتی به‌صرفه‌تر و سریع‌تر است، بلکه دقت و کاربرد مناسب‌تری نسبت به نمونه‌های تولیدی خود به روش سنتی دارد و کشورمان را از واردات قطعات مصون می‌دارد. بنابراین حمایت از شرکت‌های دانش‌بنیان فعال در این حوزه، می‌تواند جمهوری اسلامی ایران را به دستاوردهای بزرگی در زمینه سلامت، شهرسازی، هوافضا و غیره برساند.
پایان خبر ام ویک
آیا شما به دنبال کسب اطلاعات بیشتر در مورد "چاپگر سه‌بُعدی، انقلابی در تولید قطعات صنعتی/ از طراحی بافت بدن انسان تا امکان ساخت یک محله شهری" هستید؟ با کلیک بر روی پزشکی، اگر به دنبال مطالب جالب و آموزنده هستید، ممکن است در این موضوع، مطالب مفید دیگری هم وجود داشته باشد. برای کشف آن ها، به دنبال دسته بندی های مرتبط بگردید. همچنین، ممکن است در این دسته بندی، سریال ها، فیلم ها، کتاب ها و مقالات مفیدی نیز برای شما قرار داشته باشند. بنابراین، همین حالا برای کشف دنیای جذاب و گسترده ی محتواهای مرتبط با "چاپگر سه‌بُعدی، انقلابی در تولید قطعات صنعتی/ از طراحی بافت بدن انسان تا امکان ساخت یک محله شهری"، کلیک کنید.