پرینتر چهاربعدی و مقایسه آن با پرینتر سه‌ بعدی

تعریف ساده پرینتر سه‌ بعدی و چهاربعدی، فرآیند ساخت فیزیکی‌ اشیا چند‌بعدی از روی یک فایل دیجیتال است. پرینتر سه‌ بعدی و چهاربعدی برای این کار از از مواد خاصی استفاده می‌کند تا لایه‌هایی را در مختصات چند بعدی در کنار هم قرار بدهد.

با وجود اینکه مدت زیادی از ساخت پرینتر‌های سه‌ بعدی نمی‌گذرد نسل جدیدتری از این تکنولوژی با نام پرینتر‌های چهاربعدی به زودی وارد بازار می‌شود. این نوع از پرینتر‌ها در واقع از همان نسل جدید چاپگر‌های سه‌ بعدی هستند. با این تفاوت که  تولید قطعاتی تولید می‌کنند که تحت شرایط برنامه‌ریزی شده، تغییر شکل می‌دهند. شرکت‌های صعتی بزرگی مانند کارخانه پرینت سه بعدی stratasys، شرکت نرم‌افزاری اتودسک و غیره در حال انجام تحقیق روی این نسل از پرینتر‌ها هستند تا به توسعه و عرضه سریع‌تر نسل چهارم این چاپگر‌ها  کمک کنند.

پرینتر سه‌ بعدی چیست

چاپگر سه‌ بعدی دستگاهی است که با قرار دادن لایه‌به‌لایه مواد طبق یک فایل طراحی دیجیتال، ‌اشیاء سه‌ بعدی ایجاد می‌کند. این فرآیند امکان ایجاد‌اشیاء پیچیده با مواد مختلف از جمله پلاستیک، فلزات، سرامیک و حتی مواد بیولوژیکی را فراهم می‌کند. فناوری‌های رایج پرینت سه‌ بعدی شامل مدل‌سازی رسوب ذوب شده (FDM)، استریولیتوگرافی (SLA) و جوش لیزری انتخابی (SLS) است.

پرینتر چهار بعدی چیست

چاپگر ۴ بعدی توسعه فناوری چاپ سه‌ بعدی است که عنصر زمان را به عنوان بعد چهارم در خود جای داده است. در پرینت چهار بعدی، ‌اشیاء چاپ شده می‌توانند در طول زمان در پاسخ به محرک‌های خارجی مانند دما، نور یا رطوبت، شکل یا خواص خود را تغییر دهند.

این امر با استفاده از مواد هوشمند و تکنیک‌های طراحی پیشرفته برای ایجاد‌اشیاء با قابلیت‌های تغییر شکل داخلی به دست می‌آید. کاربرد‌های بالقوه برای چاپ ۴ بعدی بسیار گسترده است، از ساختار‌های خود مونتاژ و لباس‌های تطبیقی گرفته تا دستگاه‌ها و اجزای زیست پزشکی برای مهندسی هوافضا.

“فناوری هوشمندFanahoosh” آخرین به روزترین محتوی در پرینت سه‌بعدی

شباهت پرینتر سه‌ بعدی و چهاربعدی

اصول فناوری به کار رفته در پرینتر سه‌ بعدی و چهاربعدی مشابه یکدیگر است. در واقع پرینتر‌های نسل سوم  که از آن‌ها با نام فناوری «ساخت افزایشی» یاد می‌شود با استفاده از طراحی دیجیتال CAD قطعات فیزیکی را تولید می‌کند. در این روش با پرینت لایه‌به‌لایه و اتصال این لایه‌ها به یکدیگر قطعه نهایی ساخته می‌شود. تفاوت اصلی نسل سوم و چهارم چاپگر‌ها در قابلیت تغییر شکل قطعه تولید شده در پرینتر‌های جدید می‌باشد.

به همین دلیل در نسل چهارم این تکنولوژی از مواد منحصر بفردی برای تولید استفاده می‌کنند. این مواد هوشمند می‌تواند در مقابل محرک‌های خارجی با گذر زمان و با برنامه‌ریزی تغییر شکل بدهد. در ادامه این مطلب قصد داریم شما را با انوع پرینتر‌های سه‌ بعدی و فناوری پرینتر‌های نسل چهارم بیشتر آشنا کنیم و جزئیات دقیق‌تری از کاربرد آن‌ها در صنایع مختلف در اختیار شما قرار بدهیم.

معرفی انواع پرینترهای سه‌ بعدی

پرینترهای سه‌ بعدی شامل مجموعه ای از فرآیندها هستند که مواد را بصورت لایه‌به‌لایه روی یکدیگر قرار می دهند تا قطعه موردنظر ساخته شود. مواد به کار رفته در تولید قطعات در پرینتر سه‌ بعدی و چهاربعدی متفاوت است و از آنجایی که پرینترهای سه‌ بعدی به جهت کاربرد، انواع مختلفی دارند مواد مصرفی آن ها نیز با یکدیگر متفاوت است. بصورت کلی پرینت های حاصل از دستگاه های سه‌ بعدی در چاپ تنوع رنگ کمتری وجود دارد ولی با توجه به سرعت چاپ، استحکام در تولید محصول مورد نظر و کاهش هزینه باعث شده در صنایع مختلف حتی در بین هنرمندان طرفداران بسیاری پیدا کنند. انواع پرینترهای سه بعدی به شرح زیر هستند:

۱- پرینت سه‌ بعدی SLM

در روش SLM از لیزر برای ذوب پودر فلز جهت تولید قطعه مورد نظر استفاده می کنند. در این روش به دلیل وجود حرارت بالا و احتمال انحراف در زیر فشار پرینت دستگاه، پس از پایان کار قطعه تولید شده را با حرارت پرداخت می‌کنند تا فشارهای احتمالی روی لایه‌ها از بین برود. لازم به ذکر است که در این روش از ترکیب پودر فلزات با یکدیگر قطعه مورد نظر تولید می‌شود.

برخی از شرکت‌های صنعتی از دستگاه SLM سه بعدی جهت ساخت نمونه قطعات فلزی با کیفیت بالا و طراحی پیچیده استفاد‌ه می‌کنند. لازم به ذکر است که با این دستگاه می‌توان اجزای چندگانه مانند چفت و بست ها را ادغام و یک جسم واحد و یکپارچه را تولید کرد که باعث کاهش هزینه‌ها و زمان در مونتاژ قطعه تولیدی می‌شود.از مزایای دیگر استفاده از دستگاه پرینتر سه‌بعدی SLM  می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• تولید طرح های سبک و هندسی پیچیده
• امکان تولید چندین قطعه بطور همزمان
• استفاده از مواد فلزی متنوع

۲- پرینتر سه بعدی فلزی EBM : Electron Beam Melting

یکی از تفاوت‌های عمده این دستگاه با سایر پرینتر‌های سه بعدی فلزی، منبع انرژی است. در واقع منبع انرژی EBM  پرتو الکترون است و برای ایجاد واکنش بین پرتو الکترون و پودرفلزی از موادی رسانا مانند تیتانیوم، کروم کبالت استفاده می‌کنند. کاربرد عمده این نوع از پرینتر‌ها بیشتر در ایمپلنت‌های پزشکی و صنعت هوافضا است. لازم به ذکر است که این تکنولوژی در تولید مواد خام اشباع شده و بازیافت ضایعات تیتانیوم بسیار حائز اهمیت است.

۳- چاپگر فلزی و سه بعدی DED

نقطه قوت این نوع دستگاه علاوه بر تولید، افزودن مواد بکاررفته برای تعمیر قطعات یا پوشش‌دهی است که بیشتر جهت تعمیر توربین‌های آسیب دیده استفاده می‌کنند. چاپگر‌های DED علاوه بر اینکه بسیار گران قیمت هستند؛ باید تکنسین‌های ماهری نیز روی کار دستگاه نظارت داشته باشند. از این پرینتر برای ساخت قطعاتی با پهنای پنج متر استفاده می‌شود که یکی از بزرگترین ابعاد در بین پرینتر‌های سه بعدی است.

نکته مهم در مورد پرینتر‌های مشابه DED این است که؛ در سیستم‌هایی که منبع حرارتی  آن‌ها پرتو الکترون است، فرآیند تولید باید در خلاء انجام بگیرد تا پرتو‌ها به محیط اطراف برخورد نکنند.

مواد مورد استفاده در پرینتر سه بعدی و چهاربعدی نقش مهمی در خروجی قطعه تولید شده دارند. بطور مثال در پرینتر سه بعدی مدل DED علاوه بر استفاده از پودر یا مفتول؛ از مواد پلیمری با فلامنتهای فیبر کربن، قطعات کامپوزیت سبک وزن می‌سازند. این فلامنت‌ها از طریق منبع حرارتی ذوب شده و با یک غلتک فشرده می‌شوند تا حین چاپ لایه‌های مختلف محصول را ایجاد کنند.

۴- پرینتر سه بعدی SLA

SLA مخفف کلمه STEREO LITHOGRAPHY است. در فرآیند تولید این پرینتر از دو مکانیزم استفاده می‌شود. در مکانیزم پایین به بالا؛ لیزر در قسمت زیر تانک قطعه قرار گرفته و ساخت محصول از پایین به بالا انجام می‌شود و زمانی که لیزر در بالای قطعه قرار بگیرد فرآیند تولید از قسمت بالای قطعه شروع می شود. در پرینتر سه بعدی SLA از رزین مایع جهت سخت‌شدن قطعه استفاده می‌کنند و با تابش نور فرابنفش پروسه تولید کامل می‌شود.

به دلیل حساس بودن مواد این دستگاه نسبت به نور، از این پرینترها برای ساخت محصولات مهندسی و نمونه‌های صنعتی حساس استفاده می‌کنند. تنظیمات اولیه این نوع پرینترها توسط شرکت سازنده انجام می‌شود و تنها تغییری که کاربر می‌تواند روی آن اعمال کند جهت‌گیری و ضخامت مدل است.

۵- پرینتر سه بعدی FDM

پرینتر سه بعدی و چهاربعدی نقش مهمی در تولید قطعات خاص در صنایع مختلف دارند ولی اکثر پرینترهای موجود بسیار گرانقیمت هستند و استفاد از آن‌ها برای بیشتر شرکت‌ها صرفه اقتصادی ندارد. یکی از پرینترهای نسل سوم که به راحتی در دسترس کاربران قرار می‌گیرد FDM است. با این که به لحاظ دقت و کیفیت نسبت به مدل‌های دیگر خود در سطح پایین‌تری قرار دارد ولی برای پرینت قطعات پیچیده می‌توان از این دستگاه استفاده کرد.

این پرینترسه بعدی با ذوب کردن پلاستیک و اکسترودر، قطعه مورد نظر را به صورت لایه‌های مختلف تولید می‌کند. رزولوشن این دستگاه بین ۵۰ تا ۴۰۰ میکرومتر است. نحوه کار این پرینتر به این صورت است که، یک رول فلامنت روی پرینتر قرار گرفته و در اثر گرمایی که دستگاه ایجاد می‌کند فلامنت ذوب می‌شود.اکسترودر دستگاه در سه محور X،Y، Z حرکت می‌کند و مواد به صورت رشته‌ای روی سطح مورد نظر قرار می‌گیرد و در آخر قطعه تولیدی با فن دستگاه خشک می‌شود.

۶- پرینتر سه بعدی DLP

در پرینترهای DLP، نور UV به وسیله ویدئو پروژکتور تابیده می‌شود در حالیکه در پرینترهای SLA، نور UV توسط لیزر به قطعه تابیده می‌‎شود. دقت بالای این دستگاه باعث کاهش هزینه‌های تولید و تعمیر شده و این دستگاه را در رده پرینترهای محبوب قرار داده است.

مواد اولیه ای که در DLP مورد استفاده قرار می‌گیرد رزین سرامیکی است که در صنعت پزشکی، دنداپزشکی و جواهرات استفاده می‌شود.

۷- پرینتر سه بعدی SLS

فرآیند تولید در این دستگاه از طریق ذوب ذرات پودر پلیمر ایجاد می‌شود.  SLS با وجود سرعت بالای تولید، دقت متوسطی دارد. قدرت و دقت این دستگاه در تولید نسبت به FDM و SLA بیشتر است ولی توانایی تولید قطعات را در تیراژ بالا ندارد و در بسیاری موارد تولید بالای یک محصول برای پرینتر سه بعدی و چهاربعدی می‌تواند حائز اهمیت باشد.

مواد مصرفی پرینتر سه بعدی و چهاربعدی

هر پرینتر سه بعدی و چهاربعدی براساس قطعه تولیدی، از مواد خاصی استفاده می‌کند. یکی از این مواد اولیه در پرینتر‌های سه بعدی فلامنت‌ها هستند. فلامنت‌ها با حرارت ذوب می‌شوند و با سرد شدن بلافاصله شکل جامد می‌گیرند. این مواد ارزان قیمت بسیار مقاوم و انعطاف‌پذیر است. از فلامنت‌ها برای تولید قطعاتی استفاده می‌کنند که در معرض فشار و استهلاک هستند و برای رسیدن به نقطه ذوب نیاز به دمای بسیار بالایی دارند. البته قابل ذکر است که هنگام ذوب این مواد بخار و گاز‌های سمی تولید می‌شود که روی محیط زیست تأثیر منفی می‌گذارد.

در پرینتر‌های چهاربعدی به دلیل تولید قطعات خاص از مواد هوشمندی مانند هیدروژل یا پلیمر‌های حافظه دار استفاده می‌کنند تا قطعه مورد نظر بعد از تولید نیز طبق برنامه‌ریزی مشخصی قابل تغییر باشد. هیدروژل‌ها مقدار زیادی آب را در خود ذخیره می‌کنند و در اثر محرک‌های خارجی منقبض یا منبسط می‌شوند و از این طریق تغییر شکل قطعه تولید شده، صورت می‌گیرد. با وجود اینکه از پرینتر سه بعدی و چهاربعدی در صنایع مشابهی استفاده می‌شود نیاز به ساخت قطعات سازگار با محیط و پیچیده باعث شده تا فناوری پرینتر‌های چهاربعدی روز به روز رشد بیشتری داشته باشد.

فناوری چاپ چهاربعدی 

پرینترسه بعدی و چهاربعدی هر دو  برپایه تکنولوژی تولید لایه به لایه ساخته شده اند.  با این تفاوت که پرینترهای چهاربعدی از مواد خاصی برای طراحی های پیچیده استفاده می کند. مواد هوشمند مورد استفاده در پرینترهای نسل جدید قادر به مونتاژ و برنامه ریزی مجدد خود هستند به این صورت که ساختارهای ساده را می توان بصورت چهاربعدی پرینت گرفت تا براساس شرایط محیطی و عوامل خارجی بصورت پیچیده تغییر کند.

بطور مثال بسیاری از مواد ساخته شده زمانی که در معرض آب یا تابش نورخورشید قرار می‌گیرند بدون برنامه‌ریزی تغییر می‌کنند و کارایی اولیه خود را ازدست می‌دهند. پرینتر‌های چهاربعدی این موقعیت را برای صنایع مختلف فراهم کرده‌اند تا از محرک‌های خارجی که پیشتر از آن‌ها نام بردیم به منظوربهینه‌سازی قطعات تولیدی استفاده کنند.

مؤسسات و دانشگاه‌های بسیاری در حال حاضر روی این تکنولوژی در حال تحقیق گسترده‌ای هستند. برخی از محققان بر این باورند که استفاده از این پرینتر می‌تواند در تمامی حوزه‌ها تحول شگرفی ایجاد کند. بطور مثال استفاده از پرینتر‌های چهاربعدی در صنایع  پوشاک، می‌تواند باعث تولید لباس‌هایی شود که با شرایط آب و هوایی تغییر کند.

در مثالی دیگر می‌توان کاربرد این پرینتر‌ها را در علم پزشکی در نظر گرفت که می‌تواند باعث نجات بسیاری از بیماران از مرگ شود. تولید رزین مایع قابل پرینت، که با استفاده از نور، پخته شده و دارای ترکیباتی مانند اکریلات اکسید شده روغن سویا است، قادر خواهد بود مانند داربست استخوانی عمل کرده و باعث رشد سلول‌های بنیادین در استخوان‌ها شود.

سخن پایانی

تکنولوژی هر روز در حال پیشرفت و بروزرسانی است. یکی از این دستاوردهای اخیر که بسیاری از صنایع را تحت تاثیر قرار داده ؛ ساخت پرینترهای سه بعدی و چهاربعدی است. این فناوری در صنایع مختلفی مانند پزشکی، مهندسی زیست محیطی و نظامی می‌تواند تحول بزرگی ایجاد کند و مکمل خوبی برای پرینترهای نسل قبل خود باشد.

منبع: پیوست

   ” اقتصادالکترونیکی” آخرین و به روزترین محتوی در اقتصاددیجیتال