چاپ سه بعدی (three-dimensional printing یا 3D printing) به مجموعه‌ای از فرآیندها گفته می‌شود که مواد به صورت کنترل شده‌ای به هم پیوند می‌خورد تا یکشی سه بعدی تولید گردد. این کار معمولاً به صورت لایه لایه انجام می‌گیرد. به عبارتی دیگر می‌توان گفت چاپ سه بعدی به فرآیندی گویند که در آن با قرارگیریِ پی درپیِ لایه‌هایی به روی هم، در یک سطح مقطع دو بعدی، اشیائی سه بعدی تولید می‌گردد. این فرایند همانند رویدادی در انواع دیگر چاپ می‌باشد که با استفاده از تراوش مرکب یا جوهر بر روی کاغذ رخ می‌دهد. لازم به توضیح است در چاپ 3 بعدی این اتفاق با استفاده از تبلور، سفت شدن یا انقیاد یک مادهٔ مایع یا پودری در هر نقطه از مقاطعِ عرضیِ آن جسم مد نظر رخ می‌دهد. در چنین فرایندی وجود رایانه یک ضرورت می‌باشد، زیرا پایه و اساس طراحی آن به کمک رایانه می‌باشد. در کل چاپ 3 بعدی همان چاپ 2 بعدی می‌باشد که در دفعات متعددی تکرار می‌شود. گفتنی است در چاپ روی کاغذ، چاپگر فقط یک لایه دو بعدی از حروف و کلمات را روی کاغذ می نشاند اما در چاپ 3 بعدی، لایه‌های متعددی روی هم قرار می‌گیرند تا به شکل مورد نظر و با ضخامت مورد نظر دست یابند همانند چیدن دیوار آجری. در فن آوری چاپ 3 بعدی با کمک یک نازل، مواد چسبنده یا رزین را بر روی پودرها می‌پاشند و با تکرار این کار به صورت لایه به لایه به شکل مورد نظر می‌رسند. اصطلاح اصلی این روش، تولید افزایشی یا ساخت افزایشی (Additive Manufacturing) می‌باشد.
تاریخچهٔ چاپ 3 بعدی:
در سال ۱۹۸۰ میلادی، اولین فن آوری چاپ 3 بعدی مشاهده شد. اولین بار این فن آوری توسط فردی ژاپنی به نام «کوداما» ثبت گردید. این فن آوری در آن زمان «نمونه سازی فوری» نامیده می‌شد، که علتش این دلیل بود که در واقع این فن آوری برای ساخت سریع و کم‌هزینهٔ نمونهٔ اولیه برای یک تولید انبوه طراحی گشته بود. سپس در سال ۱۹۸۶ میلادی «چالرز هل» دستگاه استریولیتوگرافی را ثبت نمود. در سال ۱۹۸۷ میلادی، «کارل دکارد» در دانشگاه تگزاس، فرایند نمونه سازی فوری با پخت لیزری قابل انتخاب را با نام خود ثبت کرد. اصطلاح «چاپ 3 بعدی» یا 3DP، توسط دانشمندان دانشگاه ام.آی.تی در سال ۱۹۹۳ میلادی (۱۳۷۲ شمسی) ثبت اختراع گردید.
عناوین مراحل چاپ 3 بعدی:
گرچه برای چاپ 3 بعدی روش‌های مختلفی وجود دارد، اما مراحل اصلی همهٔ آنها مشترک و به شرح ذیل است:
- ساخت فایل 3 بعدی در رایانه به کمک نرم افزارهای مدل‌سازی 3 بعدی یا CAD.
- ساخت مدل با فرمت اس‌تی‌ال برای معرفی مدل به چاپگر.
- چاپ مدل یا قطعهٔ مدل مدنظر.
- جدا کردن قطعهٔ چاپ شده طی یک فرایند کاملاً فنی و دقیق.
- پس پردازش (Post-Processing) یا مرحلهٔ پس‌تولید در فناوری‌های مختلف زیر اشعهٔ فرابنفش.
شرح مراحل تولید یک محصول به روش چاپ 3 بعدی:
برای آنکه یک مدل سه بعدی از چیزی که در ذهن وجود دارد ساخته شود لازم است یا یک مدل آماده تهیه شود و این مدل به زبان دستگاه چاپگر 3 بعدی ترجمه گردد. دستگاه هم با زبانی که با آن ارتباط برقرار می‌شود در می‌یابد که چه چیزی باید بسازد و پس از ساخت آن را تحویل خواهد داد.
- روش تهیه مدل 3 بعدی: برای تهیه مدل سه بعدی دو راه وجود دارد. اول آنکه می‌توان در سایت‌هایی مثل Thingiverse یا Myminifactory مدل مورد نظر خود را یافت و به صورت رایگان دانلود یا خریداری نمود. چنانچه چیزی پسند نشد می‌توان با استفاده از نرم افزارهای طراحی مدل 3 بعدی مثل SOLIDWORKS، CATIA یا نرم‌افزارهای ساده‌تری مثل Google Sketch Up مدل خود را طراحی نمود و یا از خدمات یک متخصص طراحی 3 بعدی برای این کار استفاده کرد.
- ترجمه مدل به زبان دستگاه: پس از آن که مدل طراحی شد، لازم است یک خروجی که معمولاً با فرمت. STL می‌باشد دریافت گردد و در نرم افزار مخصوص چاپ 3 بعدی اصلاح گردد. این نرم افزارها را اسلایسر یا Slicer گویند. با کمک این نرم افزارها می‌توان مشاهده کرد که چاپ مدل چگونه خواهد بود و کجای مدل اشکال دارد تا مشکلات برطرف گردد. مثلاً این احتمال وجود دارد که ضخامت بخشی از مدل کمتر از حدی باشد که چاپگر بتواند چاپ کند. گفتنی است اغلب چاپگرهای موجود در بازار نمی‌توانند زیر ۱۰۰ میکرون را چاپ کنند و ضخامت کمتر از این حد می‌تواند مشکل آفرین باشد. در نهایت این نرم افزار قادر است مدل 3 بعدی را به زبان مخصوص دستگاه ترجمه کند. لازم به ذکر است این زبان به طور معمول G-code می‌باشد و آن را برای شروع کار به دستگاه می‌فرستد. این زبان اینگونه کار می‌کند که مثلاً به دستگاه می‌گوید ۲۰ سانتی متر به جلو حرکت کند و مواد را تزریق کند، ۲۰ سانتی متر به چپ برود و یک لایه به بالا برود و …. البته شایان ذکر است طرز کار این زبان کمی پیچیده‌تر از چیزی است که گفته شد.
- ساخت مدل سه بعدی: با توجه به دستوراتی که در G-code وجود دارد، دستگاه چاپ 3 بعدی مدل مورد نظر را تولید می‌کند. گفتنی است این تولید وابستگی زیادی به مهارت نیروی انسانی دارد. یعنی چنانچه بهترین مدل طراحی شود اما ممکن است در بخش چاپ باز هم به مشکل بخورد. این همان مشکلی است که در اکثر تبلیغات بازگو نمی‌شود زیرا این تمایل وجود دارد که نشان داده شود چاپگرهای 3 بعدی مثل چاپگرهای کاغذی معمولی کار می‌کنند و تنها کافی است که مدل به آنها داده شود و باقی کار با چاپگر خواهد بود. در کنار همه این موارد، برای چاپ محصول می‌تواند از خدمات سایت‌هایی مثل dfast 3 که مشابه ایرانی سایت‌هایی مثل dhubs 3 می‌باشد استفاده کرد. مزیت استفاده از این روش این است که فرد از درد سرهای کار با چاپگرهای 3 بعدی خلاص می‌شود.
مراحل پس از چاپ و تولید محصول:
پس از تولید محصول، می‌توان به راحتی از آن استفاده کرد اما از آنجایی که دقت این دستگاه‌ها اکثراً در حد چند صد میکرون می‌باشد، با چشم غیر مسلح لایه‌های مدل ساخته شده دیده می‌شود. چنانچه برای فردی دقت و زیبایی سطح مهم باشد لازم است سطح مدل پردازش یا Finish گردد. برای اجرای چنین کاری روش‌های گوناگونی وجود دارد نظیر استفاده از مواد شیمیایی برای یک دست کردن سطح و یا استفاده از سمباده و سوهان و روش‌های دیگر. از محصولات تولیدی می‌توان به صورت مستقیم و با پردازش استفاده نمود و یا از آن به عنوان مدلی برای ساخت قالب ریخته گری بهره گرفت. چرا ما به چاپرهای سه بعدی نیاز داریم و این فن آوری چه تفاوتی با دیگر روش‌های ساخت دارد. اگر روش چاپ 3 بعدی را با روش‌های دیگر تولید نظیر ریخته گری، شکل دهی، ماشین کاری، پرس و … مقایسه کنیم آنگاه می‌توانیم نقاط قوت و ضعف چاپگرهای 3 بعدی را بهتر درک نماییم.
نقاط قوت این فن آوری:
- سرعت بالای تولید: بر خلاف روش‌هایی مثل ریخته گری، در چاپگرهای 3 بعدی نیازی به قالب سازی و تغییر کل فرآیند برای هر محصول جدید وجود ندارد و فقط با ساخت یک مدل 3 بعدی می‌توان کار تولید را شروع نمود.
- دور ریز کمتر: در چاپ های 3 بعدی از آنجایی که این کار از صفر شروع می‌شود و لایه به لایه اجرا می‌شود، نسبت به روش‌های دیگر مثل ماشین کاری دور ریز بسیار کم‌تری دارد. کار از یک حجم بزرگ شروع می‌شود تا به شکل مورد نظر برسد.
- هزینه کمتر: با توجه به تمامی موارد فوق الذکر، هزینه تولید در مقیاس پایین نسبت به دیگر روش‌ها کمتر خواهد بود.
- امکان تولید شکل‌های پیچیده: امکان تولید محصولات و حجم‌های بسیار پیچیده که امکان ساخت آنها با دیگر روش‌ها میسر نیست در روش چاپ 3 بعدی وجود دارد.
- امکان تولید حجم‌های پیچیده با فن آوری چاپ سه بعدی.
نقاط ضعف چاپ 3 بعدی:
- عدم تولید در تیراژ بالا: استفاده از چاپ 3 بعدی برای تولید در تعداد بالا مقرون به صرفه نمی‌باشد و نسبت به روش‌های دیگر هزینه و زمان بسیار زیادی می‌گیرد.
- عدم تنوع در موارد قابل تولید: با وجود پیشرفت‌های بسیار زیاد در این فن آوری، هنوز بسیاری از مواد قابلیت استفاده در تولید با چاپ 3 بعدی را ندارند و این یک مشکل بزرگ محسوب می‌شود. به عنوان نمونه اکثر آلیاژهای فلزی به دلیل نقطه ذوب بالا امکان تولید به روش چاپ 3 بعدی را ندارند.
- عدم امکان تولید محصولات با ابعاد بزرگ: در اکثر موارد با چاپگرهای 3 بعدی، تولید محصولات با ابعاد بزرگ امکان پذیر نیست و یا با محدودیت‌های فراوانی روبه رو می‌باشد.
- نیاز به داشتن مهارت بالا و سعی و خطا: این فن آوری در نگاه اول بسیار ساده تصور می‌شود زیرا تبلیغات گسترده، آن را به عنوان یک روش تولید بسیار ساده و به اصطلاح «پلاگ اند پلی» نشان می‌دهند. چنین چیزی باعث افزایش سطح انتظار افراد برای استفاده از این چاپگرها می‌گردد. البته این مشکل مربوط به به شرکت‌های تولید کننده چاپگرهای 3 بعدی می‌باشد و نه مربوط به خود فن آوری. این انتظار می‌رود بخشی از این مشکلات با پیشرفت این فن آوری حل شود. اما امروزه این وضعیت برای فن آوری چاپ 3 بعدی برقرار است.
استفاده از چاپ 3 بعدی در حوزه‌های گوناگون:
- حوزه هوافضا: توسط این فناوری، محققان می‌توانند ایده‌های خود را به راحتی تصویرسازی کرده و تحقیقات خود دربارهٔ فضای ماوراء جو زمین کامل نمایند. توسط فناوری چاپ 3 بعدی، مهندسان هوافضا قادر به ساخت تجهیزات، دستگاه‌ها و قطعات یدکی هواپیما به صورت یکپارچه و مستحکم هستند، به گونه‌ای که دیگر نیاز به مونتاژ چندین قطعه روی هم نیست.
- حوزه معماری: با چاپ 3 بعدی امکان ساخت سریع جزئیات ساختمان، مدل‌ها و ماکت‌های بادوام میسر شده است.
- حوزه خودروسازی: در این حوزه مهندسان می‌توانند از طریق چاپ 3 بعدی نمونهٔ قطعات با حجم کم را تولید و از اشتباهات مکرر جلوگیری کنند.
- حوزه قطعات صنعتی: در این زمینه با استفاده از چاپ 3 بعدی، می‌توان سفارش‌های سریع قطعات با ساختار پیچیده را با تمام جزئیات بررسی کرده و نواقص را رفع نمود.
- حوزه تجهیزات نظامی: مدل سازی و ماکت سازی طرح اولیه تجهیزات نظامی بسیار پیچیده و حساس است، که با استفاده از چاپگرهای 3 بعدی، می‌توان هر نوع قطعه‌ای را چاپ نمود. از چاپگرهای 3 بعدی در طراحی‌های صنعتی می‌تواند به عنوان پیش ساز قطعات استفاده کرد.
- حوزه تجهیزات پزشکی: در این حوزه از چاپگرهای 3 بعدی می‌توان برای تولید تجهیزات پزشکی و طراحی‌های دقیق آنها، تولید اندام‌های مصنوعی بهره گرفت. امروزه از «زیست چاپ 3 بعدی» برای تولید ساختارهای زیستی، نظیر بافت‌ها و اعضای بدن، استفاده می‌گردد که در آن اعضا و نسوجِ حاصل از فناوری زیست‌چاپ 3 بعدی به کمک سلول‌های بنیادی، در خدمت پزشکی ترمیمی قرار می‌گیرند. این فن آوری به بیماری که نیاز به پیوند اعضا دارند کمک فراوانی می‌کند.
- حوزه هنر: در سال ۲۰۰۵، استفاده از چاپگرهای 3 بعدی در رشته‌های هنری آغاز شد و به مرور از آنها در تولید کالاهای اختصاصی مانند قاب‌های دلخواه موبایل، عروسک، مجسمه و شکلات‌های سه بعدی بهره گرفته شد.
