شروعی حقیرانه و امیدهایی جاه طلبانه؛ مروری بر تاریخچه پرینت سه بعدی

پرینت سه بعدی با محوریت مصرف کنندگان در سال های اخیر پیشرفت های قابل ملاحظه ای را تجربه کرده است و با وجود آنکه روند فعلی گرایش کاربران به آن می تواند نگران کننده باشد، به مردم عادی قدرت تولید داده است.

مفهوم تولید سه بعدی آنطور که تصور می شود اما تازگی ندارد و در اوایل دهه 1800 میلادی، متدهای مختلفی برای عملیاتی کردن این ایده به کار گرفته شد.

از دهه 1950 میلادی تا اوایل شکوفایی عصر پرینت سه بعدی، این فناوری به خاطر هزینه های بالایش صرفا مصارف صنعتی و تجربی داشت اما زمانی که پروژه RepRap به صورت اپن سورس در آمد و MakerBot هم بازار محصولات مصرفی را با دستگاه های مقرون به صرفه خود هدف قرار داد، اوضاع شروع به تغییر کرد.

در ادامه این مطلب قصد داریم نگاهی بیاندازیم به برخی از پیشرفته ترین دستاوردها در حوزه پرینت سه بعدی و روند پیشرفت این تکنولوژی در سال های اخیر. با دیجیاتو همراه باشید.

در دایره

در زمان های دور، یعنی سال 1860 میلادی، نوعی فناوری «پرینت» سه بعدی مورد استفاده قرار می گرفت که از آن تحت عنوان «فوتواسکالپچر» یاد می شد و توسط فرانسوا ویلیامز ابداع گردید.

این مخترع حتی از اختراع خود کسب و کاری پر رونق را راه انداخت و تا سال ها از آن پول در می آورد. در این روش، مشتریان در مرکز یک ساختمان دایره ای شکل که در احاطه 24 دستگاه دوربین قرار داشت می ایستادند.

هر کدام از آن دوربین ها که در داخل یک مجسمه تعبیه شده بودند یک بیست و چهارم از بدن فرد را اسکن می کردند و سپس آن قسمت روی ماده ای تراش داده می شد. حاصل کار با اندکی دستکاری و بهینه سازی چندان هم بد از آب در نمی آمد.

در سال 1977 میلادی، نسخه ای پیشرفته تر از این روش توسط شرکتی به نام Solid Photography در نیویورک مورد استفاده قرار گرفت. در آن روش از نوارهای افقی نوری برای تشخیص خط و خطوط و انحنای سوژه ها استفاده می شد و سپس آن خطوط به صورت برش هایی دایره ای شکل آماده می شدند.

این شرکت بعدها نامش را به  Robotic Vision Systems تغییر داد و تا سال های سال به فعالیتش ادامه داد.

اکسپوژر

فرایند تولید افزایشی Otto John Munz که در سال 1951 میلادی اطلاعات مربوط به پتنت آن تسلیم نهادهای قانونی شد و 5 سال بعد به ثبت رسید از لایه های پی در پی امولسیون برای ایجاد کپی اشیاء مختلف استفاده می کرد.

در مرحله بعدی لایه های باریک امولسیون نیمه شفاف در نقاط مختلف در معرض شرایط قرار داده می شدند و این فرایند مرتبا تکرار می شد تا بیس اصلی آن ساخته شود. نتیجه نهایی شکلی ثابت و سه بعدی از سوژه بود که بدنه ای مات داشت و در داخل یک استوانه شفاف جای گرفته بود که می شد آن را تراشید یا اینکه با استفاده از مواد شیمیایی از روی شی داخلی برداشت.

روش ذوب سه بعدی

روش ذوب سه بعدی Ross F. Housholder که پتنت آن در سال 1979 میلادی تسلیم مراجع قانونی مربوطه شد و در سال 1981 میلادی مورد قبول واقع شد یکی از نخستین تعاریف برای فرایند پخت پودری-لیزری است.

در آن زمان روش های مختلفی برای قرار دادن مواد روی هم پیشنهاد داده شد که از آن جلمه می توان به کاربرد لیزر برای قرار دادن افزایشی لایه های مختلف مواد گداختی روی هم اشاره نمود. در حین این فرایند لایه تازه ای از پودر روی آن مواد کشیده می شد و فرایند تکرار می گردید تا شی نهایی ساخته شود و در پایان هم مواد اضافی از روی شی سه بعدی برداشته می شد.

نمونه سازی سریع

حدودا در سال 1968 میلادی، Wyn Swainson از دانمارک روی پروسه تولید خود به نام Solid Freeform Fabrication کار می کرد که در آن نوعی پلیمر در محل تقاطع پرتوی خروجی از دو لیزر محکم می شد. او کمی بعد شرکتی به نام  Formigraphic Engine را تاسیس کرد اما نتوانست این فرایند را تجاری سازی نماید.

در اوایل دهه 80 میلادی، هم  Hideo Kodama از مرکز تحقیقات صنعتی ناگویا در ژاپن و هم آلن هربرت از شرکت 3M روی متدهایی برای تولید سریع نمونه های اولیه کار کردند که شامل فوتوپلیمرها می شد اما هیچکدام از این دو نفر تحقیقات خود را ادامه ندادند.

در سال 1984 میلادی، چارلز هال درخواست ثبت پتنتی برای فرایند استریولیتوگرافی (SLA) را به ثبت رساند. در این روش، مواد پلیمری با استفاده از لیزرهای فرابنفش سخت می شدند. در سال 1986 که پتنت وی به ثبت رسید، او شرکت 3D Systems را تاسیس کرد و ظرف تنها دو سال از آن زمان به بعد، این کمپانی نخستین سری از دستگاه های SLA-1 خود را با قیمت بیش از 100 هزار دلار به بازار عرضه کرد.

صنعت

ظرف سال های آینده، تعداد زیادی از شرکت ها کار توسعه و ثبت پتنت روش های مختلف برای پرینت سه بعدی را آغاز کردند اما همه آنها مقیاس صنعتی داشتند و دست کم قیمتشان که اینطور نشان می داد. نام هایی نظیر 3D Systems، Stratasys، Solidscape، Z Corporation و  Objet Geometries تنها شماری از شرکت های فعال در این حوزه بودند و بسیاری از آنها بعدها با یکدیگر ادغام شدند.

در سال 2012 میلادی، شرکت Stratasys هم  Solidscape و Objet را خریداری کرد و 3D Systems هم در پاسخ به این اقدام Z Corporation را خریداری نمود.

 پرینترهایی که مانند خود را می ساختند

دستگاه RepRap (کوتاه شده عبارت Replicating Rapid-prototyper به معنای نمونه ساز سریع تکرار شونده) حاصل ذهن آدریان بویر، مهندس و ریاضیدانی بود که همزمان در دانشگاه Bath انگلستان نیز تدریس می کرد.

این ایده به ساخت یک پرینتر سه بعدی مقرون به صرفه مربوط می شد که می توانست مانند خودش را بسازد و بسیاری از قطعات مورد نیاز برای آن را نیز تولید کند.

مدل نخست داروین نام داشت که موفق شد نمونه ای کوچک شده (دست کم اغلب قطعات پلاستیکی اش) را در سال 2008 بسازد. این پروژه در ادامه به صورت اپن سورس در آمد تا دیگران هم بتوانند ایده های خود را روی آن عملیاتی نمایند.

کاپ کیک

یکی از شناخته شده ترین اسامی در حوزه پرینت سه بعدی مصرفی شرکتی به نام MakerBot Industries است که دفتر اصلی اش هم در بروکلین واقع شده و در سال 2009 میلادی فروش دستگاه هایی با قیمت زیر 2000 دلار را آغاز کرد (صرفا برای اطلاع تان باید بگوییم که شرکت 3D Systems همان سال ارزان ترین مدل خود را در ازای دریافت 9900 دلار عرضه کرد).

همان سال شرکت MakerBot توسط (از چپ به راست) آدام میر، زاک اشمیت (از اعضای بنیاد تحقیقات RepRap برای حمایت از تحقیق حوزه پرینت سه بعدی) و برو پتیس راه اندازی شد.

نخستین محصول این شرکت از آن تحت عنوان Cupcake یاد می شود، کسب و کار آن را روی غلطک انداخت و کمی بعد مدل Thing-O-Matic و  Replicator جای آن را گرفتند. در سال 2013 میلادی، این شرکت توسط Stratasys خریداری شد تا محصولاتش به بازار مصرف کنندگان راه پیدا کند.

 شن و خورشید

پرینت سه بعدی توسط مشتریان و مصرف کنندگان در سال های نخست با اقبال زیادی روبرو گردید و این گرایش در نهایت به ارائه طرح های مقرون به صرفه، منعطف و بعضا تجربی انجامید. در سال 2011 میلادی، مارکوس کیسر ضمن ادامه تحصیل در کالج سلطنتی هنر، Solar Sinter را ساخت.

این دستگاه از انرژی و مواد طبیعی و پایدار برای فعالیت هایش بهره می گرفت و اشیاء سه بعدی خود را با استفاده از حرارت خورشید و شن می ساخت و در نهایت اجسامی شیشه ای و بسیار زیبا را به کاربرانش تحویل می داد.

پرینت سه بعدی در صنعت فیلم

شرکتی به نام لایکا که در زمینه ساخت انیمیشن به روش استاپ موشن فعالیت می کند برای آنکه حالات چهره کاراکترهای مورد استفاده در انیمیشن های خود را تنوع ببخشد شروع به استفاده از پرینترهای سه بعدی کرد.

این شرکت برای عرضه مجموعه کورالاین در سال 2009 میلادی، پرینتره 110 هزار دلاری Objet PolyJet را برای تولید سریع حالات متنوع چهره شخیت های خود استفاده نمود که البته باید بعد از ساخته شدن رنگ می شدند.

لایکا در سال 2012 میلادی برای تولید فیلم پارانورمن نیز از همین دستگاه ها بهره گرفت و این بار فرایندهای کاری خود را یک سطح بالاتر برد و برای تولید قطعات مورد نیاز خود از پرینتر  Z Corp 650 (که حالا بخشی از  3D Systems است) بهره گرفت که خروجی های رنگی را در اختیارشان قرار می داد.

ابرسازه ها

دستگیره های در، قلاب و لوازم تزئینی کوچک همه و همه مواردی هستند که توسط پرینترهای سه بعدی تولید می شوند اما برخی هم تجربه ساخت اشیاء با مقیاس واقعی را از طریق این دستگاه ها پشت سر می گذارند.

BigRep One با حجم ساخت 45 در 39 در 47 اینچ خود به این تجربه رنگ واقعیت می بخشد. صندلی، میز و قطعات حوزه معماری و طراحی داخلی از جمله مواردی هستند که با استفاده از این دستگاه با ابعادی واقعی تولید می شوند و خود پرینتر هم با قیمت منطقی 39 هزار دلار به فروش می رود.

این دستگاه می تواند با پلاستیم معمولی هم کارش را انجام دهد اما می توان آن را به گونه ای تنظیم کرد که ترکیبی از فیبرهای چوبی و پلیمر را مورد استفاده قرار دهد.

حفظ محیط زیست

در اغلب پرینترهای سه بعدی از پلاستیک به عنوان ماده اصلی استفاده می شود اما ضایعات این ماده معمولا بسیار زیاد و زیان بار است و خوشبختانه تولید کنندگان نیز با در نظر داشتن همین مساله دست به کار تولید دستگاه هایی شده اند که قابلیت بازیافت دارند.

یکی از شناخته شده ترین این دستگاه ها Ekocycle نام دارد که با حمایت مالی  will.i.am و کوکاکولا بر پایه پرینتر Cube 3 شرکت 3D Systems ساخته شده است. مواد به کار رفته در کارتریج های این پرینتر حاوی 25 درصد مواد بازیافتی است.

برخی از شرکت ها نظیر Filabot در کنار دستگاه های تولیدی خود خردکن هایی را هم ارائه می دهند که برای آماده سازی انواع مختلف پلاستیک مورد استفاده قرار می گیرند.

ایده ناسا

صنعت هوا و فضا از جمله حامیان اصلی پرینت سه بعدی بوده است و ناسا یکی از سازمان هایی است که کار تولید افزایشی محصولات خود با استفاده از این روش را برای صرفه جویی هرچه بیشتر در هزینه ها و بالا بردن بهره وری اش آغاز کرده است.

پرینترهای مورد استفاده این سازمان از روش های مختلفی نظیر ذوب لیزری انتخابی (SLM) بهره می گیرند که امکان ساخت قطعات سخت و مکم را به آنها می دهد. ناسا موفق شده با استفاده از این روش، پیچیدگی قطعات موتورهای مورد استفاده خود را تا حدود زیادی کاهش دهد و در عین حال زمان تولید آنها را نیز کم کند.

ایستگاه فضایی بین المللی نیز از پرینترهای پلاستیکی معمولی در مدار زمین بهره می گیرد  و قصد دارد در جاذبه صفر پرینت سه بعدی را امتحان کند.