چاپ سه بعدی شامل مجموعه‌ای از فرآیندها است که مواد به‌صورت کنترل‌شده‌ای به یکدیگر پیوند داده می‌شود تا یک شی سه‌بعدی ساخته شود. معمولاً این کار به‌صورت لایه‌لایه انجام می‌شود. در تعریفی دیگر، چاپ سه‌بعدی هر فرایندی را گویند که در آن با قرارگیریِ پی‌درپیِ لایه‌هایی به روی یکدیگر، در یک سطح‌مقطع دوبعدی، اشیائی سه‌بعدی ساخته می‌شود. این فرایند نظیر همان رویدادی است که با پاششِ مرکب یا جوهر بر روی کاغذ در انواع دیگر چاپ سراغ داریم؛ با این تفاوت که در چاپ سه‌بعدی این اتفاق با تبلور، سفت‌شدن یا انقیاد یک مادهٔ مایع یا پودرمانند در هر نقطه از مقاطعِ عرضیِ آن جسمی که می‌خواهیم چاپش کنیم می‌افتد. وجود رایانه در چنین فرایندی یک ضرورت است، چراکه پایه و اساس آن بر طراحی به کمک رایانه استوار است.
تاریخچه پرینت سه بعدی
اولین فناوری چاپ سه‌بعدی در سال ۱۹۸۰ میلادی مشاهده شد. دکتر کودامای با ملیت ژاپنی اولین بار این فناوری را به نام خود ثبت کرد. در آن زمان این فناوری نمونه‌سازی فوری خوانده می‌شد، این نام‌گذاری به این دلیل بود که این فناوری در واقع برای ساخت سریع و کم هزینه نمونه اولیه برای یک تولید انبوه طراحی شده بود.
سپس چالز چاک هال در سال ۱۹۸۶ میلادی دستگاه استریولیتوگرافی را به نام خود ثبت کرد. البته هال دستگاه خود را در سال ۱۹۸۳ اختراع کرده بود (هال بعدها گفت که اختراعش از تلاش برای حل یک مشکل شروع شد: اولین بار در سال 1983 ایدۀ چاپ قطعات سه بعدی به ذهن چاک هال خطور کرد، در شرکتی حوزه صنعت مبلمان کار میکرد که برای سخت کردن پوشش روی میزها از نور UV استفاده می کردند.
او در طول کار مجبور بود نمونه‌های پلاستیکی را از طریق نوعی قالب‌گیری تولید کند که خودش آن را فرایندی واقعا خسته کننده توصیف میکرد. او با در نظر گرفتن زمان و تلاش لازم برای این کار، به دنبال راهی بود که روند کاری خود را ساده تر و سریع تر کند) منبع. چاک هال بعد از ثبت اختراع در حال تأسیس و جذب سرمایه گذار برای شرکت 3 Systems بود که در آن زمان به نام RP Systems شناخته می‌شد و هم‌اکنون نیز یکی از بزرگترین فعالان حوزه چاپ سه‌بعدی است.
آنجا بود که اولین نمونه این دستگاه را با نام SLA-1 ساخت و در سال ۱۹۸۷ میلادی آن را معرفی کرد و در سال ۱۹۸۸ به اولین تست موفق دست پیدا کرد.
در همان زمان‌ها کارل دکارد که در دانشگاه تگزاس مشغول بود در سال ۱۹۸۷ فرایند نمونه‌سازی فوری با پخت لیزری قابل انتخاب را با نام خود پر کرد. این ثبت اختراع در سال ۱۹۸۹ میلادی صادر شد و بعد از آن مجوزش به DTM Inc. داده شد و بعدها توسط 3D Systems خریداری شد.
در همان سال ۱۹۸۹ میلادی اسکات کرامپ، یکی از مؤسسان Stratasys Inc ثبت اختراع دستگاه مدل‌سازی لایه‌های مذاب را اعلام کرد و آن را به کمپانی اختصاص داد. البته این فناوری هم‌اکنون به‌صورت مدل متن باز RepRap بسیار فعال است.
اصطلاح چاپ سه بعدی اختصارا 3DP نخست به فرایند ویژه‌ای تخصیص یافت که توسط دانشمندان دانشگاه ام‌آی‌تی در سال ۱۹۹۳ ثبت اختراع شد و سپس طی قراردادهایی اجازه آن به کارخانه‌داران زیادی واگذار شد. امروزه این اصطلاح به مثابه یک عنوان عام برای شماری از فرایندهای مرتبط نیز استفاده می‌شود.
مواردی که در بالا به آن‌ها اشاره شد بخشی از مهم‌ترین فعالیت‌ها در تاریخ حوزه چاپ سه‌بعدی بود که هم‌اکنون این فناوری را به مکانی که هست رسانیده. به‌غیر از موارد بالا اتفاقات دیگری نیز در این حوزه رخ داده‌است.
مراحل چاپ سه بعدی
با اینکه روش‌های مختلفی برای چاپ سه بعدی وجود دارد، اما مراحل اصلی همه آن‌ها مشترک است:
۱. ساخت فایل سه بعدی: اولین مرحله در چاپ سه‌بعدی ساخت مدل سه‌بعدی آن در رایانه است. این کار به کمک تمامی نرم‌افزارهای مدل‌سازی سه‌بعدی مرسوم یا CAD انجام می‌شود. از مهندسی معکوس و اسکن سه بعدی قطعه‌ای که موجود است نیز در بعضی موارد می‌توان استفاده کرد.
۲. ساخت فایل STL مدل: برای اینکه چاپگر سه بعدی، بتواند مدل سه بعدی طراحی‌شده را شناسایی کند، فرمت CAD این مدل باید تبدیل به فرمتی شود که برای چاپگر 3 بعدی قابل خواندن باشد؛ برای این منظور، فایل باید تبدیل به فرمت اس‌تی‌ال شود. فرمت‌های 3DP و OBJ نیز با محبوبیت کمتری کاربرد دارند. فرمت اس‌تی‌ال برای معرفی مدل به چاپگر از چندوجهی‌ها یا مثلث‌ها استفاده می‌کند.
پس از ساخت فایل اس‌تی‌ال، آن را داخل یک برنامه ـ که عمل لایه‌گذاری فایل را انجام می‌دهد و Slicerنامیده می‌شود در اصطلاح، Import یا واردسازی می‌کنیم. برنامه اسلایسر مدل را می‌گیرد و آن را تبدیل به G-code می‌کند. جی کد زبان برنامه نویسی دستگاه‌های سی ان سی و چاپگرهای سه بعدی است.
۳. چاپ مدل: دستگاه‌های مختلف وجود دارند که هر کدام با سازکارهای مختلفی قطعه مدل را چاپ می‌کنند.
۴. جدا کردن قطعه چاپ شده: در بعضی دستگاه‌ها جدا کردن قطعه کاملا ساده و بدون مشکل انجام می‌شود. در بعضی مدل‌های صنعتی‌تر، این کار یک فرایند کاملا فنی و دقیق است.
۵. پس پردازش: پس پردازش یا مرحله پس تولید در فناوری‌های مختلف متفاوت است. در بعضی موارد قطعه باید زیر اشعه فرابنفش به عمل آید.
ویژگی چاپگر های سه بعدی
تمامی روش های چاپ سه بعدی که به‌اصطلاح تولید افزایشی یا ساخت افزایشی نامیده می‌شوند . وجه مشترکشان این است که پردازش در آن‌ها به‌صورت پی‌رفتی یا مرحله‌مرحله انجام می‌شود .
برخلاف آنچه در ریخته‌گری یا قالب‌گیری به‌صورت تک‌مرحله‌ای رخ می‌دهد، که فرایندی تحکیمی دارند؛ یا آنچه در برش‌کاری یا براده‌برداری از یک توده مکعبی حاصل می‌شود، که فرایندی کاهشی را طی می‌کنند. ساخت به روش‌های چاپ سه‌بعدی نسبت به شیوه‌های رایج پیشین امتیازات مهمی دارد، ازجمله:
- عدم نیاز به تجهیزات گران‌قیمتی که در کارخانجات ذوب فلزات و برای فرایند فرزکاری به‌کار گرفته می‌شود؛
- قابلیت ساخت قطعاتی با ساختار پیچیده و نامتعارف سفارشی، در مدتی کوتاه؛
- تولید ضایعات کمتر.
از طرف دیگر، اشکالاتی هم در قیاس با شیوه‌های سنتی ساخت و تولید بر آن وارد است:
- امکان تولید در تعداد و سرعت کم؛
- استحکام، دقت و جلای کمتر سطوح؛
- مواد به‌نسبت محدودی که می‌توانند پردازش کنند و جنس محصولات خروجی را تشکیل دهند؛
- محدودیت بسیار در خصوص ابعاد سازه‌ای که می‌توان با قیمتی متعادل و بدون اعوجاج از این طریق ساخت.
کاربرد های پرینتر 3 بعدی
معمولا چاپ سه بعدی برای ساخت پیش‌نمونه‌های پلاستیکی یا فلزی در فرایند طراحی اجزائی جدید از یک محصول بزرگ‌تر کاربرد دارد. بااین‌حال، می‌تواند در ساخت یک محصول کامل برای ارائه به مشتریان نیز به‌کار آید. آنچه با چاپگرهای سه‌بعدی ساخته می‌شوند دامنه وسیعی دارد.
از پیکره‌های کوچک پلاستیکی گرفته، تا بافت قالب‌ها، قطعات استیل ماشین‌آلات، و ایمپلنت‌های تیتانیوم که در جراحی استفاده می‌شوند.
امروزه مدل سازی سه بعدی در رشته‌های گوناگونی همچون قطعه سازی، معماری، طراحی صنعتی، روباتیک، صنایع هوافضا و… رایج است. این مدل‌سازی‌ها تا پیش از این به شکل تصاویر دوبعدی روی صفحه‌های نمایشگر یا روی کاغذ ارائه می‌شدند تا افراد با دیدن آن‌ها درکی از آنچه طراحان در ذهنشان دارند بدست آورند.
چاپگرهای سه‌بعدی توانایی تولید هر نوع قطعه‌ای با هر شکل و زاویه‌ای که باشد، تو پر باشد، یا تو خالی، صاف باشد یا منحنی، … هر قطعه‌ای با هر طراحی را دارد. این نیاز در همه جا قابل لمس است. صنعت، پزشکی، آموزشی، خودرو سازی، نظامی و هر کاری که نیاز به شبیه‌سازی، تولید ماکت و ساخت طرح اولیه دارد.
با استفاده از چاپگر سه‌بعدی، هم می‌تواند، فرایند زمان بر شبیه‌سازی و ساخت ماکت قطعات را تسریع بخشد و تنها با چاپ گرفتن طرح سه‌بعدی در زمانی بسیار کم، به بررسی قطعه بپردازد.
امکان سنجی و ایده پردازی چاپ‌های سه‌بعدی برای بار اول در سال ۱۹۵۰ به ذهن دانشمندان راه یافت. طرح اولیه چاپگرهای سه بعدی در دهه هشتاد با نام پیش نمونه سازی فوری ارائه و اولین نمونه از آن توسط چارز هال ساخته و به نام این دانشمند ثبت شد. اما چاپگرهای سه بعدی امروزی برای اولین بار با روش استریولیتوگرافی (SLA) در سال ۱۹۸۶ ساخته و دو سال بعد وارد بازار شدند. در سال‌های اخیر فناوری چاپ سه‌بعدی از پیش‌نمونه‌سازی فوری و فرایند تولید صنعتی فراتر رفته‌است به کمپانی‌های کوچک و حتی فعالیت‌های شخصی راه پیدا کرده‌است.
چاپگرهای سه‌بعدی تجاری هرروز فرایند تولیدشان را بهبود می‌بخشند و با پیشرفت‌های ریزودرشت می‌روند تا راه خود را در بازار وسایل تولیدکننده یک محصول نهایی باز کنند. همچنین، پژوهشگران دائما در پی آزمایش مواد و راهکارهای متفاوت برای یافتن راه‌هایی هستند که بتوان با چاپگر های سه بعدی محصولات ناهمگونی را از بدنه خودرو گرفته، تا بلوک‌های سیمانی و محصولات خوراکی از مواد غذایی تولید کرد.
