آیا چاپ سه‌بعدی، تولید به شیوه رایج را دگرگون خواهد کرد؟

هرچند نخستین بارقه‌های چاپ یا پرینت سه‌بعدی چندین دهه پیش زده‌شد، اما عوامل گوناگونی دست به دست هم دادند تا این فناوری تا همین چند سال قبل کم‌وبیش مهجور بماند. در نتیجه، می‌توان گفت این شیوه تولید شروعی دوباره را در پیش گرفته ‌است و اگر از این منظر به قضیه بنگریم، هنوز در آغاز راه است. چاپ سه‌بعدی در حال حاضر با شیوه‌ خاصی پیوند خورده‌ است که به اصطلاح  Additive Manufacturing خوانده می‌شود.

برای مشاهده بیشتر به ادامه مطلب مراجعه کنید

منظور از این عبارت، «تولید چندمرحله‌ای»، یا «تولید به شیوه افزودنی» است. یعنی نخست یک طرح از وسیله‌ موردنظر تهیه و سپس بررسی می‌شود که آن قطعه را حداقل در چند جزء و چند مرحله می‌توان تولید کرد. بعد از آن‌که این اجزا تولید شدند، باید لایه به لایه به هم متصل یا به‌عبارتی مونتاژ شوند. اما محققان و کاوشگران تشنه یافتن راهی هستند که با کمک آن بتوان حتی قطعه‌های پیچیده را هم یک‌‌جا و در یک مرحله چاپ یا تولید کرد.

وقتی بازوی مصنوعی تولید شده در آزمایشگاه ملی اوک ریج (Oak Ridge) را تماشا می‌کنیم، اشیای باستانی قرون وسطی در ذهن‌مان تداعی می‌شوند؛ بازویی که روی آن‌را زره و زنجیر پوشانده‌ است و بیش‌تر برای برداشتن شمشیر و قداره مناسب است تا برای گرفتن فنجان قهوه. هم اسکلت زیرین و هم پوسته توری‌شکل روی این بازو از جنس تیتانیوم است تا ضمن برخورداری از استحکام و مقاومت کافی، سبک باشند. نقاط اتکای اجزای هیدرولیک قدرتمند و در عین حال، ظریف این بازو که انگشت‌ها را حرکت می‌دهند، مجراهایی هستند که در ساختار داخلی این بازو تلفیق شده‌اند و در این میان،‌ نه به تعبیه سوراخ مته نیازی بود و نه مجراهای خم‌شو یا اتصالات خاصی.

وجه تمایز این بازوی روباتیک در مقایسه با دیگر نمونه‌ها، نه عملکرد و کاری که انجام می‌دهد، بلکه شیوه نوین ساخت و تولید و چشم‌اندازی است که از آن ترسیم می‌کند. مهندسان لابراتوار اوک‌ریج، طرح این سازه را نخست به کامپیوتر منتقل کرده‌اند و سپس با استفاده از چندین چاپگر سه‌بعدی به شیوه خاصی موسوم به شیوه چندمرحله‌ای یا افزودنی (Additive) یا به عبارتی نام‌آشناتر، به‌صورت چاپ سه‌بعدی تولید کرده‌اند و سپس قطعه‌های مجزا به هم متصل شده‌اند. همین روبات می‌تواند دورنمایی از آینده تولید به این شیوه را فرارویمان قرار دهد – و اگر این تلاش‌ها به بار بنشینند، آن‌گاه آن‌چه که روزگاری تولیدش محال می‌نمود ظرف چند ساعت ساخته خواهدشد.

کرگ بلو، مدیر بخش مواد و انرژی آزمایشگاه اوک رایج می‌گوید: «آن‌چه که می‌بینید، یکی از طرح‌های بسیار بسیار پیچیده، شامل مجراهای داخلی هیدرولیک است که می‌تواند فشاری برابر سه‌هزار پاوند بر اینچ را تحمل کند. ساختار این بازو توری‌شکل است و همین مورد به کاهش وزن آن کمک کرده‌ است و در عین حال، مواد سازنده نیز نه به‌صورت لایه‌ای یکپارچه بلکه در قالب یک ساختار توری (تو گویی یکی در میان) روی اسکلت بازو پیاده شده‌اند. در حال حاضر، برای ساخت چنین سازه‌ای (بازوی روباتیک) هیچ راهی جز تولید به شیوه چندمرحله‌ای یا Additive وجود ندارد.»

با به بلوغ رسیدن فناوری چاپ سه‌بعدی و افزایش کارایی آن در ماشین‌‌کاری‌های پیچیده‌ای که جز از این راه به شیوه دیگری حاصل نمی‌شود، چندین شرکت‌ بزرگ مثل بویینگ و جنرال الکتریک استفاده از آن‌را در خط تولید محصولات پیشرفته‌شان آغاز کرده‌اند. اینک به‌جای تراشیدن یک بلوک بزرگ از ماده موردنظر جهت رسیدن به شکل و محصول موردنظر، با اسلوب جدید می‌توان هر آن‌چه را که لازم است، لایه به لایه تولید و سپس آن‌ها را روی هم مونتاژ کرد. چنین راهکاری می‌تواند تمام وجوه و مراحل ساخت و تولید، از طراحی پیش‌نمونه‌های یک محصول گرفته تا تولید انبوه آن، را دگرگون کند.

البته، هنوز هم مشکلات فنی یک ‌جاهایی سد راه می‌شوند. در مقایسه با تولید به شیوه‌های معمول، تولید چندمرحله‌ای اغلب روندکندتری دارد. علاوه‌بر این، چاپگرهای‌سه‌بعدی در ساخت اشیایی که در آن‌ها از چند نوع ماده مختلف استفاده شده‌ است با دشواری‌هایی مواجه می‌شوند و برای مثال، ساخت مدارهای مجتمع الکترونیکی بدون استفاده از حرارت‌دهی به مدار برایشان ممکن نیست.

پژوهشگران سخت درتلاش هستند تا محدودیت‌ها را از میان بردارند. در عوض عده‌ای معتقد هستند که ساخت اشیای کوچک با این شیوه جدید، قابلیت‌های زیادی دارد. با گسترش به‌کارگیری چاپ سه‌بعدی در تولید انبوه محصولات گوناگون، این فناوری می‌تواند عرصه تولید را به‌طرز شگرفی دگرگون کند.


پیشرفت‌های تولید چندمرحله‌ای
تاریخ پیدایش این فناوری به اواخر دهه 1980 برمی‌گردد؛ یعنی‌ زمانی که شرکت‌های نوپا و نهادهای آکادمیک – به‌ویژه در دانشگاه تگزاس واقع در شهر آستین – ماشین‌هایی اختراع کردند که می‌توانستند ظرف چند دقیقه از روی طرح‌های دیجیتال مدل‌های سه‌بعدی بسازند. ازآنجا که سیستم‌های مذکور و گونه‌های مشابه دیگر که در آغاز قیمت‌شان به حدود 175 هزار دلار می‌رسید، به مهندسان و مخترعان کمک می‌کردند تا پیش‌نمونه قطعات موردنظر خود را سریع و با هزینه اندک تولید کنند، بدنام شدند (شاید مانند بسیاری از اختراعات دیگر در دهه‌های گذشته، که مردم سرعت و سهولت تولید را دشمن خود می‌پنداشتند).

پس از آن، چاپ سه‌بعدی دو مسیر مجزا را در پیش گرفت. در یک سو دلال‌ها و به‌اصطلاح کارآفرینان می‌توانستند با استفاده از این ماشین‌ها یک مدل پلاستیکی از محصولی را که در سر داشتند با هزینه‌ای معادل 2000 دلار یا کمتر تولید کنند. این دستگاه‌ها که ابعادشان اندازه پیشخوان آشپزخانه بود، اختراع اشیای جدید را آسان‌تر می‌کردند – و از این حیث اهمیت فناوری چاپ سه‌بعدی را می‌شد با اهمیت و تأثیر کامپیوترهای شخصی مقایسه کرد.

تام کالیل، مدیر فناوری و نوآوری اداره سیاست‌گذاری علوم و فناوری دولت ایالات‌متحده می‌گوید: «همان‌طور که اینترنت، شبکه‌های ابری و نرم‌افزارهای اپن‌سورس باعث شدند گروه‌های کوچک و علاقه‌مند هم بتوانند بدون صرف هزینه‌های هنگفت، ظرف شش ماه یک برنامه کاربردی بسازند و میزان استقبال مردم از محصول خود را برآورد کنند، با فناوری چاپ سه‌بعدی نیز می‌توان پیش‌نمونه یک محصول را تولید کرد و سپس به بررسی واکنش مردم پرداخت.»

در سوی دیگر، تولیدکنندگان بزرگی قرار دارند که راهکارهای پیشرفته و قدرتمند صنعتی را در ساخت و تولید قطعه‌های هواپیما و تجهیزات زیست‌پزشکی (مثل مفاصل مصنوعی) به خدمت می‌گیرند. با ماشین‌های چاپ سه‌بعدی می‌توان قطعه‌های فوق‌الذکر را با هزینه‌ای برابر سی هزار دلار و ضمن استفاده از تجهیزات لیزری که برای ساخت محصولات فلزی با کیفیت بالا به‌کار می‌روند تولید کرد و سپس محصولات نهایی را به قیمت یک میلیون دلار فروخت. این چاپگرها می‌توانند پلیمر، فلزها یا دیگر موادی را که به شکل پودر یا مایع درآمده‌اند، گرفته و قطعه موردنظر را تحویل دهند. در نخستین مرحله تولید، طرح آن‌چه که قرار است ساخته‌شود در قالب فایل‌های دیجیتال تهیه می‌شود. طراحان می‌توانند پیش از شروع مرحله تولید، طرح خود را بررسی کنند و اگر لازم بود تغییراتی روی آن اعمال کنند و در عین حال، متحمل هیچ هزینه خاصی نشوند.
بنابه اطلاعات گزارشی با عنوان «گرایش‌های جهانی 2030: جهان‌های جایگزین» Global Trends 2030: Alternative Worlds که در نوامبر سال 2012 توسط شورای ملی اطلاعات امریکا (تیمی متشکل از تحلیل‌گران که به دفتر مدیریت اطلاعات ملی مشاوره می‌دهند) منتشر شد، تا سال 2030 چاپ سه‌بعدی می‌تواند بعضی از مراحل کنونی در تولید به شیوه معمول را حذف کند. مثلاً ریخته‌گری، قالب‌سازی، و ماشین‌کاری به‌ویژه وقتی قرار است یک محصول خاص به‌صورت سفارشی ساخته‌شود یا مثلاً تنها مدت کوتاهی تولید شود از مراحل تولید حذف خواهند شد. شرکت‌های هوافضا در خط مقدم این بازار قرار دارند. بخش صنایع هوایی شرکت جنرال الکتریک (GE Aviation) که حدود یک قرن است به ساخت موتور هواپیما اشتغال دارد، به‌تازگی، دو دستگاه چاپ سه‌بعدی خریده است که به‌طور خاص برای تولید قسمت‌هایی از هواپیما طراحی شده‌اند.

 بویینگ همین حالا هم از چاپ سه‌بعدی برای ساخت بیش از  22 هزار قطعه مورد استفاده در هواپیماهای مسافربری و نظامی استفاده می‌کند.
چنین شرکت‌هایی در حال پی بردن به این موضوع هستند، که چاپ سه‌بعدی می‌تواند چه از حیث انرژی و چه از حیث مواد مورد نیاز، از تولید به شیوه معمول حتی کارآمدتر باشد. تری ووهلرز، مشاور ارشد و رئیس شرکت فورت کولنز (شرکت مشاور در کار تولید به شیوه چاپ سه‌بعدی) می‌گوید: «در تولید به شیوه ماشینی رایج گاهی 80 تا 90 درصد بلوک ماده خام که برای تراشیدن و ساخت یک قطعه اختصاص یافته‌ است، به‌صورت پس‌مانده‌ها و تراشه‌های کوچک کف کارخانه به‌جا می‌ماند.» 

هرچند در برخی موارد می‌توان این پس‌مانده‌ها را در جاهای دیگری مورد استفاده قرار داد اما روی هم رفته، چنین شیوه‌ای هم انرژی و هم مواد زیادی را هدر می‌دهد.

شکستن قالب
به‌رغم مزیت‌های چاپ سه‌بعدی، بسیاری از کارخانه‌ها هنوز هم از آن تنها برای ساخت پیش‌نمونه محصولات‌شان استفاده می‌کنند و نه برای تولید انبوه آن‌ها؛ علتش را می‌توان در سه عامل جست‌وجو کرد: سرعت پایین، کیفیت غیریکنواخت، و دشواری فرآیند تولید اشیای پیچیده.

نخست از همه این‌که فرآیند تولید در شیوه چاپ سه‌بعدی تقریباً کند است و البته، بستگی دارد که جزئیات ساختاری شی‌ء موردنظر تا چه حد باشد. مهندسان لابراتوار اوک ریج که رهبری‌ آن‌ها به‌عهده یک طراح ارشد به‌نام لونی لاو است، برای ساخت بازوی روباتیک 1.3 پاوندی (همان که در آغاز این مقاله معرفی شد‌) 24 ساعت وقت صرف کردند و 16 ساعت هم صرف مونتاژ قطعه‌ها شد.

 اما این گروه، سخت‌افزاری را در دست ساخت دارد که در آینده می‌تواند کل این بازو را یک‌جا و به‌صورت یکپارچه تولید کند. ریچارد مارتوکانیتز، از مدیران مرکز Innovative Materials Processing Through Direct Digital Deposition زیرمجموعه دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا می‌گوید: «اگر قطعه‌ای که می‌سازید اندازه یک توپ سافتبال باشد و بخواهید ساختارش را خوب و دقیق تعریف کنید، باید برای تولید آن به شیوه چاپ سه‌بعدی حدود 6 تا 8 ساعت زمان در‌نظر بگیرید.»

 با چنین سرعتی بدیهی است که ساخت هزاران قطعه سال‌ها طول خواهدکشید. برخی از سیستم‌های تولید به شیوه سه‌بعدی یا چندمرحله‌ای، سریع‌تر کار می‌کنند. مثلاً آن‌هایی که برای کار در نیروی دریایی ایالات‌متحده طراحی شده‌اند، می‌توانند در هر ساعت حدود 9 تا 18 کیلوگرم ماده ورودی را به قطعه تبدیل کنند. البته به زعم مارتوکانیتز، در این‌صورت صحت و دقت ویژگی‌های ساختاری فدای سرعت می‌شود و در نتیجه کیفیت محصول نهایی چندان مطلوب نخواهدبود؛ یعنی لازم است قطعات پس از تولید دوباره توسط ماشین‌های دیگری مورد بازبینی و تغییر قرار بگیرند که به این مرحله به‌اصطلاح postprocessing می‌گویند.

محققان برای افزایش سرعت فرآیند تولید، روی سیستم‌هایی کار می‌کنند که می‌توانند قطعه‌ها را با سرعت‌های متفاوت تولید کنند. به این معنی که قطعه‌های ساده‌تر را سریع‌تر و قطعه‌هایی را که باید دقت بیشتری صرف‌شان شود، کندتر تولید می‌کنند. او می‌افزاید: «این راه‌کار هم‌اکنون خیلی موردتوجه قرار گرفته‌است چون آن‌چه درباره محدودیت‌های فرآیند تولید چندمرحله‌ای برای مردم اهمیت دارد، بارآوری و سودمندی آن است.»

گزینه بعدی برای سرعت بخشیدن به فرآیند تولید، این است که کارها را بین چندین دستگاه تولید توزیع کنیم. برای این‌کار باید سطح استانداردها از اینی که هست فراتر رود. برای مثال، وقتی قرار است یکی از قطعات حساس در موتور جت جنرال‌الکتریک تولید شود باید اطمینان‌پذیری آن، فارغ از این‌که جنرال‌الکتریک چطور و کجا تولیدش می‌کند، کاملاً بررسی شود.
سازمان ASTM International که نام سابق آن  American Society for Testing and Materials بود، یکی از سازمان‌های فعال در تنظیم و توسعه استانداردهای چاپ سه‌بعدی است و البته هنوز نخستین گام‌های خود را برمی‌دارد.  

دانشمندان نیز در تلاشند چاپگرهایی بسازند که خودشان بر کار خود نظارت ‌کنند و به این‌‌ ترتیب طرح‌های ثابت را سریع‌تر تولید کنند.  به گفته گرگ بلو، در چنین سیستمی در همان زمانی که قطعه دارد ساخته می‌شود، ویدیوهای پرسرعت ِ ضبط شده از قطعه نیز توسط سیستم تحلیل شده، یا ایرادهای احتمالی موجود در آن با استفاده از ترموگرافی یا گرمانگاری فروسرخ شناسایی می‌شود. چنین ایرادهایی را می‌توان بدون نیاز به متوقف کردن فرآیند تولید، همان موقع تصحیح کرد. به این ترتیب، می‌توانید برای تولید یک قطعه، طرح آن‌‌را روی چاپگر سه‌بعدی دانلود و بارگذاری کنید و سرانجام قطعه باکیفیتی تحویل بگیرید.

با افزایش روزافزون پیچیدگی محصولات گوناگون و استفاده از مواد بسیار متعدد و مختلف در ساخت آن‌ها، و باتوجه به‌این‌که بسیاری از وسایل امروزی دارای اجزای الکترونیکی نیز هستند، فرآیند چاپ سه‌بعدی موانع بیشتری در پیش دارد. یکی از راه‌‌حل‌ها برای مقابله با چنین موانعی، ساخت چاپگرهایی است که چند هد برون‌ریز (extrusion head) داشته‌باشند و هر یک از آن‌ها گونه خاصی از مواد را بتراشند. مثلاً یکی از هدها می‌تواند سیم‌ها را در حالی‌که همان موقع دارند ساخته می‌شوند، به‌‌طور مستقیم به یک قطعه پیوند بچسباند.

پژوهشگران آزمایشگاه اوک ریج و نیز مرکز W.N Keck در نوآوری‌های سه‌بعدی دانشگاه تگزاس و دیگران طراحی چاپگرهایی را در دستور کار خود دارند که می‌توانند مدارهای الکترونیکی را هم چاپ کنند. البته، این مورد نیز با مشکلاتی همراه است چون هنگام چاپ مدارهای الکترونیکی باید گرمای زیاد ناشی از فرآیند تولید را مهار کرد. وقتی داریم لایه‌های پلاستیکی یا فلزی را به مدار اضافه می‌کنیم گرمای زیاد به اجزای الکتریکی آسیب  می‌زند.

کاوشگران مشغول آزمایش راه‌هایی هستند که می‌تواند بر این مانع چیره شود. طبق راه‌کار آن‌ها باید در اطراف اجزای الکتریکی مواد عایق چاپ ‌شود تا از گرما مصون بمانند. بلو می‌گوید: «در دهه آتی مواد مختلف همراه و همزمان همزمان با مدارهای‌ الکترونیکی‌شان چاپ خواهند شد.»

با در‌نظر گرفتن چنین پیشرفت‌هایی بازوی روباتیک اوک‌ ریج از آینده خوبی خبر می‌دهد. بماند که کاربران چنین محصولاتی نیز از آن‌ها بسیار سود خواهند برد. دانشمندان زمانی را پیش‌بینی می‌کنند که پزشکان خواهند توانست دست سالم یک بیمار را اسکن و یک تصویر الکترونیکی از آن تهیه کنند. سپس از روی آن تصویر یک دست مصنوی ساخته و مونتاژ می‌شود تا هرگاه که لازم بود مورد استفاده قرار بگیرد.

پرتو  مولد چگونه کار می‌کند؟
پژوهشگران اوک‌ ریج برای ساخت بازوی روباتیک و مصنوعی‌شان از یک ماشین ذوب‌کننده پرتوهای الکترونی یا ماشین EBM استفاده کردند. گرمای بسیار زیادی که طی این فرآیند تولید می‌شود، پودر آلیاژهایی مثل تیتانیوم، یا کبالت-کروم را به قطعه‌های فلزی سخت و آماده استفاده تبدیل می‌کند. برای تثبیت و پایدارسازی مواد حاصل، به گرمای بیشتری نیاز نیست.

این مطلب یکی از مقالات پرونده ویژه شماره 147 ماهنامه شبکه با عنوان «انقلاب چاپ سه‌بعدی» است. برای دریافت کل پرونده ویژه می‌توانید به اینجا مراجعه کنید.