توضیح و مقایسه انواع پرینتر سه‌ بعدی و پرینتر چهاربعدی

پرینتر چهاربعدی فناوری جدیدتری است که با افزودن بعد چهارم یعنی زمان، چاپ سه‌بعدی را یک قدم جلوتر می‌برد. اشیاء چاپ شده چهاربعدی می‌توانند در طول زمان در پاسخ به محرک‌های محیطی مانند گرما، نور یا رطوبت، شکل یا خواص خود را تغییر دهند. پرینت سه‌بعدی فرآیند ایجاد اشیاء سه‌بعدی از یک فایل دیجیتال است. این کار با اضافه کردن لایه‌به‌لایه مواد انجام می‌شود تا شیء کامل شود.

به‌طور خلاصه برخی از تفاوت‌های اصلی بین چاپگر‌های سه‌بعدی و چهار بعدی شامل موارد زیر است:

پرینتر‌های سه‌بعدی اشیاء ساکن را ایجاد می‌کنند، در حالی که پرینتر‌های ۴ بعدی اشیایی را ایجاد می‌کنند که می‌توانند شکل یا خصوصیات خود را در طول زمان تغییر دهند.

پرینتر‌های سه‌بعدی از مواد مختلفی از جمله پلاستیک، فلز و سرامیک استفاده می‌کنند. چاپگر‌های ۴ بعدی معمولاً از مواد هوشمندی استفاده می‌کنند که می‌توانند شکل یا خواص خود را در پاسخ به محرک‌های محیطی تغییر دهند.

پرینتر‌های سه‌بعدی برای کاربرد‌های مختلفی از جمله نمونه‌سازی، تولید و تجهیزات پزشکی استفاده می‌شوند. چاپگر‌های 4 بعدی هنوز در مراحل اولیه توسعه هستند، اما این پتانسیل را دارند که برای طیف وسیعی از کاربرد‌ها مانند ساختار‌های خود مونتاژ، ایمپلنت‌های پزشکی و بسته‌بندی هوشمند استفاده شوند.

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

پرینت چهار بعدی که با نام‌های چاپ زیستی چهار بعدی، اوریگامی فعال یا سیستم‌های شکل‌دهی شکل نیز شناخته می‌شود، فرآیندی است که در آن اشیایی ایجاد می‌کند که می‌توانند در طول زمان شکل یا خواص خود را در پاسخ به محرک‌های محیطی تغییر دهند. پرینتر چهاربعدی از همان تکنیک‌های چاپ سه بعدی از طریق رسوب مواد توسط کامپیوتر در لایه‌های متوالی برای ایجاد یک شی سه‌بعدی استفاده می‌کند. با این حال، در پرینتر چهاربعدی، شکل سه‌بعدی حاصل می‌تواند در پاسخ به محرک‌های محیطی به اشکال مختلف تبدیل شود، بعد چهارم در واقع تغییر شکل وابسته به زمان پس از چاپ است.

رایج‌ترین نوع پرینتر چهاربعدی از مواد هوشمند مانند پلیمر حافظه شکل یا هیدروژل استفاده می‌کند. این مواد وقتی در معرض محرک‌های محیطی خاصی مانند گرما، نور یا رطوبت قرار می‌گیرند، توانایی تغییر شکل را دارند. هنگامی که شیء چاپ می‌شود، به شکل موقتی است. هنگامی که در معرض محرک مناسب قرار می‌گیرد، به شکل دائمی خود تغییر شکل می‌دهد.

پرینت چهار بعدی یک فناوری نویدبخش با پتانسیل ایجاد انقلاب در طیف وسیعی از صنایع است. همانطور که این فناوری همچنان در حال توسعه است، می‌توان انتظار داشت که حتی برنامه‌های نوآورانه‌تر و پیشگامانه‌تری برای پرینتر چهاربعدی ببینیم.

در اینجا برخی از چالش‌هایی وجود دارد که باید به آن‌ها توجه شود تا بتوان چاپ 4D را به یک فناوری گسترده‌تر تبدیل کرد:

• هزینه چاپگر‌های چهار بعدی هنوز بالا است.
• محدوده موادی که می‌توان برای چاپ چهار بعدی استفاده کرد محدود است.
• فرآیند چاپ 4D هنوز نسبتاً کند است.

همانطور که فناوری همچنان در حال توسعه است، احتمالاً به این چالش‌ها رسیدگی می‌شود. این کار چاپ 4 بعدی را مقرون به صرفه‌تر، همه کاره‌تر و سریع‌تر می‌کند. در نتیجه، می‌توان انتظار داشت که در سال‌های آینده شاهد تبدیل شدن پرینت چهار بعدی به یک فناوری گسترده‌تر باشیم.

در اینجا چند نمونه از کاربرد‌های پرینت چهار بعدی آورده شده است:

سازه‌های خود مونتاژ: سازه‌های پرینت ۴ بعدی را می‌توان طوری برنامه‌ریزی کرد که خودشان را به شکل‌های پیچیده جمع کنند. این می‌تواند برای ایجاد انواع مبلمان، ساختمان‌ها یا حتی روبات‌ها استفاده شود.

ایمپلنت‌های پزشکی: ایمپلنت‌های پرینت‌شده چهار بعدی را می‌توان طوری طراحی کرد که در طول زمان شکل یا ویژگی‌هایشان را تغییر دهند تا بهتر با نیاز‌های بیمار مطابقت داشته باشند. این می‌تواند برای ایجاد ایمپلنت‌هایی استفاده شود که می‌توانند با بیمار رشد کنند یا می‌توانند دارو‌ها را با سرعت کنترل شده آزاد کنند.

بسته‌بندی هوشمند: بسته‌بندی‌های پرینت ۴ بعدی را می‌توان برای تغییر شکل یا خواص در پاسخ به شرایط محیطی طراحی کرد. از این می‌توان برای ایجاد بسته‌بندی استفاده کرد که وقتی به دمای خاصی رسید می‌تواند خودش را باز کند یا در تماس با رطوبت تغییر رنگ دهد.

پرینت چهار بعدی یک فناوری نویدبخش با پتانسیل ایجاد انقلاب در طیف وسیعی از صنایع است. همانطور که این فناوری همچنان در حال توسعه است، می‌توان انتظار داشت که حتی برنامه‌های نوآورانه‌تر و پیشگامانه‌تری برای چاپ ۴ بعدی ببینیم.

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

۳. چاپگر فلزی و سه بعدی DED

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

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.

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.