ساخت طبیعت با چاپگرهای سه‌بعدی

مفهوم چاپ سه‌‌بعدی به هر صورت موضوع تازه‌ای است. چاک هال (Chuck Hull) نخستین‌بار اواسط دهه 80 19 میلادی دستگاهی با نام Stereolithography (به معنی دستگاه چاپ حقیقی) یا همان چاپگر سه‌بعدی را ابداع کرد. از آن پس پیشرفت‌های فنی زیادی در این عرصه به وقوع پیوسته است.

از آن زمان تا امروز که چند سالی است چاپگرهای سه‌بعدی عمومیت یافته و در صنایع به کار گرفته می‌شوند محققان توانسته‌اند پیوسته از ابعاد و اندازه این دستگاه‌ها بکاهند تا به چاپگرهای سه‌بعدی رومیزی برسیم. ابزارهایی که نه تنها جای زیادی را اشغال نمی‌کنند، بلکه مانند چاپگرهای معمولی بوده و می‌توانند اجسام سه‌بعدی را بسازند.

امروزه با مقرون به صرفه‌شدن و افزایش دسترسی به روش‌های چاپ سه‌بعدی ـ روند تبدیل طرح‌های سه‌بعدی به اشیای حقیقی قابل لمس ـ علاقه‌مندان زیادی در این حوزه به فعالیت مشغول شده‌اند. جالب این که این صنعت بسیار وسیع بوده و از ساخت مدل‌های مینیاتوری گرفته تا هدایای کوچک و حتی ساخت بافت زنده برای بدن را شامل می‌شود. بتازگی نیز ساخت سازه‌های مسکونی سه‌بعدی به کارایی این دستگاه‌ها اضافه شده است.

چاپگرهای سه‌بعدی چگونه کار می‌کند؟

نخستین مرحله از چاپ سه‌‌بعدی تهیه یک مدل سه‌بعدی و رقومی (دیجیتالی) از طرح یا نقشه مربوط است. این کار را می‌توان به کمک ابزارهای طراحی‌ رایانه‌ای (CAD) یا نرم‌افزارهای پویانمایی انجام داد. از این گذشته بتازگی پویشگرهای (اسکنر) جدیدی به بازار معرفی شده‌اند که در ابعاد یک چاپگر همه‌کاره رومیزی بوده و می‌توان با قرار دادن اجسام در محفظه مخصوص در کمتر از چند دقیقه، نقشه سه‌بعدی آن را تهیه کرد.

البته باید در طراحی سه‌بعدی، سطح مقطع کار را بدرستی مشخص کرد تا چاپگر بتواند جسم نهایی را لایه‌لایه چاپ کرده و آن را شکل دهد. این سطح مقطع‌ها هستند که در حقیقت به عنوان راهنمای اصلی چاپ سه‌‌بعدی به شمار می‌روند تا محصول نهایی چه از نظر شکل یا اندازه همانند طرح اصلی باشد.

در این بین شرکت‌هایی وجود دارند که روند طراحی سه‌‌بعدی را برای کاربران تازه‌کار ساده می‌کنند و این موسسات با طراحی ایده مشتریان، آنها را قادر می‌‌کنند بدون دانش گرافیکی یا طراحی یک گام به پیاده‌سازی ایده‌های خود نزدیک‌تر شوند. حتی سایت‌هایی هم برای فروش طرح‌های آماده یا قبول سفارشات طراحی پدید آمده‌ است.

پس از کامل‌شدن نقشه سه‌بعدی، می‌توان آن را در قالب فایلی با فرمت STL به چاپگر سه‌بعدی فرستاد. ( STLمختلف زبان استاندارد گرافیکی است) این فایل‌ها حاوی چند ضلعی‌های سه‌بعدی متعدد است که برای درک بهتر چاپگر سه‌‌بعدی به صورت قطعه قطعه آماده شده است.

چاپگر سه‌بعدی تجلی نوآوری‌های بشر

پرواضح است که می‌توان از چاپگرهای سه‌بعدی در صنایع گوناگون و کاربری‌های متفاوتی بهره برد. از کاربردهای پزشکی در ساخت ابزارهای کمک شنوایی گرفته تا استخوان‌های تیتانیومی یا بتازگی قلب، گوش، شش و حتی پوست مصنوعی.

این اندام‌ها که از سلول‌های بنیادین بیمار گرفته و چاپ می‌شوند، نه‌تنها مصنوعی نبوده بلکه پس از پیوند هیچ حساسیت یا التهابی در وی ایجاد نمی‌کنند. از آنجا که این عضو جایگزین دقیقا مشابه اندام اصلی بیمار است و با مواد بیولوژیکی وی ساخته شده است، او با پس‌زدن اندام یا بافت جدید مواجه نخواهد شد.

جالب‌تر این که، سال گذشته گروهی از مهندسان، محققان و دندان‌پزشکان موفق شدند نخستین منقار مصنوعی جهان را ساخته و آن را در بدن گونه‌ای از «عقاب‌گر» آسیب‌دیده ـ که بومی شمال آمریکاست ـ کار بگذارند. از سوی دیگر دانشمندان ناسا، سازمان فضایی ایالات متحده، نیز چاپگرهای سه‌بعدی ویژه‌ای ساخته‌اند که به فضانوردان اجازه می‌دهد با استفاده از خاک سیاره ماه یا مریخ به ساخت سازه‌های مسکونی فضایی بپردازند؛ دستاوردی که می‌تواند رویای بشر برای سکونت در دیگر کرات را رنگ واقعیت ببخشد.

تمام این نوآوری‌ها در عرصه چاپ سه‌بعدی می‌تواند در آینده نزدیک تأثیرات شگرفی بر زندگی بشر داشته باشد، اما با وجود همه این نقاط مثبت، این صنعت نوپا حداقل دارای یک عیب بزرگ است و آن قیمت تمام‌شده بالای چاپ سه‌بعدی است! در حالی که چاپگرهای سه‌بعدی کوچک‌تر را می‌توان برای تولید اسباب‌بازی، گجت‌های کوچک و دیگر نیازهایی از این دست استفاده کرد این دستگاه‌ها دارای قیمتی حدود هزار دلار هستند.

مدل‌های حرفه‌ای‌تر رقمی بین 15 تا 60 هزار دلار قیمت دارند و مناسب شرکت‌های صنعتی و مجتمع‌های طراحی ـ تولیدی است. این در حالی است که خرید مدل‌های فوق حرفه‌ای که توان انجام وظایف سنگین و تمام وقت چاپ سه‌بعدی را دارند بیش از 600 هزار دلار هزینه در بر دارند.

پیش‌بینی‌ها حاکی از آن است که هم‌اکنون ارزش تقریبی بازار چاپگرهای سه‌بعدی رقمی معادل 7‌/‌1 میلیارد دلار است که این رقم تا سال 2015 (کمتر از دو سال دیگر) به 7‌/‌3 میلیارد دلار خواهد رسید.

دیگر موضوع چالشی پیش‌رو، سوءاستفاده‌های احتمالی و مساله حق کپی (یا کپی‌رایت) است. در حالی که تهیه هر محصول صنعتی نیازمند سرمایه‌گذاری، تحقیق و توسعه، تولید و دیگر مراحل پرهزینه و پیچیده است، منفعت‌طلبان می‌توانند تنها در عرض چند دقیقه یک محصول گرانقیمت را نسخه‌برداری و تولید کنند!

از سوی دیگر بتازگی برخی از کاربران با استفاده از چاپگرهای سه‌بعدی و به کمک طرح‌هایی که در اینترنت یافت می‌شود، دست به تولید تسلیحاتی زده‌اند که مانند نمونه‌های واقعی کار می‌کند! این موضوع نگرانی‌هایی را پیرامون عواقب امنیتی آن همراه داشته است. به هر حال به نظر شما چاپگرهای سه‌بعدی تا چه حد می‌تواند دنیای ما را دستخوش تغییر کرده و روش‌های سنتی تولید انبوه را با انقلابی تمام عیار همراه کند؟ درست مثل کاری که گوتنبرگ با صنعت چاپ کاغذی کرد؟

مراحل چاپ سه‌بعدی

نخستین موردی که در حین تماشای چاپ به ذهن آدمی خطور می‌کند این است که روند چاپ به صورت لایه‌ای است. این روش برخلاف روش‌های مرسوم در قالب سازی است؛ در روش‌های فعلی طرح مورد نظر از داخل ماده اولیه مکعبی شکلی کنده می‌شود که به روش «کاهشی» نیز مشهور است. پس از ارسال فایل طراحی شده به چاپگر، کاربر باید ماده مورد نظر خود را انتخاب کند. البته با توجه به نوع و مدل چاپگر ماده اولیه متفاوت است و می‌تواند لاستیک، پلاستیک، کاغذ، مواد پلی‌یورتان یا دیگر مواد اولیه باشد. از طرف دیگر با توجه به نوع ماده به کار رفته، جزئیات مراحل چاپ نیز دستخوش تغییر می‌شود، اما بیشتر مواد اولیه با روش‌های مخصوصی اسپری یا فشرده شده و از چاپگر به پلتفرم نهایی منتقل می‌شود.

در این مرحله چاپگر سه‌بعدی مانند چاپگرهای جوهر افشان به کار افتاده و شروع به چاپ جزء به جزء محصول نهایی کرده و لایه به لایه ماده اولیه را روی هم سوار می‌کنند. این مرحله با توجه به سرعت، مدل دستگاه، ماده به کار رفته و پیچیدگی‌های طرح می‌تواند از چند ساعت تا چند روز متغیر باشد. هر لایه چاپ شده حدود صد میکرون (1‌/‌0 میلی‌متر) قطر دارد که در برخی از مدل‌ها این رقم تا 16 میکرون نیز می‌رسد. در پایان روند چاپ، تمام این لایه‌ها به هم چسبیده و جسم سه‌بعدی واحدی را می‌سازند.

حسین ملک محمدی