مهمترین تغییرات چاپ 3 بعدی در سال 2022 - وبلاگ ورزشی چلسی

به گزارش وبلاگ ورزشی چلسی، چاپ سه بعدی یکی از فناوری های مهم و تاثیرگذار در توسعه فراوریات هوشمند و پایدار محسوب می گردد. با اینکه چاپ سه بعدی در شمار فناوری هایی با ضایعات و فراوری زباله کمتر به شمار می رود، اما این سوال هنوز مطرح است که

چاپ سه بعدی واقعا تا چه حد پایدار است؟

آیا واقعا می توان آن را جزو صنایع دوستدار محیط زیست به حساب آورد؟

چاپ سه بعدی : فناوری فراوری پایدار افزایش دغدغه های عمومی برای آینده ای سبز و پایدار، باعث شده که کسب و کارهای مختلف هم در کوشش برای بهینه سازی فرایندهای فراوری خود، مصرف انرژی و فراوری ضایعات خود را تا حد ممکن کاهش داده و به استراتژی هایی رو بیاورند که به اصطلاح پایدار نامیده می شوند.

چاپ سه بعدی به مهندسان و طراحان یاری می نماید که با جست و جو و اکتشاف در دنیای هندسه و تحلیل فیزیکی اجسام، بتوانند قطعات را به بهینه ترین، سبک ترین و اثربخش ترین شکل ممکن طراحی و فراوری نمایند.

مثلا در سیستم هایی که اندازه مصرف انرژی، با وزن سیستم رابطه مستقیم دارد، با ساخت قطعات سبکتر، می توان در مصرف انرژی حتی در بازه های بلند مدت صرفه جویی کرد.

با کم کردن حتی یک گرم از وزن قطعاتی که در ماشین ها و هواپیماها استفاده می شوند. مصرف سوخت به اندازه قابل توجهی کاهش میابد، کاهش مصرف سوخت یعنی کاهش حجم آلاینده های کربن دی اکسید و کاهش آلودگی اتمسفر.

یک قطعه صنعتی که از لحاظ خواص هندسی اشیا با چاپ سه بعدی بهینه می گردد، از نظر عملکرد هیچ تفاوتی با نسخه اورجینال خود ندارد مثال این مدعا را می توان در یکی از مطالعاتی که در دانشگاه نورث وسترن انجام گرفته، مشاهده کرد؛ محققان این دانشگاه با بهینه سازی خواص هندسی یک قطعه فلزی هواپیما با چاپ سه بعدی، پیروز شدند که وزن آن را تا 65 درصد کاهش دهند و از 1/09 کیلوگرم به 0.38 کیلوگرم برسانند. محققان این دانشگاه ادعا می نمایند که با بهینه سازی قطعات مختلف یک هواپیما به همین شکل، می توان وزن کلی آن را از 4 تا 7 درصد کاهش داد و به طبع آن، از مصرف انرژی تا 6.4 درصد کاست.

این یعنی با کم کردن وزن صدها و حتی هزاران قطعه کوچک و ریز به کار رفته در یک هواپیما، می توان مصرف انرژی را به شکلی تاثیرگذار کاهش داد و مقیاس اثربخشی و صرفه جویی را در یک کالا چند برابر کرد.

در چاپ سه بعدی علاوه بر بهینه سازی خواص هندسی، می توان قطعاتی را که خود از چندین قطعه دیگر تشکیل شده اند، به شکل یک قطعه واحد و یکپارچه طراحی و فراوری کرد. به این ویژگی چاپ سه بعدی، یکپارچه سازی قطعات می گویند که چندین مزیت فوق العاده دارد.

اولا، این کار تعداد قطعات مجزایی را که باید در طی فرایندهای مختلف ساخته و بعد با یکدیگر مونتاژ شوند، کاهش می دهد. ثانیا، اینکار فرایندهای اتصال این قطعات بهم، مانند جوشکاری یا پیچ و مهره قطعات را کاهش می دهد. و در نهایت اینکه یکپارچه سازی قطعات، هم عملکرد آنها را افزایش می دهد و هم به خاطر حذف درزها و خلل و فرج اضافی، مقاومت آنها را بیشتر می نماید.

کاهش تعداد قطعات مونتاژ شده بعلاوه باعث کاهش لرزش سیستم هنگام کار می گردد که احتمال ایجاد شکاف و درزهای ناخواسته را کاهش می دهد.

تمام مزیت هایی که در بالا گفته شده به پایداری نهایی محصول و فرایندهای فراوری آن یاری می نمایند. اصطلاح دیگری که به طور مستمر در کنار چاپ سه بعدی می آید. اصطلاح ساخت افزایشی ست، در واقع ساخت افزایشی و چاپ سه بعدی، دو عبارت برای یک مفهومند.

ساخت افزایشی و یا چاپ سه بعدی ، به روشی گفته می گردد که در آن یک مدل کامپیوتری سه بعدی، به عنوان ورودی به پرینتر سه بعدی داده می گردد و بعد پرینتر با قرار دادن لایه به لایه مواد بر روی هم، یک قطعه فیزیکی یکپارچه را به عنوان خروجی ارائه می دهد.

امروزه برترین مثال برای استفاده از فناوری ساخت افزایشی چاپ سه بعدی برای پایدار کردن فرایندهای فراوری را می توان در کارخانه جنرال الکتریک و اقدام آنها برای ساخت موتورهای کاتالیست هواپیماها مشاهده کرد شرکت جنرال الکتریک در موتورهای کاتالیست خود، توانسته طراحی نوینی را ارائه دهد که در آن، یک موتور که در فرایندهای معمولی ساخت، از 855 قطعه مختلف تشکیل می گردد. می تواند تنها با 12 قطعه تیتانیومی ساخته و به وسیله چاپگر سه بعدی، فراوری گردد.

بعلاوه این موتور از نظر عملکرد هیچ تفاوتی با نسخه های اورجینال خود ندارد. این قطعات تازه، به شکل بسیار قابل توجهی هم در وزن هواپیما و هم در کاهش اندازه سوخت آن موثر هستند، جنرال الکتریک تخمین زده که با این کار، حدود 5 درصد از وزن کلی هواپیما و ا درصد هم از حجم سوخت مصرفی کاسته می گردد. نکته قابل توجه این است که تاثیر فوق العاده این اندازه صرفه جویی. زمانی که از این محصول در ساخت هواپیماهای بیشتری استفاده گردد، چندین برابر می گردد.

آیا چاپ سه بعدی از فناوری های سنتی انرژی کمتری مصرف می نماید ؟

جواب کوتاه برای این سوال این است : بستگی دارد که چاپ سه بعدی را با کدام فرایند فراوری مقایسه کنیم. مثلا یک پرینتر سه بعدی در مقایسه با یک ماشین CNC، از نظر اندازه صرفه جویی مالی در زمینه فراوری قطعات با حجم محدود، مزیت های بیشتری دارد. به شکل خلاصه، ضایعات مواد در چاپ سه بعدی از این نظر کم است که در این فرایند، اندازه مواد اولیه مورد احتیاج ساخت یک قطعه به اندازه دقیق تخمین زده می گردد و بعد این مواد، در طی فرایند ساخت افزایشی، به شکل لایه لایه رو هم قرار داده می شوند و قطعه مورد نظر را می سازند.

به همین خاطر است که هیچ تراشه و پلیسه ای به عنوان دورریز از کار باقی نمی ماند. اما فرایند فراوری در ماشین های CNC کاهشی ست، این یعنی اینکه قطعه نهایی، از دل حجمی از مواد اولیه تراشیده می گردد و بیرون می آید. مواد به جای مانده از این فرایند می تواند دورریز زیادی فراوری کند که در بسیاری از موارد، از اندازه حجم مواد استفاده شده در قطعه ساخته شده بیشتر است به عبارت دیگر، حجم دورریز در فرایندهای فراوری کاهشی، اغلب از 50 درصد هم بیشتر است.

به همین خاطر است که استفاده از فرایند های افزایشی فراوری، این همه با استقبال رو به رو می گردد، فناوری دیگر که معمولا چاپ سه بعدی را با آن مقایسه می نمایند، فرایند قالب گیری تزریقی است.

فرایند قالب گیری تزریقی را به عنوان یک فرایند فراوری با ضایعات نزیک به صفر می شناسیم. اما این فرایند هم در فراوری قطعات با حجم محدود. فرایند پر مصرفی محسوب می گردد در صورتی که چاپ سه بعدی می تواند تعداد دقیق سفارشات را بدون هیچ تاثیری در اندازه ضایعات مواد اولیه، به راحتی فراوری کند.

ضایعات در چاپ سه بعدی چقدر است؟

واقعا نمی توان گفت که چاپ سه بعدی فرایندی بدون ضایعات است. در واقع دو منبع ضایعاتی در این فرایند وجود دارد، یکی ضایعات در قسمت پس از فراوری و دومی، فراوری قطعات مشکل دار که به اجبار به زباله تبدیل می شوند. در ساخت هر قطعه سه بعدی، چند سازه حمایتی وجود دارد که بعد از فراوری قطعه، دورریخته می شوند. اگرچه حجم این سازه ها خیلی زیاد نیست. اما بالاخره نوعی ضایعات مواد محسوب می گردد.

مثلا در فرایند ذوب لیزری بر بستر پودر (PDF)، دور ریختن سازه های حمانی، نزدیک به ده درصد ضایعات روی دست ما می گذارد، اما می توان با یک طراحی خوب با هدف به حداقل رساندن این سازه ها، ضایعات را به حدود 2 درصد هم رساند.

یکی دیگر از منابع ضایعات در بخش پس از فراوری، مربوط به پرداخت نهایی قطعه است؛ در خصوص ساخت قطعات سه بعدی از جنس پلیمر، این ضایعات بسیار ناچیز است، اما هنگام ساخت قطعات فلزی، حجم این ضایعات قابل توجه است.

یکی دیگر از منابع ضایعات مواد در ساخت قطعات با چاپ سه بعدی مربوط به قطعات چاپ شده مشکل دار و بی مصرف است، ساخت قطعات مشکل دار از این مساله ناشی می گردد که طراحان هنوز نمی دانند برترین مدل طراحی بهینه برای فرایند فراوری افزایشی (که با روش های سنتی فرق دارد) چیست، موضوع دیگر هم این است که بدون آزمون و خطا به وسیله ساخت نمونه های مختلف از یک قطعه، قطعه نهایی با اثربخشی مورد نظر به دست نمی آید.

امروزه برای جلوگیری از ضایعات بی مورد در این بخش، از نرم افزارهای شبیه سازی استفاده می گردد. این نرم افزارها، نحوه رفتار یک قطعه هنگام ساخت را برای مهندسان و طراحان پیش نمایش می دهد، با استفاده از این نرم افزار می توان خطاهای احتمالی هنگام ساخت یک قطعه را پیش بینی کرد و از ضایعات مواد تا اندازه زیادی جلوگیری کرد. در نهایت می توان گفت که پرینترهای سه بعدی در مقایسه با ماشین های CNC و فرایندهای قالب گیری تزریقی، کم مصرف تر هستند.

بیشتر حجم ضایعات در این فرایند هم با طراحی بهینه و آماده سازی مناسب مراحل ساخت، تا حد زیادی قابل پیشگیری است. با بهینه سازی سازه های حمایتی در حین چاپ و جلوگیری از ساخت قطعات مشکل دار با نرم افزارهای شبیه سازی، می توان تا حد زیادی جلوی ضایعات چاپ سه بعدی را گرفت.

مدیریت ضایعات چاپ سه بعدی

یکی دیگر از جنبه های پایداری در زمینه چاپ سه بعدی، بازیافت و استفاده دوباره از قطعات و مواد در فرایند چاپ است. بازیافت در صنعت چاپ سه بعدی از این جنبه دارای اهمیت است که اولا قطعات و مواد اولیه مورد استفاده در چاپ سه بعدی گران هستند و ثانیا، این گمان غلط وجود دارد که وقتی فلزات به شکل پودر در می آیند، دیگر نمی گردد از آنها استفاده مجدد کرد.

در فرایند ذوب لیزری بر بستر پودر فلزات (PBF)، اندازه پودر فلزاتی که از فرایند قبلی به جای مانده را می توان دوباره جمع آوری کرد و بعد با نسبتی معین با پودر تازه و دست اول مخلوط کرد. البته اغلب شرکت ها نسبت به این کار بدگمان هستند و پودر به جای مانده را دور می ریزند تحقیقات معتبر هم نشان می دهد که بازیافت و استفاده دوباره از پودر فلزات، نه تنها در فرایندهای مکانیکی چاپ سه بعدی اختلال ایجاد نمی نماید، بلکه باعث می گردد که فرایند چاپ سه بعدی صرفه جویانه تر و اثربخش تر باشد. در کنار این روش بازیافت، بسیاری از کمپانی ها هم در پی این هستند که قطعات فلزی اوراقی را به پودر تبدیل نموده و از آن برای استفاده در چاپ سه بعدی استفاده نمایند. علاوه بر بازیافت فلزات، امروزه بیشتر حجم پلاستیک مصرفی در چاپ سه بعدی هم از پلاستیک های بازیافتی تامین می گردد.

کمپانی های بزرگ و معتبری مانند GreenGate3D Filamentive . Nefilatek. Refil و Replay 3D در فرایندهای خود، از نسبت های معقولی از فیلامنت های بازیافتی استفاده می نمایند. در نهایت اینکه، نمی توان گفت فناوری چاپ سه بعدی یک فرایند فراوری کاملا سبز است، اما می توان با اطمینان گفت که با بکارگیری استراتژی های مناسب، این فناوری می تواند به یکی از اثربخش ترین و امیدوارنماینده ترین روش های فراوری پایدار تبدیل گردد.