کاربرد های تکنولوژی های سه بعدی

کاربردهای چاپ سه بعدی

در ابتدا چاپ سه بعدی به منظور نمونه سازی و مدل سازی در صنایع بکارگرفته میشد.
چاپ سه بعدی با سرعت بخشیدن به فرایند نمونه سازی و با روش های ساده و آسان فرایند تولید را بهینه تر و سریعتر می کند و سبب صرفه جویی در وقت و هزینه ها و بالاتر رفتن کیفیت محصولات می شود.
نمونه سازی(گرچه گاهی اوقات نادیده گرفته میشود) احتمالا هنوز هم بزرگترین کاربرد چاپ سه بعدی است.

به مرور زمان با پیشرفت مواد و روش های تولید در چاپ سه بعدی کاربرد های آن بیشتر شده و بیشتر به فرایند های تولید مستقیم محصول نزدیک شده است مانند فرایند های ابزار سازی و قالب سازی.
همچنین، این کاربردها بطور فزاینده ای در سراسر بخش های صنعتی اتخاذ و استفاده می شوند.

در ادامه به بررسی دقیق تر این کاربرد ها می پردازیم…

کاربرد های پزشکی

مقدمه : 

صنعت پزشکی جزو یکی از اولین صنایعی است که چاپ سه بعدی در آن استفاده شده است.چاپ سه بعدی در حوزه پزشکی به دلیل داشتن قابلیت سفارشی سازی و شخصی سازی و قابلیت بهبود زندگی افراد پتانسیل زیادی برای پیشرفت دارد و موادی که در این فرایند استفاده می شود دارای استاندارد های لازم پزشکی هستند.

فن آوری های چاپ سه بعدی در حوزه پزشکی کاربردهای بسیاری دارند. علاوه بر ساخت نمونه های اولیه برای (فرایند تولید محصول جدید) در صنایع پزشکی، از این فن آوری بطور مستقیم به منظور تولید ایمپلنت های مفصل ران و زانو، و محصولات سفارشی بیمار، مانند سمعک، کف ارتوتیک برای کفش، پروتز شخصی سازی و ایمپلنت های یک تکه برای بیماران مبتلا به بیماری هایی مانند آرتروز، پوکی استخوان و سرطان استفاده می شود. این فنآوری همچنین برای چاپ سه بعدی پوست، استخوان، بافت، داروها و حتی اعضای بدن انسان نیز استفاده می شود. با این حال فاصله زیادی با تجاری سازی این فنآوری ها وجود دارد.

از زمانهای گذشته روشهایی وجود داشته برای ساختن تصویری که در ذهن انسان است. از تراشیدن چوب و سنگ به وسیله ی ابزار مختلف تا میخ کردن و اتصال بخشهای مختلف چوبی و یا سنگی. به مرور زمان روشهای بشر برای ساخت پیشرفت کرد، شکل دادن به آهن و قالب ریزی و ریختگری را فرا گرفت و در تراشیدن سنگ و چوب مهارت بسیاری کسب کرد و ابزار کارآمدتری ساخت.
بعد از گذشت زمان در سده ی ۱۹ متولد شدند مثل دستگاههای فرز و ارههای اتوماتیک که به دلیل دستی بودن از دقت خوبی برخوردار نبودند.  بعد از جنگ جهانی دوم ضرورت وجود دستگاه هایی که توانایی ساخت قطعات پیچیده و دقیق را برای صنایع   کوشش ها و تحقیقات آزمایشگاه سرومکانیزم انیستیتو ۱۹۵۲ هوافضا داشته باشند احساس می شد .در سال تکنولوژی ماساچوست به بار نشست و اولین ماشین فرز   متولد شد .بعد از آن تلاشهای زیادی برای به وجود آوردن دستگاههای کنترل پیشرفته تر انجام شد .با ورود  کامپیوتر به سیستمهای  NC  تحول دیگری در تکنولوژی NC به وجود آمد که امروز ماشینهای CNC محورهای کنترل بیشتر و دقت و سرعت بهتر به وفور دیده میشود که میتوان اتوماسیون را به سطح بسیار بالایی در  مشاهده نمود. بخش دیگری از دستگاههای برش نیز با استفاده از سیستم های CIMS  و  CAD/CAM ،DNC   کار میکنند.  به نحوهی ساخت در دستگاههایی اشاره شد( واتر جت و لیزر کات)  تولید کاهشی میگویند، یک جسم حجیم تر معمولاً یک مکعب زیر دستگاه قرار داده میشود و بعد از اتمام برش طرح نهایی به دست می آید.

سپس از دهه ۸۰ میلادی که دستگاه های جدیدی برای نمونه سازی سریع معرفی شدند. این دستگاه ها برعکس مدل های قبلی از روش تولید افزایشی ( additive manufacturing )  استفاده می کردند.نمونه اولیه این دستگاه ها  ماده رزینی خاصی را با اسفاده از لیزر سفت می کند و به صورت لایه لایه طرح نهایی را می سازد. با پیشرفت این تکنولوژی جمعی ازدانشجویان دانشگاه MIT دستگاهی با نام FDM که ماده پلاستیکی را ذوب می کند و به صورت لایه لایه بر روی یک بستر می ریزد تولید کردند. این دستگاه توانایی ساخت یک حجم سه بعدی را داشت. در ابتدا این دستگاه به صورت کاملا صنعتی و رفا جهت تولید نمونه اولیه یک محصول استفاده می شد اما رفته رفته و در سال ۲۰۰۸ میلادی این دستگاه ها برای مصارف خانگی تولید شدند و با نام پرینتر سه بعدی وارد بازار شدند.

به دلیل قیمت نسبتاً پایین نمونه ی معمولی این دستگاه ها و همچنین توانایی بالای آنها در ساخت نمونه های غیر صنعتی و نه چندان دقیق و همچنین راحتی کار کردن با آنها باعث شد تا رفته رفته استفاده از این دستگاهها زیاد شود تا جایی که نمونه ی متن باز آنها نیز ارایه شد و بسیاری از مردمی که در زمینه ی فنی کار میکردند برای رفع نیازهای خودشان شروع کردند به استفاده از دستگاه های پرینت سه بعدی.

در چندین سال گذشته پرینتر سه بعدی صرفاً برای تولید نمونه اولیه استفاده نمی شده و هرکسی با توجه به خلاقیت و هنری و یا علمی که در خود می دید کاربردی جدید برای آن پیدا کردن است. همچون کاربردهای تزئیناتی، بدنه دستگاه های دست ساز، ابزار کار، مسائل مربوط به سلامت، پوشاک، حتی خوراک و بسیاری از کاربردهای دیگر. هدف از این مطلب پرداختن به کاربردهای مختلف پرینتر سه بعدی در حوزه ی سلامت است که در ادامه به آن میپردازیم. اگر نظری در حوزه ی سلامت و پزشکی داشته باشیم می بینیم که این حوزه از چند بخش تشکیل شده است. مثلاً حوزه ی جراحی و اندام داخلی بدن، بخش دندانپزشکی، بخش پروتز اندام بیرونی یا داخلی و بسیاری از حوزه های دیگر که ممکن است با تحقیق و تفکر بتوان بخشی از آنها را به پرینتر سه بعدی مربوط کرد.

کاربرد تکنولوژی های سه بعدی در اوروتز ها و پروتز ها


پروتز و اوروتز دست :

دست از اندامی است که معلولیت های مختلفی همچون قطع شدگی و یا ناتوانی اندام به وفور اتفاق میافتد، از قدیم همواره بشر روشی برای پنهان کردن و رفع این معلولیت داشته است. از گذاشتن یک جسم شبیه به اندام تا قرار دادن بخش هایی متحرک به جهت اینکه فرد بتواند از آنها همچون دست استفاده کند. امروزه نیز پروتزهایی ساخته میشود که یا شبیه به یک دست اما ثابت اند یا با استفاده از عصبهای دست دستور میگیرند و به شکل مطلوب حرکت می کنند. از مزیتهای تولید دست مصنوعی با استفاده از پرینتر سه بعدی نسبت به روشهای سنتی این است که دست را می توان کاملاً به صورت دلخواه ساخت و در شکل آن محدودیتی نیست. رنگ و طرح آن نیز قابل تعیین است. مشخص کردن مدل دست و بخشهای مختلف آن کاملاً به صورت کامپیوتری است و میتوان سایز و ابعاد را به صورت دقیق مشخص کرد. هر بخش را میتوان با استفاده از جنس و رنگ دلخواه پرینت کرد و در صورت خرابی هر تکه میتوان قطعه ی جدید را با آن تعویض کرد.  بزرگترین مزیت این روش برای تولید دست مصنوعی کم کردن کار یدی است کارشناس و تولید کننده است و همچنین آزاد بودن برای تعیین طرح و شکل آن.  از مزیتهای دیگر آن میتوان به سبکی آن اشاره کرد.
 .

.

.

.

.

.

.


پروتز یا اوروتز پا

یکی دیگر از پروتزهایی که میتوان در تولید آن از پرینتر سه بعدی استفاده کرد و در مصرف وقت، هزینه و انرژی صرفه جویی کرد پروتز پای مصنوعی چه زیرزانو چه بالای زانو است. امروزه در بیشتر کشورهای در حال توسعه که تعداد قطع شدگی پا در آنها بیشتر از دیگر کشورها می باشد پای مصنوعی هنوز به روشهای سنتی و قدیمی انجام میشود که مراحل زمانبر همراه با کار یدی زیاد می طلبد. در روش سنتی کارشناس بسیار زیاد با گچ کار میکند و به صورت دستی باید بخشهای مختلف قالب گچی را اصلاح کند تا به درستی به اندازهی پای بیمار بشود و از نظر تعلیق مشلکی نداشته باشد و همچنین برای  پای بیمار راحت باشد. این روش قطعاً دقت چندان بالایی نیز ندارد و اساس کارش بر محاسبات علمی نیست و کارهای خارق العاده ای همچون دویدن و پریدن را نمی توان از بیمار انتظار داشت!

با استفاده از تکنولوژی پرینت سه بعدی می توان پروسه ی ساخت این پروتز را به میزان خوبی تا حدود یک نیم روز کاهش داد. مزیت بزرگ استفاده از این تکنولوژی حذف نیروی انسانی و کار یدی است و بیشتر کار بر دوش کارشناس حرکتی است که باید پا بیمار را اسکن و سپس فایل سه بعدی را به درستی با استفاده از نرم افزار اصلاح کند. همچنین با استفاده از این تکنولوژی میتوان پاهای مصنوعی بسیار سبکی تولید کرد که بر اساس علم پروتز و اورتز ساخته شده اند و توانایی بسیار بالایی به بیمار می دهند. از مزیتهای دیگر این روش میتوان به قابلیت انتخاب در طرح و رنگ پروتز اشاره کرد. از نظر استحکام نیز برای استفاده های معمولی همان پلاستیکی که در این نوع پرینترها به کار می رود کافی است اما برای مصارف خاص تر میتوان از فیبر کربن و یا الیاف شیشه استفاده کرد.  از پرینتر سه بعدی برای تولید اورتز پا نیز میتوان استفاده کرده، کافی است یک کارشناس طرح مورد نظر را به صورت سه بعدی طراحی کند و با استفاده از پرینتر سه بعدی آن را تولید کند. اینگونه می توان اورتزهای دقیق با طرح دلخواه و سبک تولید کرد.


.

.

اورتز کمر و گردن

این اورتز که برای مشکلات مربوط به کمر استفاده می شود نیز با استفاده از

روشهای قدیمی تولید می شود که خروجی آن معمولاً سنگین می شود و چندان برای بیمار راحت نیست. همچنین نحوه ی قالب گرفتن از کمر بیمار بسیار سخت است و برای بیمار عذاب آور. با استفاده از تکنولوژی اسکن سه بعدی میتوان کمر بیمار را نیز در زمان کمی بدون تماس اسکن کرد و به راحتی اورتز مناسب را در سبک ترین حالت ممکن و با مقاومت بالا پرینت کرد. از پرینتر سه بعدی برای تولید اورتز گردن نیز استفاده می شود.

.

.

.

.

.

.

.

.

  کاربرد پرینتر سه بعدی در ساخت اندام مصنوعی بیرونی و داخلی

در تولید اندامهای مصنوعی هم اکنون روشهای مختلفی وجود دارد که در بخشی از آنها اندام مصنوعی به بخشی زنده از بدن تبدیل می شود و در بخشی دیگر فقط نما دارند و اندام زنده به حساب نمی آیند.  برای تولید اندام غیر زنده براحتی میتوان فایل را با استفاده از مواد بیو پرینت کرد و آن را در جای مورد نظر قرار داد. برای تولید بافت های زنده نیز همین مواد را می توان پرینت کرد و آنها را تحت کاشت سلولی قرار داد تا به اندام زنده تبدیل شوند. فایل سه بعدی بیشتر این اندامها از طریق  MRI   به دست می آیند و البته لایه های سلولی و مولکولی آنها نیز باید دقیقاً مشخص شوند. به جای استفاده از پلاستیک یا فلز به عنوان مادهی اصلی پرینت، پرینتر سه بعدی اعضای بدن انسان از سلولهای انسانی بسته به نوع عضوی که پرینت خواهد شد، مورد استفاده قرار میگیرد که این سلولها با موادی برای نگاه داشتن سلول های در کنار یکدیگر همراه می شود . در کنار استفاده از سلولهای مختص به عضو مورد نظر، میتوان از سلولهای بنیادی نیز استفاده کرد که قابلیت تبدیل شدن به سایر سلولهای مورد نظر را داشته و بدن انسان نیز میتواند چنین سلولهای را پذیرایی نماید .

همچنین سایر موادی که بدن انسان تعامل خوبی با آن برقرار کرده و مشکلی را از نظر سلامتی برای انسان پدیدار نمی کند نیز می توانند در پرینت سه بعدی مورد استفاده قرار گیرند .برای مثال می توان به استفاده  از یک فک تیتانیومی در یک زن ۸۳ ساله و استفاده از یک استخوان ران پلاستیکی در یک مرد که با استفاده از پرینت سه بعدی تولید شده اشاره کرد.

از پرینتر سه بعدی میتوان اندام خارجی همچون گوش و بینی  و غیره را تولید کرد و از اندام های داخلی می توان قلب،استخوان ،ریه ،  بخشهایی از جمجمه و … را تولید کرد.

برای کاشت استخوان نیز ابتدا اسکفلد با مربوطه با توجه به استخوان بدن طراحی و پرینت میشود و سپس روی آن آبکاری میشود تا لایه ی زنده بتواند بر روی آن شکل بگیرد و بعد از کاشت سلولی داخل بدن قرار می گیرد.

کاربرد های تکنولوژی سه بعدی در دندان پزشکی

دندانپزشکان تا کنون  برای ساخت دندان با استفاده از مواد خاصی که داخل دهان بیمار میگذاشتند از دندانها قالبگیری می کردند و سپس با استفاده از این قالب مواد ریزی میکردند و دندان را می ساختند. این پروسه چند روز طول می کشید ولی هم اکنون میتوان با اسکن داخل دهان به وسیله ی اسکنرهای مخصوص مدل سه بعدی دندان را به دست آورد و با استفاده از دستگاه به راحتی آن را تولید کرد و به وسیله ی مواد مختلف آبکاری کرد و روی ماده ی اولیه آن را پوشاند.

کاربرد تکنولوژی های سه بعدی در هوافضا

همانند بخش پزشکی، بخش هوافضا هم جزو اولین ها در استفاده از فنآوری های چاپ سه بعدی به حساب می آیند. عدم وابستگی به ساخت در قالب ها و در نتیجه افزایش توانایی برای تولید قطعات پیچیده بدون محدودیت در هندسه باعث شده که این روش نسبت به روش های قدیمی تر همچون ریخته گری و ماشین کاری پیشرفت چشمگیری داشته باشد. برای مثال در کارخانه ایرباس چاپگرهای لیزری سه بعدی صدها قطعه فلزی را برای استفاده در ایرباس ۳۵۰ استفاده کرده اند این قطعات سبک تر و مقاوم تر و ارزان تر از قطعات قدیمی تولید شده اند.

بعضی از شرکت های این حوزه بطور معمول با موسسات علمی و پژوهشی کار میکنند و پا را فراتر از مرزهای فنآوری برای کاربردهای تولیدی گذاشته اند…  در حالیکه بسیاری از این شرکت ها برنامه ریزی برای آینده دارند و بیشتر کار آنها تحقیق و توسعه است، برخی از آنها به آینده کاملا امیدوار هستند.

کاربرد تکنولوژی های سه بعدی در صنعت جواهرسازی

در حال حاضر در صنعت طلا و جواهر و فلزات قیمتی طراحی با کیفیت بسیار مهم شده است و سلیقه ی مشتریان به سمت کارهای خلاقانه و پیچیده سوق داده شده است. در گذشته تمامی این کارها به صورت دستی انجام می شد به شکلی که در ابتدا طرح را با دست درست کرده و بر روی آن پرداخت انجام می دادند و بعد از آن در چندین مرحله قالب می گرفتند تا برای ریخته گری طلا آماده شود و همیشه هم نتیجه ی بدست آمده مطلوب نبود.

امروزه با تکیه به قدرت پرینتر های سه بعدی این کار بسیار راحت تر ، با دقت تر و با کیفیت تر شده است به شکلی که بسیار راحت طرح سه بعدی با بیشترین دقت با مواد مناسب ریخته گری چاپ میشود و آماده ریخته گری طلا و یا هر فلز دیگری می باشد.

کاربرد تکنولوژی های سه بعدی در حوزه معماری

یکی از بیشرین کاربرد های چاپ سه بعدی در حوزه معماری است. معمار ها برای کشیدن نقشه ساختمان و نمایش آن در گذشته آن ها را بر روی کاغذ می کشیدند و یا ماکت یک مکان یا ساختمان را آماده کنند و برای تولید این ماکت ها روزها یا بلکه ماه ها وقت صرف می کردند اما اکنون با استفاده از چاپ سه بعدی تنها کافیست که طرح خود را با استفاده از نرم افزار های طراحی سه بعدی مانند ۳dmax و… طراحی کرده و سپس آنها را به دستگاه بدهند تا چاپگر آن را ایجاد کند. همچنین فناوری ساخت خود خانه نیز در سالهای اخیر پیشرفت زیادی داشته و پیش بینی می شود در آینده از این فناوری برای ساخت سریع و ارزان خانه های مسکونی استفاده شود.

منبع : مدرسه پرینت سه بعدی ۳DFAST