تاریخچه پرینتر سه بعدی از ابتدا تا به حال

تاریخچه پرینتر سه بعدی به زمان نه خیلی دور حدود 50 سال برمیگردد.  تکنولوژی پرینتر سه بعدی یکی از سه روش رایج در زمینه ساخت قطعات است .

واضح است که آن موقع، هیچ چیز به سادگی امروز نبود و علاوه بر قیمت بسیار بالای قطعات و مواد اولیه، تخصص بسیار زیادی برای مدل‌سازی و تولید یک شئ ساده مورد نیاز بود.

فناوری پرینت سه بعدی AM(Additive Manufacturing)یا به فرآیندهایی گفته می شود که تحت آن لایه های مواد به منظور تولید یک جسم سه بعدی فیزیکی توسط یک برنامه کنترلی کامپیوتری به صورت پی در پی روی هم قرارگرفته و محصول مورد نظر را به تولید می رسانند. معمولا فایل سه بعدی کامپیوتری به صورت چند لایه بوده که هر لایه توسط کنترل کامپیوتری یک مرحله از این فرآیند تولید محصول را تشکیل خواهند داد. که در نتیجه آن محصول نهایی به صورت لایه لایه ، شامل تعداد زیادی از این لایه ها می باشد.

در کل همانطور که از اسم این فرآیند مشخص است پرینت سه بعدی به فرآیندی گفته می شود که در آن با قرار گیری لایه های مواد روی هم توسط برنامه کامپیوتری یک محصول سه بعدی به تولید برسد. فرآیند پرینت سه بعدی را میتوان به طور کلی به دو دسته مستقیم و غیر مستقیم تقسیم کرد

تاریخچه پرینتر سه بعدی در طول زمان
تاریخچه پرینتر سه بعدی

kodama – چین نمونه سازی سریع
کاربردی با استفاده از فتوپلیمرها

 Deckart Carl دانشگاه
تگزاس : SLS

Arcam
پرینتر ساخت فلز
EBM

Adrain Bowyer
RepRAP open source
Binder Jet

Maker bot Thingivers
DIY 3dprinter
کاهش قیمت پرینتر سه بعدی

بیشتر از 200 کمپانی
پرینتر سه بعدی

 Hull Chuck Charles
3DSystems : SLA 

Crump Scott
Stratasys : FDM

Wake Forest
چاپ سه بعدی ارگان

“Darwin” اولین پرینتر سه بعدی
Open source
FDM  بعدی

 Maker bot خرید کمپانی
Stratasys توسط

مروری بر تاریخچه پرینتر سه بعدی

تازه ترين تکنولوژیهای پرينت سه بعدی در اواخر دهه ی ۱۹۸۰ نمايان شدند که در آن زمان تکنولوژیهای نمونه سازی سريع Prototyping Rapid به اختصار RP ناميده میشدند. اين نامگذاری به اين دليل بود که اين فرايند اساسا بعنوان روشی سريع و مقرون بصرفه تر برای  ایجاد نمونه های آزمایشی جهت توسعه ی تولید در صنعت تلقی می شد.

  1970دهه ایده پردازیهای اولیه مهم ترین ده تاریخچه پرینتر سه بعدی

اوایل این دهه شرکت میتسوبیشی موتورز این ایده را ارائه داد که از متریال سخت شدۀ عکاسی برای ساخت لایه به لایۀ قطعات استفاده شود.

در این دهه ثبت اختراع «چیزی که ما به آن “چاپ سه بعدی” اطلاق می کنیم»، به معنای محدود در نظر گرفته نشده است بلکه شامل نوشتن یا نمادها و شکلها و الگوهای دیگر مربوط به جوهر می شود؛ اصطلاح جوهر در اینجا نه فقط شامل مواد حاوی رنگ و رنگدانه، بلکه به هر مادۀ روانی گفته می شود که از آن برای تولید الگوها و شکلهای مورد نظر استفاده میشود. جوهر مورد نظر در دهه هفتاد مثلا میتواند از نوع ذوب داغ باشد. طیف وسیعی از ترکیبات جوهری در بازار موجود بود که می توانست نیازهای اختراع را برطرف سازد اما در آن زمان شناخته شده و ارزان نبود. با این وجود، در این اختراع دهه هفتاد میلادی از آلیاژ فلز رسانا به عنوان جوهر استفاده شده است:

1971

 یوهانس اف.گوتوالد دستگاهی با ساختاری مشابه Liquid Metal Recorder را ثبت اختراع کرد؛ این دستگاه یک جوهرافشان پیوسته برای متریال فلزی بود که میتوانست قطعه ای فلزی را روی صفحه ای چند بار مصرف تولید کند تا آن صفحه برای چاپ مجدد یا فوری قابل استفادۀ مجدد باشد. بنظر می رسد این اولین ثبت اختراع مربوط به چاپ سه بعدی یا نمونه سازی سریع باشد.

با اینحال دستگاه یوهانس اشکالاتی داشت: از نظر نیازمندی به متریال برای فرایندهای بزرگ، متناسب با افزایش اندازه، هزینه نیز زیاد میشد و محدودیتهایی هندسی  هم ایجاد میکرد. در نتیجه هدف فرعی این بود که استفاده از متریال در فرایند را به حالت بهینه برسد. یکی دیگر از اهداف دستگاه یوهانس این بود که مواد استفاده شده در هر فرایند ساخت، قابل بازیابی برای استفادۀ مجدد باشند. جنبۀ دیگر این اختراع آن بود که صفحۀ حاملی وجود داشته باشد که پس از اتمام کار بتوان الگو را به راحتی از آن جدا کرد (یعنی همان مفهوم بستر ساخت جداشونده پرینترهای سه بعدی امروزی). دستگاه یوهانس وتوالد خیلی پیشرفت نداشت و در حد تئوری باقی ماند.

1980

ژاپن : دکتر کوداما : اختراع نافرجام

Hideo Kojima اولین حق اختراع پرینتر سه بعدی را درخواست می کند. در طرح او، یک سیستم نمونه سازی سریع با متریال فتوپلیمر شرح داده شده است. این سیستم از نور UV برای سخت کردن متریال استفاده می کند. این ایده هرگز در آن زمان تجاری سازی نشد.

                                                                                                                        1983 تاریخچه پرینتر سه بعدیتاریخچه پرینتر سه بعدی تاریخچه پرینتر سه بعدیتاریخچه پرینتر سه بعدی

Charles Hull اولین دستگاه پرینتر سه بعدی استریولیتوگرافی را اختراع کرد. (SLA)

1986

اولین حق ثبت اختراع دستگاه پرینتر سه بعدی به چارلز هال برای ساخت دستگاه SLA اعطا میشود. هال به صورت شراکتی، دست به تاسیس شرکت

3D SYSTEM می زند.

1987

Carl Deckard حق ثبت اختراع تکنولوژی چاپگر سه بعدی SLS را درخواست می کند. این اختراع در سال 1989 به نام شرکت DTM ثبت می شود. شرکتی که بعدها توسط کمپانی 3D SYSTEM خریداری شد.

1988

کمپانی 3D SYSTEM نخستین دستگاه نمونه سازی سریع تجاری را با تکنولوژی SLA و با نام SLA-1 به فروش می رساند.

1989 محبوب ترین تاریخچه پرینتر سه بعدی

اسکات کرامپ، بهمراه همسر و همکارش لیزا کرامپ، شیوۀ تولید افزایشی جدیدی را به نام Fused Deposition Modeling اختراع و ثبت کردند. این روش شامل ذوب شدن یک رشته پلیمر ترموپلاستیکی و رسوب لایه به لایه و در نتیجه ساخت قطعۀ سه بعدی بود.

روایت FDM از یک داستان شخصی نقل شده از اسکات کرامپ شروع می‌ شود:

او می خواست یک قورباغه اسباب بازی برای دختر دوساله‌اش بسازد. همچنین به عنوان مهندس مکانیک میخواست دستگاهی را برای تولید خودکار اجسام سه بعدی آزمایش کند؛ در آشپرخانۀ خانه اش سعی کرد که موم شمع را با پلاستیک (پلی اتیلن) ترکیب کند. متوجه شد که تولید یک شی سه بعدی با ابزاری شبیه چسب تفنگی امکان پذیر است. عصرها وقتی از سر کارش برمیگشت مدتی در آشپزخانه روی ایده اش ور میرفت ولی از آنجا که ساخت قطعه با این روش، پلاستیکِ سوختۀ زیادی به جا گذاشته بود، همسرش را شدیدا کفری کرد و مجبور شد که کار را به گاراژ منتقل کند و آنجا به کار خود ادامه دهد.

کرامپ بعدا تصمیم گرفت این روش را کاملا اتوماتیک کند: فکر کرد که اگر تفنگ را به یک سیستم رباتیک سه محوره وصل کند، روند مدل سازی به صورت خودکار انجام خواهد شد… و بدین ترتیب نمونه سازی لایه گذاری ذوب شونده بنام FDM یا FFF متولد شد.

با پیشرفت چشمگیر آزمایشهای کرامپ در گاراژ خانه ، همسرش به او گفت که یا شور و شوق خود را به تجارت بدل کند و یا از این سرگرمی بیهوده دست بکشد. خودتان حدس بزنید چه شد؟ او و همسرش لیزا کرامپ در سال 1989 فناوری FDM را ثبت کردند!

1993

اصطلاح چاپ سه بعدی یا  3D Print در اصل به فرایندی اطلاق می شد که در آن یک سر ابزار شبیه هد جوهرافشان روی بستر پودری حرکت می کرد. این تکنولوژی در سال 1993 در MIT توسط امانوئل ساچز توسعه یافت و توسط شرکتهای Soligen Technologies، Extrude Hone  و Z    Corporation  به بازار تجاری عرضه شد و الهام بخش تکنیک پرینت سه بعدی بایندرجت گردید (در این روش پودر پلیمر با پاشش لایه به لایه مایع استحکام دهنده سخت میگردد).

در سال 1993 نیز شاهد آغاز به کار یک شرکت پرینت سه بعدی به نام Sanders، که بعداً به Solidscape تغییر کرد، بودیم. این شرکت یک سیستم ساخت پرتابی پلیمر (Polymer jet Fabrication) با ساختارهای ساپورت محلول را ارائه کرد. (که در تکنیک های «نقطه به نقطه» دسته بندی می شود).

1995

انجمن فرانهوفر فرایند اولیه تکنیک SLM را توسعه داد

1997

کمپانی Aeromat  اولین فرایند پرینت سه بعدی فلزی را با استفاده از تکنولوژی  Laser additive manufacturing یا (LAM) اختراع می کند. در این تکنولوژی لیزری با قدرت، ذرات پودری آلیاژهای تیتانیوم را به هم جوش میدهد.

1999

موسسه ی Wake forest که در زمینه ی دارو های احیاکننده فعالیت میکند، اولین اندام ساخته شده با پرینتر سه بعدی را در آزمایشگاه رشد می دهد. از این عضو در جراحی و پیوند مثانه استفاده می شود.

2004

در این سال آدرین بویِر، استاد ارشد مهندسی مکانیک در دانشگاه باث انگلستان، پروژه RepRap را راه اندازی کرد؛ پروژه ای با منبع باز که هدف آن ساخت یک پرینتر سه بعدی FDM بود که بتواند اکثر اجزای خودش را چاپ کند؛ ارزان باشد و همچنین در دسترس همگان با قابلیت توسعه و سفارشی سازی.

2005

دکتر Adrian Bowyer طرح ایده ی  RepRapرا مطرح می کند که این طرح، ایده ی یک پرینتر سه بعدی خود تکثیر را به اشتراک میگذارد. این امر منجر به پدیدار شدن انواع مختلف جدیدی از دستگاه های پرینتر سه بعدی می شود.

2007

اولین طراحی پرینتر سه بعدی  RepRap، به نام «داروین»، چندی بعد در سال 2007 منتشر شد. نسخه های دیگر، از جمله «مِندل»، «پروسا مندل» و «هاکسلی» در سال های بعد ارائه شدند. پرینترهای اولیۀ RepRap از روی زیست شناسان مشهور انگلیسی نامگذاری میشدند، زیرا فلسفه این پروژه بر مبنای تکثیر و کامل شدن تدریجی (تکامل طبیعی) بود! جالب اینکه این پلتفرم بعدها مغلوب نوادگانش شد (توقف رپ رپ سال 2016) و کم کم ساختارهای مکانیکی و طراحی صنعتی بروزتری برای تکنیک FDM ارائه شدند که دیگر پلتفرم RepRap را قدیمی جلوه میداد؛ درست همانند تکامل در طبیعت، اجداد این پلتفرم منقرض شدند و هسته بهبود یافته آن به نسلهای جدیدتر همچون برندهای کنونی Prusa ، Ultimaker، MakerBot  … منتقل شده است.

 Darwin نام اولین پرینتر سه بعدی است که به صورت تجاری و در چهارچوب استاندارد های RepRap کار میکند.

در سالهای اول دهه 2000، چاپگرهای سه بعدی کمتر در دسترس عموم قرار داشتند و اکثرا شرکت های بزرگ برای نمونه سازی و تولید از آنها استفاده می کردند. آن زمان این فناوری هنوز هم پیچیده و گران بود. همین امر موجب شد که RepRap اولین پرینتر ارزان و کاربرپسند خود را ارائه دهد و هدفش را گسترش استفاده از پرینترهای سه بعدی برای عموم معرفی کند. در سال 2008، آنها پرینتری ارائه کردند که توانایی تولید قطعات خود را داشت. شرکتShapeways  اولین سیستم خدمات پرینت سه بعدی را ایجاد می کند. به طوری که مشتریان این خدمات بتوانند فایل های خود را برای مصارف شخصی در این مرکز پرینت کنند.

2009

حق ثبت اختراع پرینتر سه بعدی FDM که قبلا در اختیار شرکت Shapeways بود منقضی می شود. میانگین قیمت یک دستگاه پرینتر سه بعدی FDM از 10000 دلار به کمتر از 1000 دلار کاهش پیدا می کند.

پرینتر سه بعدی Micro که متریال های  PLA، ABS را پشتیبانی می کرد، دوره ی فروش مرحله ی اول خود را آغاز می کند و تبدیل به یکی از پر هزینه ترین پروژه های تجاری سازی پرینتر سه بعدی در پلتفرم خود می شود.

کمپانی Makerbot ساخت و مونتاژ پرینتر سه بعدی را با تولید کیت هایی با عنوان Do-It-yourself در دسترس عموم قرار میدهد. این کیت ها حاوی قطعات مورد نیاز برای مونتاژ دستگاه پرینتر سه بعدی است.

Makerbot وبسایت thingiverse.com را معرفی می کند. این وبسایت آرشیو گسترده ای از مدل های سه بعدی است و به کاربران خود اجازه می دهد که مدل های سه بعدی خود را بارگذاری و به اشتراک گذاشته و مدل های سه بعدی مورد نیاز خود را دانلود کنند. بسیاری از مدل های سه بعدی موجود در این وبسایت، اختصاصا برای ساخت با پرینتر سه بعدی دسته بندی شده اند.

در این سال بنیاد Kickstarter راه اندازی شد. اگرچه این سازمان ارتباط مستقیمی با چاپ سه بعدی ندارد، اما این وبسایت مشهور جمع آوری بودجه استارت آپی به سکوی پرتاب و افزایش سرمایۀ تعدادی از پرینترهای سه بعدی مشهور تبدیل گشت. در حالی که برخی از ایده ها در این سایت می سوختند و خراب می شدند، بعضی دیگر خود را به عنوان بازیگران اصلی صنعت معرفی کردند.

مثلا، یکی از بیشترین بودجه ها برای پروژۀ پرینتر Micro در سال 2014 جمع آوری شده، یک پرینتر سه بعدی مصرفی با متریال PLA یا ABS که فیلامنت های مخصوص و استاندارد خود را دارد. سازندۀ این دستگاه درخواست 50 هزار دلار کرد و در عوض بوجۀ عظیم 3.401.361 دلاری جمع کرد

2011

اوایل همه فکر می کردند که چاپ سه بعدی فقط به تولید قطعات کوچک محدود می شود، اما وقتی که مهندسان دانشگاه Southampton انگلستان اولین هواپیمای بدون سرنشین را طراحی و چاپ سه بعدی کردند، چشم جهانیان به امکانهای جدیدی گشوده شد. کل هزینۀ این کار کمتر از 7000 دلار بود.

شرکت Kor Ecologic ، برای عقب نماندن از قافله، از یک نمونۀ اولیۀ خودرو با بدنۀ چاپ سه بعدی در همایش TEDxWinnipeg در کانادا رونمایی کرد.

2012

سازندگان  B9creator و Form 1c دوره ی فروش مرحله ی اول موفقی را شروع می کنند که در آن به ترتیب پرینتر سه بعدی را با تکنولوژی های DLP و SLA برای استفاده ی مصرف کنندگان مبتدی، عرضه می کنند.

شرکت Filabot سیستمی برای ارتقاء پلاستیک های مصرفی ارائه کرد که به پرینترهای سه بعدی FDM و FFF اجازۀ می دهد با طیف گسترده تری از ترموپلاستیک ها کار کنند.

2013

کمپانی Stratasys برند شرکت Makerbot را به ارزش 400 میلیون دلار خریداری می کند.

2014

«بنجامین کوک و مانوس تنت‌زریس» اولین پلتفرم تولید افزایشی قطعات یکپارچۀ الکترونیکی با مواد چندگانه (VIPRE) را معرفی کردند که امکان چاپ سه بعدی قطعات الکترونیکی عملیاتی تا 40 گیگاهرتز را فراهم کرد.

2015

شرکت سوئدی Cellink اولین نمونه ی استاندارد و تجاری Bio-link را به بازار عرضه می کند. این متریال که از نوعی جلبک دریایی به نام آلژینات غیر سلولزی مشتق شده می تواند برای چاپ سه بعدی بافت های غضروفی استفاده شود.

در اواخر همان سال شرکت Cellink پرینتر سه بعدی INKREDIBLE 3D را برای ارائه ی خدمات بایوپرینت یا پرینت سه بعدی زیستی تولید می کند.

2020

با از بین رفتن انحصار تکنولوژی های مختلف پرینتر سه بعدی و در دسترس قرارگرفتن فناوری ها، در سال 2020 بیش از 200 شرکت متخصص در ساخت سیستم های پرینتر سه بعدی در دنیا فعالیت می کنند. از مهم ترین این شرکت ها می توان 3d systems, stratasys, fusion3, formlabs, desktop metal, prusa و voxel8 را نام برد.

نتیجه گیری:

با رشد فرایندهای مختلف افزایشی، مشخص شده که دیگر حذف فلز (ساخت کاهشی) تنها راهکار برای تولید صنعتی نیست. مثلا دهۀ 2010 اولین دهه ای بود که در آن مشخص شد برای تولید قطعات فلزی مانند براکت موتور و مهره های بزرگ دیگر نیاز اجباری به ماشینکاری سنتی وجود ندارد؛ البته که هنوز هم ریخته‌ گری، قالب گیری و ماشینکاری در فلزکاری رواج بیشتری نسبت به تولید افزایشی دارند، اما تولید افزایشی ورود قدرتمندی داشته و با توجه به سادگی و مزایای طراحی در این فرایند، مهندسان آینده ای بسیار روشن را پیش بینی می کنند.

روند تاریخی توسعه فناوریهای چاپ سه بعدی نشان میدهد دولتها و شرکتهای بزرگی که سرمایه گذاری در این ایده را جدی نگرفتند، بعدها میلیاردها دلار سودآوری و اشتغال و کارآفرینی را برای کشور خود از دست دادند. مخترعانی که در آمریکا بودند فرصت ایده پردازی، جدی گرفته شدن و جذب سرمایه را داشتند و توانستند کشور خود را در این فناوری پیشگام کنند؛ تعامل دانشگاهها و صنعت، شرایط پایدار اقتصادی که سرمایه گذاری پرریسک را توجیه میکرد و قوانین حمایتی دولتی آمریکا موجب تحکیم تجارتی چند میلیارد دلاری آینده داری از دانشجویان و کارآفرینان نخبه ای شد که در ابتدا هیچ سرمایه مادی ای نداشتند.

 امروزه، تولید افزایشی یا به عبارت دیگر پرینت سه بعدی یا نمونه سازی سریع، نوع رایجی از فناوری ساخت است. اگرچه چاپ سه بعدی دارای تاریخچه ای گسترده است.

در بدو اختراع فناوری پرینت سه بعدی، شرکت های معدودی توانستند در این عرصه فعالیت سود آور داشته باشند، اما امروزه که فناوری چاپ سه بعدی به طور قابل توجهی رواج پیدا کرده است، چندین شرکت معتبر در دنیا با گسترش دادن این فناوری سعی دارند تا چاپگر سه بعدی رابه یک ابزار روزمره تبدیل کنند. در این بخش سعی داریم تا لحظات مهم در تاریخ پرینتر سه بعدی را شرح دهیم.

خدمات مدلسازی و مهندسی معکوس