تاریخچه پرینتر سه بعدی

 

به نظر می‌رسد که چاپ سه‌بعدی از مدتی پیش به بخش جدایی‌ناپذیری از تولید تبدیل شده است ، حتی در صنایعی که به‌طور مستقیم کالاهای نهایی را تولید نمی‌کنند ، از این فرآیند تقریباً در همه جا برای طراحی و نمونه‌سازی محصولات جدید استفاده می‌شود . امروزه تصور صنعت مدرن بدون چنین فرآیند راحت و مفیدی دشوار است . اما ، البته ، همیشه اینطور نبوده و تنها در ده سال اخیر به این اندازه فراگیر شده است . با این حال ، تاریخچه چاپ سه‌بعدی دیگر محدود به ۱۰ یا ۲۰ سال گذشته نیست.

چگونه همه این‌ها شروع شد و اکنون به کجا می‌رود ؟

در این مقاله به شما خواهیم گفت.

پیدایش ایده در دهه چهل (میلادی)

در سال ۱۹۴۵، نویسنده داستان‌های علمی تخیلی، موری لینستر، داستانی به نام ( اشیاء عبور می‌کنند ) منتشر کرد که در آن دستگاهی عجیب و غریب به نام « سازنده » را توصیف کرد . این دستگاه ، برخلاف سایر انواع ماشین‌ها، قادر بود هر نقشه‌ای را بخواند و آن را به قطعات تبدیل کند ، گویی که در هوا نقاشی می‌کشد .

لینستر نوشت: فرآیند دقیقاً شبیه به روشی بود که یک حشره پیله می‌تند ، با این تفاوت که نتیجه یک توده از رشته‌های بافته شده نبود ، بلکه دیوار جامدی از پلاستیک سخت بود که به اندازه فولاد قوی اما بسیار سبک‌تر بود.

سال‌ها طول کشید تا واقعیت به داستان‌های علمی تخیلی برسد و سپس از آن فراتر رود ، اما در نهایت این اتفاق افتاد.

 

اولین توسعه‌ها در دهه هفتاد (میلادی)

بخشی از توضیحات پتنت گوت والد برای « ضبط‌کننده فلز مذاب . »

در سال ۱۹۷۱، یوهانس اف . گوت والد ، دستگاهی را برای چاپ با فلز مذاب به ثبت رساند . این پتنت به عنوان اولین سند ثبت اختراع در زمینه چاپ سه‌بعدی شناخته می‌شود . گوت والد در سال ۱۹۶۹ در شرکت تلتایپ مشغول به کار بود و در همان زمان پتنتی برای دستگاهی به نام  ضبط‌کننده نوار فلز مذاب ثبت کرد . این پتنت در سال ۱۹۷۱ صادر شد و بعدها به شرکت AT&T  تلتایپ اختصاص یافت .

 

دستگاه  ضبط‌کننده فلز مذاب از فناوری چاپ جوهرافشان که در آن زمان نیز نسبتاً جدید بود ، استفاده کرد و آن را برای استفاده از فلز مذاب به‌عنوان ماده تغییر داد . در هنگام چاپ ، دستگاه فلزاتی با نقطه ذوب پایین را تا حالت مایع گرم می‌کرد ، سپس فلز را به یک حامل منتقل می‌کرد و آن را به شکل دلخواه شکل می‌داد ، جایی که سرد شده و سخت می‌شد .

اگرچه ایده محکم بود ، اما مخترع در پتنت خود اشاره کرد که مواد لازم برای ایجاد اقلام بزرگ با استفاده از این فناوری ، یک عامل محدودکننده بود . به هر حال ، چه کسی می‌خواهد در دفتر خود ذخیره‌ای از فلزات داشته باشد تا از آن برای چاپ استفاده کند ؟

چه چیزی اختراع گوت والد را خاص می‌کند؟ به هر حال ، گوت والد تنها مخترعی نبود که فهمید چگونه می‌توان با استفاده از ماشین‌ها برای دستکاری مواد ، چیزهایی ساخت . بسیاری از مخترعان ، از جمله جوزف ای. بلنتر ، موری لینستر و هیدئو کاداما، رویای ساخت اشیا با جابجایی ذرات ماده را در سر می پروراندند .

جهش از جوهر روی کاغذ به فلز روی فلز یک گام قابل‌توجه بود . پتنت گوتوالد راه را برای سایر مخترعانی که دیدگاه او را داشتند ، نشان داد ؛ این که یک ماشین می‌تواند به مهندسان اجازه دهد از تکنیک‌های تولید افزایشی

 (Additive Manufacturing)  در مقیاس بزرگ استفاده کنند . به هر حال ، فرآیند استریولیتوگرافی (SLA) بیل مسترز و ماشین چاپ سه‌بعدی چاک هال راه را برای تبدیل چاپ سه‌بعدی به یک فناوری جریان اصلی یا حداقل صنعتی هموار کردند .

خلاقیت مخترعان را به جستجوی راه‌هایی برای گسترش استفاده از مواد تولید افزایشی ترغیب کرده است .

مفهوم چاپ سه‌بعدی برای اولین بار توسط دانشمند و نویسنده بریتانیایی ، دیوید ای. اچ. جونز ، در سال ۱۹۷۴ شرح داده شد. اما تا اوایل دهه ۱۹۸۰، روش‌ها و مواد لازم برای ساخت مدل‌ها توسعه نیافت.

تلاش‌ها برای پیاده‌سازی در دهه هشتاد (میلادی) :

سال ۱۹۸۱، نقطه آغاز تلاش‌های نخستین در زمینه چاپ سه‌بعدی توسط دکتر کاداما بود : او اولین کسی بود که روش تولید لایه لایه‌ای مشابه با SLA را توصیف کرد . او اختراع خود را به‌عنوان ( دستگاه پروتوتایپینگ سریع ) توصیف کرد . مهم‌تر از همه ، او اولین فردی بود که برای پتنتی که فرآیند پخت با لیزر را توصیف می‌کرد ، درخواست داده بود . متأسفانه ، پتنت او هرگز به نتیجه نرسید ،  به دلیل مشکلات مالی ، دکتر کاداما نتوانست درخواست پتنت را قبل از مهلت مقرر تکمیل کند و پتنت هرگز صادر نشد .

 

سه مخترع فرانسوی در سال ۱۹۸۴ نیز پتنتی را به ثبت رساندند . ژان-کلود آندره ، اولیویه د ویت و آلن لو مهوت ، همکارانی بودند که برای شرکت فناوری فرانسوی آلکاتل و مرکز ملی تحقیقات علمی فرانسه (CNRS) کار می‌کردند . آنها بر اساس تمرکز دکتر کاداما بر   دستگاه پروتوتایپینگ سریع   به تولید قطعات پیچیده پرداختند .

د ویت پیشینه‌ای از کار با لیزرها برای پخت مواد جامد داشت و این فناوری را بهترین گزینه برای استفاده در پروتوتایپینگ سریع می‌دانست . متأسفانه ، کارفرمایان آنها در آلکاتل و CNRS به این فناوری علاقه‌مند نبودند و این گروه قادر به تأمین مالی پروژه خود پس از ثبت پتنت نبود ، که مجبور به کنار گذاشتن ایده شدند .

 

۱۹۸۴-۱۹۸۸:  اختراع استریولیتوگرافی مدل SLA-1 بازار تجاری جدیدی را ایجاد کرد :

سال ۱۹۸۴ سالی تحول‌آفرین برای فناوری نوپای چاپ سه‌بعدی شد . در ایالات متحده ، دفتر پتنت آمریکا اولین پتنت تایید شده برای هر نوع فناوری که اکنون تحت چتر چاپ سه‌بعدی قرار می‌گیرد ، به بیل مسترز اعطا کرد.

جالب است که مسترز همچنین مخترع کایاک است و بیش از ۳۰ پتنت برای طراحی آن ثبت کرده است! متأسفانه، مسترز نهایتاً کار خود را در زمینه چاپ سه‌بعدی رها کرد (پس از تولید یک دستگاه کارا در اوایل دهه ۱۹۹۰) تا بر روی کسب‌وکار رو به رشد کایاک خود تمرکز کند .

این‌جاست که چارلز چاک هال ، پدر چاپ سه‌بعدی ، وارد داستان می‌شود . در سال ۱۹۸۴، او تنها سه هفته پس از آنکه گروه فرانسوی پتنت خود را ثبت کرده بودند ، پتنتی برای سیستم استریولیتوگرافی ثبت کرد . ایده ی هال استفاده از لامپ‌های  UV  شرکتش برای پخت رزین حساس به نور به‌صورت لایه‌ ‌لایه برای تولید قطعات کوچک سفارشی بود .

پتنت او در سال ۱۹۸۶ تأیید شد و او شرکت خود را به نام   3D Systems  تأسیس کرد . دو سال بعد ، آنها اولین چاپگر سه‌بعدی تجاری در دسترس  SLA-1  را در سال ۱۹۸۸ عرضه کردند . علاوه بر دستگاه فوق‌العاده خود ، هال همچنین فرمت فایل STL و فرآیند برش دیجیتال  را توسعه داد که همچنان برای صنعت چاپ سه‌بعدی حیاتی است.

 

 

۱۹۸۸-۱۹۹۳ :   روش‌های دیگر

حال که مشاهده کردید چاپ SLA اولین فناوری بود که وارد بازار شد ،  اما باید دانست که چاپ های FDM   و SLS چندان عقب نماندند . هر دو فناوری پتنت‌های تایید شده خود را در سال ۱۹۸۸ ثبت کردند .

سینترینگ لیزری انتخابی (SLS) برای اولین بار در تگزاس توسط کارل دکارد ، دانشجوی دانشگاه ، اختراع شد . در آن زمان تنها یک دانشجوی کارشناسی بود و چاپگر او ابتدایی بود و قادر به تولید قطعات ساده پلاستیکی بود . با این حال ، ایده وجود داشت و اجرای آن به زودی به چاپ SLS که امروز می‌شناسیم ، توسعه یافت .

پتنت دیگری که در سال ۱۹۸۸ ثبت شد، مربوط به ماشین مدل‌سازی رسوبی ذوب شده (FDM) بود که توسط اسکات کرامپ، یکی از بنیان‌گذاران استراتاسیس ثبت شد . این پتنت تا سال ۱۹۹۲ به تصویب رسید ، اما استراتاسیس با ماشین‌های جدید FDM  خود به سرعت پیشتاز در چاپ سه‌بعدی شد .

این دوره به پایان می‌رسد تا اینکه در سال ۱۹۹۳، پروفسور امانوئل ساکس از MIT اصطلاح چاپ سه‌بعدی را به واژگان صنعت معرفی کرد و صنعتی که پیش‌تر به نام پروتوتایپینگ سریع شناخته می‌شد .

۲۰۰۰ : بازار به عموم مردم رسید.

حالا به دوره‌ای می‌رسیم که بیشتر مردم با چاپ سه‌بعدی آشنا شدند . رویدادهای متنوعی در این گسترش نقش داشتند ، از جمله معرفی چاپگر سه‌بعدی چندرنگ توسط  Zcorp در سال ۲۰۰۰ . آنها فناوری چاپ جوهرافشان رایج در چاپگرهای رنگی خانگی را بازطراحی کردند و آن را به چاپ اشیاء سه‌بعدی رنگی تطبیق دادند .

توسعه مهم بعدی در سال ۲۰۰۴ با آغاز جنبش  RepRap  توسط آدریان بویر (Adrian Bowyer) بود . هدف او استفاده از چاپگرهای سه‌بعدی برای ساخت چاپگرهای سه‌بعدی بیشتر و در نتیجه ایجاد ماشین‌های خودتکثیر بود .

این ایده چند سال از واقعیت فاصله داشت ، اما به سرعت در جامعه چاپ سه‌بعدی ، به ویژه نزد بنیان‌گذار  Prusa Research، یعنی یوزف پروشا (Josef Průša) ، محبوب شد . ماشین‌های خودتکثیر RepRap  به عنوان آینده‌ای نویدبخش شناخته شدند ، برخی که معتقد بودند این فناوری می‌تواند انقلاب صنعتی دوم را آغاز کند و به پایان جهانی سرمایه‌داری کمک کند و محیط زیست را نجات دهد .

صنعت چاپ سه‌بعدی در سال 2006 با معرفی اولین چاپگر سه‌بعدی رومیزی تجاری توسط شرکت Objet، یک جهش بزرگ دیگر را تجربه کرد . این اتفاق دوران جدیدی را برای علاقه‌مندان خانگی آغاز کرد که توانستند با چاپ سه‌بعدی به آزمایش بپردازند .

اما این چطور می‌توانست جالب باشد اگر نتوانند طراحی‌ها و ایده‌ها را به اشتراک بگذارند و چاپ کنند ، چه ؟

خوب ، این شکاف بازار به سرعت توسط Thingiverse پر شد ، که در سال ۲۰۰۸ راه‌اندازی شد .

در حالی که همه این تحولات در بخش‌های سرگرمی و مصرف‌کننده چاپ سه‌بعدی در حال وقوع بود ، دانشگاه کرنل

(Cornell University)  در سال ۲۰۱۱ به دستاورد علمی جدیدی دست یافت و اولین چاپگر غذایی سه‌بعدی را معرفی کرد. پیشرفت‌های فناوری به سرعت توجه بسیاری از شرکت‌های بزرگ را جلب کرد و چندین شرکت بزرگ در سال‌های بعد ، از جمله GE و HP در سال ۲۰۱۶ ، بخش‌های چاپ سه‌بعدی خود را معرفی کردند .

 

پایان پتنت‌ها :

دهه ۲۰۰۰ همچنین پایان یک دوره بود ، زیرا پتنت‌هایی که فناوری‌های غالب دهه‌های ۸۰ و ۹۰ را معرفی کرده بودند ، منقضی شدند . اولین پتنتی که منقضی شد ، پتنت فناوری SLA در سال ۲۰۰۹ بود ، که چاک هال برای معرفی چاپگر SLA-1 خود به بازار ثبت کرده بود .

پتنت بعدی که تاریخ انقضای آن فرا رسید ، پتنت فناوری FDM شرکت Stratasys بود که آن هم در سال ۲۰۰۹ منقضی شد . جالب است که با اینکه پتنت منقضی شد ، Stratasys  هنوز حق برند بر اصطلاح FDM را دارد ، که رقبا مجبور هستند تا با شرکت   Stratasys  توافق کنند تا از اصطلاح “FDM” استفاده کنند که توسط رسانه‌ها و مصرف‌کنندگان شناخته شده است . اگر این توافق صورت نگیرد ، آنها باید از اصطلاح کمتر رایج ” فابریکیشن فلامنت ذوب‌شده ” (FFF)  استفاده کنند.

با پایان پتنت‌ها در سال ۲۰۰۹ ، رقبا به سرعت با کیت‌های چاپگر DIY جدید به بازار وارد شدند . این کیت‌ها با هزینه‌ای بسیار پایین‌تر از قبل در دسترس بودند و بازار صنعتی تجاری که Stratasys بر روی آن تمرکز کرده بود ، را نادیده گرفتند . در عوض ، تولیدکنندگان هدفشان اتصال به مصرف‌کنندگان فردی و جامعه در حال رشد سرگرمی‌سازان بود که به‌طور آنلاین حول فناوری‌های  Thingiverse، Objet  و Reprap گرد هم آمده بودند . معروف‌ترین ارائه‌دهندگان کیت‌های

 DIY BfB Rapman و  Makerbot بودند که هر دو محصولات FDM خود را در سال ۲۰۰۹ بلافاصله پس از انقضای پتنت‌ها معرفی کردند .

جذب توجه سرگرمی‌سازان به چاپگرهای SLA کمی زمان‌بر بود ، اما Formlabs توانست در سال ۲۰۱۲ با معرفی اولین چاپگر SLA  با قیمت واقعاً مقرون‌به‌صرفه برای مصرف‌کنندگان ، یعنی Form 1، از طریق یک کمپین کیک‌استارتر ، به این بازار راه یابد . 

دوره پتنت‌ها تقریباً به‌طور کامل در سال ۲۰۱۴ با انقضای پتنت‌های SLS به پایان رسید . حالا فناوری هر سه شکل اصلی چاپ سه‌بعدی در دامنه عمومی است و برای آزمایش و بهبود آزاد است .

 

چاپ سه‌بعدی در سلامتی

طراحی نهایی ایمپلنت فک خاص بیمار

در حالی که پتنت‌های مختلف در حال منقضی شدن بودند ، پیشرفت‌های قابل توجهی نیز در آزمایشگاه‌های سراسر جهان در زمینه چاپ سه‌بعدی پزشکی به وقوع پیوست . یکی از اولین پیشرفت‌های پزشکی که توجهات زیادی را جلب کرد ، کاشت اولین ارگان‌های ساخته‌شده در آزمایشگاه ( مثانه‌های انسانی ) در سال ۱۹۹۹ بود . سلول‌های خود بیماران بر روی داربست‌های زیست‌تجزیه‌پذیر چاپ شده سه‌بعدی رشد داده شدند و حدود هشت هفته بعد در بیماران کاشته شدند . محققان دانشگاه Wake Forest School of Medicine  نتایج خود را در سال ۲۰۰۶ منتشر کردند و گزارش دادند که نتایج بهتری نسبت به بهترین درمان‌های آن زمان به دست آمده است .

نوآوری‌ها همچنان ادامه داشتند . در سال  ۲۰۰۷ ، اولین لیوان لگن چاپ سه‌بعدی در یک بیمار کاشته شد و از آن زمان ، بیش از ۱۰۰،۰۰۰ بیمار از این تکنیک بهره‌مند شده‌اند . از سال  ۲۰۰۸ ، محققان بیمارستان Georges Pompidou در دانشگاه  Paris Descartes  با Materialise همکاری کرده‌اند تا ایمپلنت‌های خاص بیماران را برای جایگزینی استخوان‌های صورت آسیب‌دیده توسعه و چاپ کنند . و در سال ۲۰۱۱ ، جهان شاهد اولین بازسازی فک با چاپ سه‌بعدی بود .

 

 2012-2013  :جریان اصلی و جنجال

با انقضای پتنت‌های  Stratasys، این شرکت در سال‌های اخیر به یک استراتژی جدید برای تسلط بر صنعت چاپ سه‌بعدی روی آورده است: خرید رقبایش. در سال‌های 2012 و 2013، قراردادهایی برای خرید شرکت‌های Objet و Makerbot توسط Stratasys منعقد شد؛ شرکت‌هایی که پیش‌تر به خاطر نقششان در دسترسی آسان‌تر به چاپ سه‌بعدی برای علاقه‌مندان شناخته شده بودند.

این تنها تیتر جنجالی در سال 2013 نبود . چاپ سه‌بعدی همچنین با موفقیت در چاپ اولین اسلحه به جریان اصلی خبرها راه یافت و پس از انتشار طرح‌های آن به‌صورت آنلاین ، بحث‌های زیادی را به راه انداخت .

خوشبختانه ، این جنجال نتوانست حرکت سریع چاپ سه‌بعدی را کند کند ، که پس از آنکه باراک اوباما این فناوری را پذیرفت و در سخنرانی سالانه‌اش در سال 2013 به چاپ سه‌بعدی اشاره کرد ،این روند به سرعت بیشتر شد . چاپ سه‌بعدی به‌طور رسمی وارد جریان اصلی شد و فناوری و اصطلاحات آن به واژگان عمومی وارد شدند .

در زمینه سلامت ، ورود چاپگرهای سه‌بعدی به جریان اصلی منجر به رشد اعضای مصنوعی چاپ‌شده با این فناوری شد . همکاری بین ایوان اوون و ریچارد ون آس برای ساخت یک انگشت مصنوعی کاربردی ، زمانی وارد فاز جدیدی شد که اوون به تحقیق در مورد چاپ سه‌بعدی برای نمونه‌سازی یک دست مصنوعی برای یک کودک پرداخت .

با دو چاپگر Makerbot اهدا شده ، اوون در اواخر سال 2012 اولین دست مکانیکی چاپ‌شده سه‌بعدی را ساخت و تا اوایل سال 2013 ، طرح‌ها در سایت Thingiverse به اشتراک گذاشته شدند . تلاش‌های آن‌ها منجر به یک ابتکار مردمی در میان سازندگان و سازمان‌های جامعه‌محور شد که راه‌حل‌های پروتزهای چاپ‌شده سه‌بعدی را در جوامع خود توسعه داده و گسترش دادند. به عنوان مثال ، طرح‌های e-Nable و Robohand همچنان در Thingiverse قابل دسترسی هستند.

 

2014  تا  کنون : آینده همین حالاست :

در سال 2014، چاپ سه‌بعدی واقعاً از این دنیا خارج شد؛ زمانی که ناسا یک چاپگر را به فضا برد و با موفقیت آن را در ایستگاه فضایی بین‌المللی (ISS) به کار گرفت. در سال 2024، اولین چاپگر سه‌بعدی فلزی در فضا به کمک آژانس فضایی اروپا به ایستگاه فضایی بین‌المللی راه یافت.

از پروژه‌های اخیر می‌توان به شرکت‌های ساختمانی اشاره کرد که قصد دارند در ماه ساخت‌وساز کنند، مانند پروژه Lina از شرکت AI Space Factory، که برنامه‌ریزی شده تا با استفاده از غبار ماه و یک ماده پلیمری، یک پایگاه عملیاتی چاپ کنند. آنچه که مدت‌ها در داستان‌های علمی-تخیلی تصور می‌شد، به واقعیت پیوسته و شاید نشانه‌ای از آینده صنعت چاپ سه‌بعدی باشد.

در همین حال روی زمین، شرکت‌های مختلف تلاش کردند تا از ناسا و فضانوردی عقب نمانند، به‌ویژه در حوزه پزشکی. اولین گام در این مسیر در سال 2015 برداشته شد، زمانی که شرکت Cellink اولین فروش تجاری «بیواینک» را اعلام کرد که امکان چاپ سه‌بعدی بافت‌های بدن را فراهم می‌کند. امروزه چاپ سه‌بعدی همچنان برای نیازهای پزشکی با پیچیدگی‌های روزافزون مورد استفاده قرار می‌گیرد.

شرکت  Cerhum، یک شرکت تجهیزات پزشکی در بلژیک، در سال 2022 تأییدیه اتحادیه اروپا را برای MyBone، یک پیوند استخوان سفارشی چاپ‌شده با استفاده از سرامیک زیست‌سازگار، دریافت کرد. به نظر می‌رسد که چاپ سه‌بعدی اسکافولدهای (داربست‌های) اعضای حیاتی دیگر مانند ریه‌ها نیز به زودی به واقعیت تبدیل شود.

در حالی که شاید کمتر جذاب به نظر برسد ، یک دستاورد بزرگ دیگر در سال 2018 رخ داد ، زمانی که اولین خانواده به یک خانه کاملاً چاپ‌شده سه‌بعدی نقل مکان کرد . این فناوری که در ابتدا به‌عنوان راهی مقرون‌به‌صرفه برای ساخت خانه‌های ارزان در سراسر جهان طراحی شده بود ، اکنون به سمت ساخت خانه‌های لوکس برای خریداران ثروتمند حرکت کرده است .

با توجه به این دستاوردهای متنوع ، می‌توان گفت که آینده از راه رسیده است .

 

فردای پرینتر سه بعدی :

ما فهرستی از پیشرفت‌های چشمگیر سال‌های اخیر را ارائه کرده‌ایم ، اما باید به یاد داشته باشیم که بسیاری از این نوآوری‌ها هنوز در مراحل ابتدایی توسعه هستند . آن‌ها راه زیادی برای رسیدن به پتانسیل کامل خود دارند ، به این معنا که در آینده شاهد دستاوردهای فناورانه بیشتری خواهیم بود که ما را شگفت‌زده خواهند کرد.

خوشبختانه ، به نظر می‌رسد که ما تازه در حال ورود به دنیای وسیع امکانات فناوری چاپ سه‌بعدی هستیم . مدت زیادی طول نخواهد کشید تا از نوآوری‌های شگفت‌انگیز دیگری که به چاپ سه‌بعدی نسبت داده می‌شوند ، بشنویم . چندین فناوری وجود دارد که ما به دقت آن‌ها را دنبال می‌کنیم ، مانند کامپوزیت‌های فیبر کربن چاپ‌شده به‌صورت پیوسته از شرکت

 Continuous Composites و کار با مواد واکنش‌پذیر در فرآیندی که به عنوان چاپ چهار بعدی (4D) شناخته می‌شود .

ما نمی‌توانیم پیش‌بینی کنیم که چاپ سه‌بعدی از اینجا به کجا خواهد رفت، اما می‌توانیم از سفر شگفت‌انگیزی که این فناوری آینده‌نگرانه تاکنون طی کرده است ، لذت ببریم .